CN114535632B - 一种适用于深孔加工的基于mre的主动变刚度减振镗杆 - Google Patents

Abstract

一种适用于深孔加工的基于MRE的主动变刚度减振镗杆，涉及机械加工领域。本发明是为了解决现有的镗杆振动减振器由于置于镗杆的外部，并不适用于工件的深孔加工的问题。本发明中镗杆本体内开有第一螺纹孔、第二螺纹孔和通孔，堵头的一侧螺接在第一螺纹孔内，并与第一螺纹孔之间形成容置空腔，堵头的另一侧设置有刀头；质量块设置在容置空腔内，圆柱形磁流变弹性体的一端螺接在质量块上，圆柱形磁流变弹性体的另一端螺接在第二螺纹孔内；套管套在镗杆本体靠近刀头一侧的外壁上，且套管与镗杆本体之间形成环形容置腔，励磁线圈设置在环形容置腔内；电源线的一端与励磁线圈连接，电源线的另一端连接电源。本发明主要用于镗杆的减振。

Description

一种适用于深孔加工的基于MRE的主动变刚度减振镗杆

技术领域

本发明涉及机械加工领域，尤其涉及一种适用于深孔加工的基于MRE的主动变刚度减振镗杆。

背景技术

在机械加工领域，很多零部件都需要进行内孔加工，而在这些内孔加工中，深孔加工占有相当大的比例。镗削加工作为内孔加工的主要方式之一，它的主要作用是扩大加工孔的孔径，减小内孔表面粗糙度，提高加工精度。此外，镗孔加工还可以很好地纠正被加工孔轴线的偏斜度。目前，深孔加工所面临的主要问题有两个方面，一是由于深孔加镗杆悬伸长度较大、动刚度较小，在切削过程中很容易产生振动现象，导致工件加工精度降低，影响工件的使用性能甚至可能造成工件报废，同时，切削振动时会产生比较大的动载荷，这会使得刀具及机床的使用寿命减少。

根据镗杆减振方式的不同，镗削过程中对镗杆的振动控制策略主要分为三类：(1)、被动控制：一般通过隔振、吸振和耗能等手段达到减振的目的。其具有减振机理明确、造价低、无需外部能量、装置简单等优点，但控制范围较小、精度较差、效果一般不理想。(2)、主动控制：利用外部结构提供的能量施加控制力，快速减小镗杆的振动，具有实时性强和适应性广等优点，但其消耗外部能量较多。(3)、半主动控制：对减振系统参数(质量、刚度和阻尼)的调节实现对减振镗杆性能的调节。半主动减振作用于减振系统，并不需要向切削系统输入能量，所以其需要较少的外部能量。镗杆减振的半主动控制一般包括主动变刚度控制、主动变阻尼控制以及主动变刚度阻尼控制。半主动控制具有维护要求不高、费用低等优点，且控制效果与主动控制相近。因此，镗削过程中对镗杆的振动控制半主动控制策略较为理想。

磁流变材料(Magnetorheological material)是一种智能材料，通过施加外部磁场对其机械性能和流变性能进行快速、可逆控制。磁流变材料包括磁流变液(MR fluidMRF)、磁流变泡沫(MR foam),磁流变凝胶(MR gel)以及磁流变弹性体(MR elastomer,MRE)。其中，磁流变弹性体是一种新型的磁流变智能材料，它是在磁流变液的基础上发展起来的。磁流变弹性体克服了磁流变液易沉降、稳定性差、颗粒易磨损等缺点，同时保持了磁流变液的流变性响应速度快、可逆可控、能耗低等优点。磁流变弹性体的流变性主要体现在其磁致模量可控，即其剪切模量或压缩模量会随着外加磁场强度的变化而迅速变化(毫秒量级)，这是传统减振材料所无法比拟的。此外，磁流变弹性体流变特性所需的能量很小，易于实现半主动控制。

目前，为了解决镗杆振动问题，国内外研究学者已经做了大量的研究工作。其中基于MRE的方案大部分是将减振器直接置于刀杆的外部抑制振动，这种方案只适用于非深孔加工场景。对于深孔加工场景，要求镗杆的长径比较大，而镗削过程中镗杆振动主要集中在前端，所以需要把减振器设置在镗杆的前端。如果采用减振器外置，在镗削加工时，可能会发生镗杆与加工工件的直接接触，这将会影响加工精度，甚至无法加工。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是：现有的镗杆振动减振器由于置于镗杆的外部，在镗削加工时，可能会发生镗杆与加工工件的直接接触，这将会影响加工精度，甚至无法加工的问题，进而提出一种适用于深孔加工的基于MRE的主动变刚度减振镗杆。

