CN114688206B - 一种高速旋转刀具用无质量偏心吸振器及吸振方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高速旋转刀具用无质量偏心吸振器及吸振方法，所述无质量偏心吸振器包括用于设置在高速旋转刀具杆体上的环形吸振盒、设置在所述环形吸振盒内的环形空腔、活动设置在所述环形空腔内中心位置的阻尼环、充填在所述环形空腔内阻尼液，所述阻尼环的密度与所述阻尼液的密度相同。本发明可以减少刀具切削时的振动，提高刀具高速旋转切削加工时的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及模具加工刀具技术领域，具体涉及一种高速旋转刀具用无质量偏心吸振器及吸振方法。
背景技术
在模具加工中经常涉及到模具型腔面的铣削加工，其遇到的问题是：
第一，模具型腔面的深度有时较深，导致刀具长度较长、刚性较差，铣削加工时容易引起刀具的横向振动，由此降低了模具型腔面的加工质量。
第二，大型模具的型腔面加工面积大、切削时间长，为了提高加工效率，需要采用刀具高速旋转铣削，但往往由于加工振动的原因导致加工的稳定性差，反过来影响了加工的效率。
因此，有必要针对上述问题，改进现有的加工方法。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种高速旋转刀具用无质量偏心吸振器及吸振方法，旨在减少刀具切削时的振动，提高刀具高速旋转切削加工时的稳定性。具体的技术方案如下：
一种高速旋转刀具用无质量偏心吸振器，包括用于设置在高速旋转刀具杆体上的环形吸振盒、设置在所述环形吸振盒内的环形空腔、活动设置在所述环形空腔内中心位置的阻尼环、充填在所述环形空腔内阻尼液，所述阻尼环的密度与所述阻尼液的密度相同。
优选的，所述阻尼环的上下端面与所述环形空腔的顶面与底面之间设置有所述阻尼液通过的阻尼间隙；所述阻尼环的内孔与所述所述环形空腔之间设置有所述阻尼液的填充空间，所述阻尼环的外圆与所述所述环形空腔之间设置有所述阻尼液的填充空间。
优选的，所述阻尼环的环壁上设置有用于阻尼液通过的阻尼孔，所述阻尼孔在所述阻尼环的环壁上均匀布置。
本发明中，实现所述阻尼环的密度与所述阻尼液的密度相同的方法采用以下两种密度设置方法中的一种：
密度设置方法之一：所述阻尼液为由两种以上不同密度的液体配制而成的重液；通过调整所述不同密度的液体配比，使得所述重液的密度与所述阻尼环的密度相同；
作为可选方案，所述重液也可用重介质代替。
密度设置方法之二：所述阻尼环由两种以上不同密度的阻尼子环同轴对接形成，通过所述两种以上不同密度的阻尼子环的上下同轴对接，使得所述阻尼环的整体平均密度与所述重液的密度相同。
上述密度设置方法之二确保了阻尼环上任一位置处的轴向抽取圆柱密度相同。
所述轴向抽取圆柱密度的含义是：在阻尼环端面上的任一位置处沿轴向抽取出一圆柱，该抽取出的圆柱密度平均密度即为轴向抽取圆柱密度。
由于阻尼环本身的密度与阻尼液相同，且阻尼环上任一位置处的轴向抽取圆柱密度相同，因此当阻尼环因刀具切削部位的横向振动而往复运动并导致阻尼环处于偏心位置时，整个环形空腔内的物质(包括阻尼液+阻尼环)的重心位置不会有任何的改变，其始终位于刀具杆体的中心轴线上，从而不会产生额外的因偏心而引起的离心力，由此提高了刀具高速旋转的平稳性。
作为本发明中阻尼子环上下同轴对接的优选方案，所述阻尼子环的上下同轴对接为胶接或摩擦焊接。
为了进一步提高加工的稳定性，进一步的改进方案是：所述环形空腔内还设置有一固定磁环，所述阻尼环包非金属阻尼子环以及与所述非金属阻尼子环上下同轴对接的浮动磁性阻尼子环，所述固定磁环与所述浮动磁性阻尼子环之间相互同轴间隙套装设置，且所述固定磁环和浮动磁性阻尼子环均为辐射取向永磁环。
其中，所述辐射取向永磁环是指永磁环的磁极分为外周层磁极和内周层磁极，磁力线是以磁环的中心为基点呈现辐射分布；且外周层磁极和内周层磁极的极性相反，其中一个为N极、另一个为S极。
本发明中，所述固定磁环与所述浮动磁性阻尼子环的磁极极性设置方法采用以下两种设置方法中的一种：
磁极极性设置方法之一：在所述固定磁环上与所述浮动磁性阻尼子环上相互正对的环形面的磁极极性相同，通过所述固定磁环与所述浮动磁性阻尼子环之间相同磁极极性的磁性力相互排斥作用，实现所述阻尼环的自动浮动定心；
作为一种可选方案，所述重液也可用重介质代替。
磁极极性设置方法之二：在所述固定磁环上与所述浮动磁性阻尼子环上相互正对的环形面的磁极极性相反，通过所述固定磁环与所述浮动磁性阻尼子环之间相反磁极极性的磁性力相互吸引作用，实现所述阻尼环的自动浮动定心。
作为本发明的进一步改进，所述阻尼环包括一个非金属阻尼子环和两个浮动磁性阻尼子环，所述两个浮动磁性阻尼子环分别同轴对接在所述非金属阻尼子环的上下端位置。
上述非金属阻尼子环和浮动磁性阻尼子环的密度设置为不相同，通过调节非金属阻尼子环和浮动磁性阻尼子环的高度之比，可以实现阻尼环的整体平均密度与阻尼液的密度相同。
在刀具静止状态下，浮动磁性阻尼子环与固定磁环之间由于均匀辐射分布磁性力的作用而使得阻尼环自动悬浮在固定磁环的中心轴线位置(该中心轴线位置也是刀具的旋转中心轴线位置)，从而无质量偏心。在刀具高速旋转并产生横向往复振动(或其它不规则振动)的情况下，阻尼环因惯性的作用而会偏离中心轴线位置，但是由于阻尼环的密度与阻尼液相同，因此当将环形空腔内的总物质(即阻尼环+阻尼液)的质量中心仍然位于中心轴线位置，因此刀具横向往复振动过程中虽然有阻尼环的偏心但始终无环形空腔内的总质量偏心。
另外，通过设置合理的浮动磁性阻尼子环的磁性强度，可以使得阻尼环在进行往复偏移运动时不会与固定磁环或环形吸振盒的腔壁相碰撞，并在振动较小时能够使得阻尼环自动回复到中心轴线位置，由此提高了吸振器的运行稳定性。
本发明中，所述固定磁环在所述环形空腔中的位置设置方案采用以下两种位置设置方案中的一种：
固定磁环位置设置方案之一：所述固定磁环位于所述阻尼环的内孔中且与所述阻尼环内孔之间设置有用于充填阻尼液的间隙；
固定磁环位置设置方案之二：所述固定磁环位于所述阻尼环的外围且与所述阻尼环外圆之间设置有用于充填阻尼液的间隙。
为了方便阻尼环的安装和阻尼液的填充，所述环形吸振盒包括盒体和盒盖，盒体和盒盖装配后可以通过焊接进行封装。
本发明的高速旋转刀具用无质量偏心吸振器可安装在数控机床或加工中心用的刀柄上，可使用紧配合方式将无质量偏心吸振器外套在刀柄的杆体上，并通过弹性挡圈进行轴向限位。
另外，无质量偏心吸振器的环形吸振盒可以做成与刀柄的杆体连成一体。
一种高速旋转刀具用无质量偏心吸振器的吸振方法，包括如下步骤：
(1)安装：将带有无质量偏心吸振器的高速旋转刀具安装到数控机床或加工中心上；
(2)加工：开启数控机床或加工中心，使得刀具高速旋转；数控系统启用加工程序对工件进行高速切削加工；