本发明为解决上述技术问题采用的技术方案是：

一种适用于深孔加工的基于MRE的主动变刚度减振镗杆，包括镗杆本体、堵头、励磁线圈、质量块、圆柱形磁流变弹性体、套管和电源线，所述的镗杆本体沿其轴线方向依次开有相通的第一螺纹孔、第二螺纹孔和通孔，所述的堵头的一侧螺接在镗杆本体上的第一螺纹孔内，并与第一螺纹孔之间形成容置空腔，堵头的另一侧设置有刀头；所述的质量块设置在容置空腔内，圆柱形磁流变弹性体的一端螺接在质量块上，并与质量块构成变刚度减振器，圆柱形磁流变弹性体的另一端螺接在第二螺纹孔内；所述的套管套在镗杆本体靠近刀头一侧的外壁上，且套管与镗杆本体之间形成环形容置腔，所述的励磁线圈设置在环形容置腔内；所述的电源线的一端依次穿过通孔、第二螺纹孔与圆柱形磁流变弹性体之间的缝隙、容置空腔、堵头与第一螺纹孔之间的缝隙和套管与镗杆本体之间的缝隙并与励磁线圈连接，所述的电源线的另一端连接电源。

进一步的，所述的镗杆本体的外壁上径向依次开有一圈第一环形凹槽和一圈第二环形凹槽，所述的套管套在第二环形凹槽内，且套管的外壁与镗杆本体的外壁平齐，所述的套管与镗杆本体上的第一环形凹槽之间形成环形容置腔。

进一步的，所述的圆柱形磁流变弹性体包括多片硅钢片和多片磁流变弹性体薄片，所述的磁流变弹性体薄片的一侧表面开有圆形凹槽，所述的硅钢片置于磁流变弹性体薄片的圆形凹槽内，且硅钢片的外表面与磁流变弹性体薄片开有圆形凹槽的一侧表面平齐，多片磁流变弹性体薄片轴向并排设置，相邻的两片磁流变弹性体薄片之间通过胶水连接。

进一步的，所述的质量块靠近圆柱形磁流变弹性体的一侧设置有内螺纹槽，所述的磁流变弹性体薄片的外壁上加工有外螺纹，所述的圆柱形磁流变弹性体的一端通过磁流变弹性体薄片上的外螺纹螺接在质量块上的内螺纹槽中，圆柱形磁流变弹性体的另一端通过磁流变弹性体薄片上的外螺纹螺接在镗杆本体上的第二螺纹孔中。

进一步的，所述的堵头的横截面为凸字形，堵头凸出的部分轴向开有外螺纹，堵头的轴肩将套管固定在第二环形凹槽内。

本发明与现有技术相比产生的有益效果是：

1、本发明将变刚度减振器置于镗杆本体的内部，因此镗杆本体的外壁与加工工件上的深孔不会发生干涉，本发明中的变刚度减振器在减小镗杆本体振动的同时又不会影响深孔加工的深度，增加了加工工件的精度；

2、本发明采用质量块和磁流变弹性体材料作为变刚度减振器，通过改变励磁线圈通电电流的大小来改变磁流变弹性体材料(MRE)的刚度，进而改变变刚度减振器的固有频率，使之等于外界振动频率，实现宽频减振的目的；由于磁流变弹性体材料的磁流变响应迅速，属于毫秒量级，因此磁流变弹性体材料(MRE)在外加磁场的作用下其阻尼性能可快速发生变化且具有可逆的特性；

3、本发明对于促进在镗削过程中振动控制技术的进步，提高深孔的加工精度及保证加工质量、提高生产效率、延长刀具系统的使用寿命、降低深孔加工过程的噪声等方面均具有重要的应用价值。

附图说明

附图作为本申请的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的轴向剖面图；

图4为镗杆本体的结构示意图；

图3为镗杆本体、堵头与套管装配的示意图；

图5为图2中A处的局部放大图；

图6为质量块的结构示意图；

图7为磁流变弹性体薄片的结构示意图；

图8为圆柱形磁流变弹性体在剪切模式下，圆柱形磁流变弹性体的受力方向与磁线方向示意图。

图中：1-镗杆本体；1-1-第一螺纹孔；1-2-第二螺纹孔；1-3-通孔；1-4-容置空腔；1-5-环形容置腔；1-6-第一环形凹槽；1-7-第二环形凹槽；2-堵头；3-励磁线圈；4-质量块；4-1-内螺纹槽；5-硅钢片；6-磁流变弹性体薄片；6-1-圆形凹槽；7-套管；8-电源线；9-刀头。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参见图1至图8所示，本申请实施例提供一种适用于深孔加工的基于MRE的主动变刚度减振镗杆，包括镗杆本体1、堵头2、励磁线圈3、质量块4、圆柱形磁流变弹性体、套管7和电源线8，所述的镗杆本体1沿其轴线方向依次开有相通的第一螺纹孔1-1、第二螺纹孔1-2和通孔1-3，所述的堵头2的一侧螺接在镗杆本体1上的第一螺纹孔1-1内，并与第一螺纹孔1-1之间形成容置空腔1-4，堵头2的另一侧设置有刀头9；所述的质量块4设置在容置空腔1-4内，圆柱形磁流变弹性体的一端螺接在质量块4上，并与质量块4构成变刚度减振器，圆柱形磁流变弹性体的另一端螺接在第二螺纹孔1-2内；所述的套管7套在镗杆本体1靠近刀头9一侧的外壁上，且套管7与镗杆本体1之间形成环形容置腔1-5，所述的励磁线圈3设置在环形容置腔1-5内；所述的电源线8的一端依次穿过通孔1-3、第二螺纹孔1-2与圆柱形磁流变弹性体之间的缝隙、容置空腔1-4、堵头2与第一螺纹孔1-1之间的缝隙和套管7与镗杆本体1之间的缝隙并与励磁线圈3连接，所述的电源线8的另一端连接电源。

本实施方式中，在磁场作用下，圆柱形磁流变弹性体的有效剪切模量会变化，导致圆柱形磁流变弹性体的刚度改变，而刚度变化会改变减振器的固有频率。所以可通过改变穿过MRE的磁场的强度，对減振器的固有频率进行调节，使之等于外界激振频率，充分发挥减振器的减振性能，可以实现宽频减振的目的。

所述的变刚度减振器的固有频率ω通过以下公式获得：

磁流变弹性体的刚度为：

式中：k为圆柱形磁流变弹性体的刚度；G为圆柱形磁流变弹性体的有效剪切模量；A为圆柱形磁流变弹性体的有效剪切面积；H为圆柱形磁流变弹性体的厚度；

圆柱形磁流变弹性体有效剪切模量为：

G＝G₀+G'

式中：G₀为圆柱形磁流变弹性体未在磁场作用下的剪切模量；G′为圆柱形磁流变弹性在磁场作用下的剪切模量变化量；

变刚度减振器的固有频率为：

由以上公式可知：

式中：ω为变刚度减振器的固有频率；m为质量块的质量。

本实施方式中，磁流变弹性体所采用的工作模式为剪切模式，可以使得磁流变效应更明显，变刚度效果更好；当励磁线圈3通电时，励磁线圈3在容置空腔1-4内产生水平方向的磁场，磁场方向如图8中虚线方向所示，由于励磁线圈3所产生的磁场将圆柱形磁流变弹性体完全覆盖，水平方向的磁场穿过圆柱形磁流变弹性体，圆柱形磁流变弹性体受到磁场作用，在镗削加工过程中，镗杆的振动方向主要为径向，即镗杆受力方向为径向，如图8中F所示的竖直方向，所以内置在镗杆前端的变刚度减振器的受力方向也为竖直方向，圆柱形磁流变弹性体所处磁场方向与受力方向垂直，即本发明中的圆柱形磁流变弹性体的工作模式为剪切模式。由于磁流变弹性体是将励磁性颗粒在基体材料(如橡胶基)中固化形成的，其中励磁性颗粒在基体内部为链状或柱状结构，当在与颗粒链状结构垂直方向上施加作用力，平行方向上施加磁场时，磁流变弹性体的内部结构会发生变化，内部结构的变化造成颗粒原始位置发生变化，使颗粒之间的作用力加强，这种相互作用力的变化会导致磁流变弹性体剪切模量的变化，进而磁流变弹性体的刚度变化。

本实施方式中，如图2至图5所示，所述的质量块4与圆柱形磁流变弹性体构成变刚度减振器，将变刚度减振器置于镗杆本体1前端的内部，即置于镗杆本体1的容置空腔1-4中，而励磁线圈3置于套管7与镗杆本体1之间所形成的环形容置腔1-5中，因此镗杆在加工工件的过程中，镗杆本体的外壁与加工工件上的深孔不会发生干涉，本发明中的变刚度减振器在减小镗杆本体振动的同时又不会影响深孔加工的深度，增加了加工工件的精度；