(3)吸振：当高速切削加工中出现刀具横向往复振动时，一方面环形空腔内的阻尼环由于惯性作用而与环形吸振盒之间产生相对往复运动，使得阻尼环对于阻尼液产生一个与振动方向相反的反作用力从而起到消振或减振作用；另一方面在阻尼环挤压力(反作用)的作用下，阻尼液被迫从阻尼环上的阻尼孔和阻尼环上下端位置的阻尼间隙中以往复运动的方式挤压通过，从而使得刀具切削时的横向往复振动能量中的较大部分被转化为阻尼液的运动能量，从而起到良好的吸振作用。
考虑到阻尼液在长时间往复剧烈运动时会产生热量，为了及时将热量散发出去，可以在环形吸振盒的外圆上设置散热翅片。
本发明例中，所述刀具的杆体下端设置有ER弹簧夹头，ER弹簧夹头中装夹有铣刀，所述无质量偏心吸振器安装在刀具的杆体的靠近ER弹簧夹头的上部位置。
需要指出的是，本发明中的无质量偏心吸振器并不限于模具的加工，也可广泛用于各种机械零件的高速切削加工。
本发明的有益效果是：
第一，本发明的一种高速旋转刀具用无质量偏心吸振器及吸振方法，环形吸振盒的环形空腔内充填有阻尼液并活动设置有阻尼环，刀具横向振动时阻尼环的相对惯性运动所形成的反作用力起到了对刀具横向往复振动的抑制作用，且阻尼环的密度与阻尼液的密度相同，从而在刀具横向振动时阻尼环的移位不会导致环形空腔内总物质(包括阻尼液和阻尼环)的质量中心的偏移，由此提高了刀具高速旋转切削加工时的稳定性。
第二，本发明的一种高速旋转刀具用无质量偏心吸振器及吸振方法，当高速切削加工中出现刀具横向往复振动时，一方面环形空腔内的阻尼环由于惯性作用而与环形吸振盒之间产生相对往复运动，使得阻尼环对于阻尼液产生一个与振动方向相反的反作用力从而起到消振或减振作用；另一方面在阻尼环挤压力(反作用)的作用下，阻尼液被迫从阻尼环上的阻尼孔和阻尼环上下端位置的阻尼间隙中以往复运动的方式挤压通过，从而使得刀具切削时的横向往复振动能量中的较大部分被转化为阻尼液的运动能量，从而起到良好的吸振作用。
第三，本发明的一种高速旋转刀具用无质量偏心吸振器及吸振方法，设置有磁性结构的阻尼环自动对中回复装置，阻尼环自动对中回复装置包括设置在环形空腔内还的固定磁环和设置在阻尼环上的浮动磁性阻尼子环，利用具有辐射取向磁性力的固定磁环与浮动磁性阻尼子环之间相反磁极极性的相互吸引或相斥作用，使得在刀具振动较小情况下的阻尼环自动悬浮在固定磁环的中心轴线位置，在刀具振动较大情况下的阻尼环避免与固定磁环或环形吸振盒碰撞，由此提高了吸振器的运行稳定性。
附图说明
图1是本发明的一种高速旋转刀具用无质量偏心吸振器的结构示意图；
图2是图1的局部放大视图。
图中：1、刀具，2、杆体，3、环形吸振盒，4、环形空腔，5、阻尼环，6、阻尼液，7、阻尼间隙，8、阻尼孔，9、无质量偏心吸振器，10、固定磁环，11、非金属阻尼子环，12、浮动磁性阻尼子环，13、盒体，14、盒盖，15、弹性挡圈，16、散热翅片，17、ER弹簧夹头，18、铣刀。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1：
如图1至2所示为本发明的一种高速旋转刀具用无质量偏心吸振器的实施例，包括用于设置在高速旋转刀具1杆体2上的环形吸振盒3、设置在所述环形吸振盒3内的环形空腔4、活动设置在所述环形空腔4内中心位置的阻尼环5、充填在所述环形空腔4内阻尼液6，所述阻尼环5的密度与所述阻尼液6的密度相同。