本实施方式中，如图5所示，所述的励磁线圈3的长度长于圆柱形磁流变弹性体的长度，当励磁线圈3通过电源线8接通电源时，电流传递到励磁线圈3，励磁线圈3产生的磁场将圆柱形磁流变弹性体完全包围，励磁线圈3的磁场大小通过电流大小的改变而改变，进而改变变刚度减振器刚度的大小，变刚度减振器的固有频率随着刚度的变化而发生改变，当变刚度减振器的固有频率等于外界激振频率时，变刚度减振器充分发挥减振机构的减振性能，实现宽频减振的目的。

本实施方式中，根据实际现场加工的需要，可以通过缩短或加长镗杆本体1的长度来调节整个镗刀的长度。

本实施方式中，利用本申请的镗杆加工工件的具体过程如下：

步骤一、将主动变刚度减振镗杆安装在相应镗床上，并在镗杆的最前端安装加速度传感器，加速度传感器的固定方式可以为用强力胶水粘贴，加工完毕时可取下；

步骤二、确定好切削参数后，对工件进行试切，采集端把加速度传感器收集的信号通过实时的计算转换为相应的振动信号；

步骤三、根据振动信号计算所需要通电电流的大小，对励磁线圈3供电，通过改变励磁线圈电流的大小改变穿过MRE的磁场，进而对减振器的固有频率进行调节，使之等于外界激振频率，充分发挥减振器的减振性能，实现宽频减振，直到工件加工结束。

在一种可能的实施方案中，所述的镗杆本体1的外壁上径向依次开有一圈第一环形凹槽1-6和一圈第二环形凹槽1-7，所述的套管7套在第二环形凹槽1-7内，且套管7的外壁与镗杆本体1的外壁平齐，所述的套管7与镗杆本体1上的第一环形凹槽1-6之间形成环形容置腔1-5，即励磁线圈3缠绕在第一环形凹槽1-6上，套管7将励磁线圈3密封在第一环形凹槽1-6中。在一种可能的实施方案中，所述的圆柱形磁流变弹性体包括多片硅钢片5和多片磁流变弹性体薄片6，所述的磁流变弹性体薄片6的一侧表面开有圆形凹槽6-1，所述的硅钢片5置于磁流变弹性体薄片6的圆形凹槽6-1内，且硅钢片5的外表面与磁流变弹性体薄片6开有圆形凹槽6-1的一侧表面平齐，多片磁流变弹性体薄片6轴向并排设置，相邻的两片磁流变弹性体薄片6之间通过胶水连接。

本实施方式中，如图2至图5、图7所示，由于变刚度减振器的固有频率ω与圆柱形磁流变弹性体的厚度(或者说长度)和圆柱形磁流变弹性体未在磁场作用下的剪切模量有关，因此将圆柱形磁流变弹性体设计成由多片硅钢片5和多片磁流变弹性体薄片6通过胶黏剂粘接的形式，可以通过增加或减少磁流变弹性体薄片6与硅钢片5的数量来改变变刚度减振器的厚度(或者说长度)，从而改变变刚度减振器的初始固有频率，来满足不同加工场景的需要；而且由于磁流变弹性体薄片6本身具有一定的弹性，将磁流变弹性体薄片6的一侧表面开槽，并将硅钢片5放置在圆形凹槽6-1内，使得单片磁流变弹性体薄片6与单片硅钢片5形成一个整体，在增加了单片磁流变弹性体薄片6刚度的同时，不仅不会增加磁流变弹性体薄片6的厚度，而且还可以更加均匀地增强容置空腔1-4内部的磁场强度，使得磁流变弹性体薄片6的磁流变效应更加明显。

在一种可能的实施方案中，如图6所示，所述的质量块4靠近圆柱形磁流变弹性体的一侧设置有内螺纹槽4-1，所述的磁流变弹性体薄片6的外壁上加工有外螺纹，所述的圆柱形磁流变弹性体的一端通过磁流变弹性体薄片6上的外螺纹螺接在质量块4上的内螺纹槽4-1中，圆柱形磁流变弹性体的另一端通过磁流变弹性体薄片6上的外螺纹螺接在镗杆本体1上的第二螺纹孔1-2中。

本本实施方式中，由于变刚度减振器的固有频率ω与质量块4的质量有关，质量块4的质量越大，变刚度减振器的固有频率ω越小，反之，变刚度减振器的固有频率ω越大，因此，在不同的工况下，也可以选择改变质量块4的质量来改变变刚度减振器的固有频率ω，将质量块4与圆柱形磁流变弹性体设计成螺接的连接方式，方便质量块4的更换。

在一种可能的实施方案中，所述的堵头2的横截面为凸字形，堵头2凸出的部分轴向开有外螺纹，堵头2的轴肩将套管7固定在第二环形凹槽1-7内。

本实施方式中，将堵头2与镗杆本体1之间设置成螺接的方式，方便容置空腔1-4中变刚度减振器的更换。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (5)

1.一种适用于深孔加工的基于MRE的主动变刚度减振镗杆，其特征在于：包括镗杆本体(1)、堵头(2)、励磁线圈(3)、质量块(4)、圆柱形磁流变弹性体、套管(7)和电源线(8)，所述的镗杆本体(1)沿其轴线方向依次开有相通的第一螺纹孔(1-1)、第二螺纹孔(1-2)和通孔(1-3)，所述的堵头(2)的一侧螺接在镗杆本体(1)上的第一螺纹孔(1-1)内，并与第一螺纹孔(1-1)之间形成容置空腔(1-4)，堵头(2)的另一侧设置有刀头(9)；所述的质量块(4)设置在容置空腔(1-4)内，圆柱形磁流变弹性体的一端螺接在质量块(4)上，并与质量块(4)构成变刚度减振器，圆柱形磁流变弹性体的另一端螺接在第二螺纹孔(1-2)内；所述的套管(7)套在镗杆本体(1)靠近刀头(9)一侧的外壁上，且套管(7)与镗杆本体(1)之间形成环形容置腔(1-5)，所述的励磁线圈(3)设置在环形容置腔(1-5)内；所述的电源线(8)的一端依次穿过通孔(1-3)、第二螺纹孔(1-2)与圆柱形磁流变弹性体之间的缝隙、容置空腔(1-4)、堵头(2)与第一螺纹孔(1-1)之间的缝隙和套管(7)与镗杆本体(1)之间的缝隙并与励磁线圈(3)连接，所述的电源线(8)的另一端连接电源。

2.根据权利要求1所述的一种适用于深孔加工的基于MRE的主动变刚度减振镗杆，其特征在于：所述的镗杆本体(1)的外壁上径向依次开有一圈第一环形凹槽(1-6)和一圈第二环形凹槽(1-7)，所述的套管(7)套在第二环形凹槽(1-7)内，且套管(7)的外壁与镗杆本体(1)的外壁平齐，所述的套管(7)与镗杆本体(1)上的第一环形凹槽(1-6)之间形成环形容置腔(1-5)。

3.根据权利要求2所述的一种适用于深孔加工的基于MRE的主动变刚度减振镗杆，其特征在于：所述的圆柱形磁流变弹性体包括多片硅钢片(5)和多片磁流变弹性体薄片(6)，所述的磁流变弹性体薄片(6)的一侧表面开有圆形凹槽(6-1)，所述的硅钢片(5)置于磁流变弹性体薄片(6)的圆形凹槽(6-1)内，且硅钢片(5)的外表面与磁流变弹性体薄片(6)开有圆形凹槽(6-1)的一侧表面平齐，多片磁流变弹性体薄片(6)轴向并排设置，相邻的两片磁流变弹性体薄片(6)之间通过胶水连接。

4.根据权利要求3所述的一种适用于深孔加工的基于MRE的主动变刚度减振镗杆，其特征在于：所述的质量块(4)靠近圆柱形磁流变弹性体的一侧设置有内螺纹槽(4-1)，所述的磁流变弹性体薄片(6)的外壁上加工有外螺纹，所述的圆柱形磁流变弹性体的一端通过磁流变弹性体薄片(6)上的外螺纹螺接在质量块(4)上的内螺纹槽(4-1)中，圆柱形磁流变弹性体的另一端通过磁流变弹性体薄片(6)上的外螺纹螺接在镗杆本体(1)上的第二螺纹孔(1-2)中。

5.根据权利要求4所述的一种适用于深孔加工的基于MRE的主动变刚度减振镗杆，其特征在于：所述的堵头(2)的横截面为凸字形，堵头(2)凸出的部分轴向开有外螺纹，堵头(2)的轴肩将套管(7)固定在第二环形凹槽(1-7)内。

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