优选的，所述阻尼环5的上下端面与所述环形空腔4的顶面与底面之间设置有所述阻尼液6通过的阻尼间隙7；所述阻尼环5的内孔与所述所述环形空腔4之间设置有所述阻尼液6的填充空间，所述阻尼环5的外圆与所述所述环形空腔4之间设置有所述阻尼液6的填充空间。
优选的，所述阻尼环5的环壁上设置有用于阻尼液6通过的阻尼孔8，所述阻尼孔8在所述阻尼环5的环壁上均匀布置。
本实施例中，实现所述阻尼环5的密度与所述阻尼液6的密度相同的方法采用以下两种密度设置方法中的一种：
密度设置方法之一：所述阻尼液6为由两种以上不同密度的液体配制而成的重液6；通过调整所述不同密度的液体配比，使得所述重液6的密度与所述阻尼环5的密度相同；
作为一种可选方案，所述重液也可用重介质代替。
密度设置方法之二：所述阻尼环5由两种以上不同密度的阻尼子环同轴对接形成，通过所述两种以上不同密度的阻尼子环的上下同轴对接，使得所述阻尼环5的整体平均密度与所述重液6的密度相同。
上述密度设置方法之二确保了阻尼环5上任一位置处的轴向抽取圆柱密度相同。
所述轴向抽取圆柱密度的含义是：在阻尼环端面上的任一位置处沿轴向抽取出一圆柱，该抽取出的圆柱密度平均密度即为轴向抽取圆柱密度。
由于阻尼环5本身的密度与阻尼液6相同，且阻尼环5上任一位置处的轴向抽取圆柱密度相同，因此当阻尼环5因刀具切削部位的横向振动而往复运动并导致阻尼环5处于偏心位置时，整个环形空腔4内的物质(包括阻尼液+阻尼环)的重心位置不会有任何的改变，其始终位于刀具1杆体2的中心轴线上，从而不会产生额外的因偏心而引起的离心力，由此提高了刀具1高速旋转的平稳性。
作为本实施例中阻尼子环上下同轴对接的优选方案，所述阻尼子环的上下同轴对接为胶接或摩擦焊接。
为了进一步提高加工的稳定性，进一步的改进方案是：所述环形空腔4内还设置有一固定磁环10，所述阻尼环5包非金属阻尼子环11以及与所述非金属阻尼子环11上下同轴对接的浮动磁性阻尼子环12，所述固定磁环10与所述浮动磁性阻尼子环12之间相互同轴间隙套装设置，且所述固定磁环10和浮动磁性阻尼子环12均为辐射取向永磁环。
其中，所述辐射取向永磁环是指永磁环的磁极分为外周层磁极和内周层磁极，磁力线是以磁环的中心为基点呈现辐射分布；且外周层磁极和内周层磁极的极性相反，其中一个为N极、另一个为S极。
本实施例中，所述固定磁环10与所述浮动磁性阻尼子环12的磁极极性设置方法采用以下两种设置方法中的一种：
磁极极性设置方法之一：在所述固定磁环10上与所述浮动磁性阻尼子环12上相互正对的环形面的磁极极性相同，通过所述固定磁环10与所述浮动磁性阻尼子环12之间相同磁极极性的磁性力相互排斥作用，实现所述阻尼环5的自动浮动定心；
磁极极性设置方法之二：在所述固定磁环10上与所述浮动磁性阻尼子环12上相互正对的环形面的磁极极性相反，通过所述固定磁环10与所述浮动磁性阻尼子环12之间相反磁极极性的磁性力相互吸引作用，实现所述阻尼环5的自动浮动定心。
作为本实施例的进一步改进，所述阻尼环5包括一个非金属阻尼子环11和两个浮动磁性阻尼子环12，所述两个浮动磁性阻尼子环12分别同轴对接在所述非金属阻尼子环11的上下端位置。
上述非金属阻尼子环11和浮动磁性阻尼子环12的密度设置为不相同，通过调节非金属阻尼子环11和浮动磁性阻尼子环12的高度之比，可以实现阻尼环5的整体平均密度与阻尼液6的密度相同。
在刀具静止状态下，浮动磁性阻尼子环12与固定磁环10之间由于均匀辐射分布磁性力的作用而使得阻尼环5自动悬浮在固定磁环10的中心轴线位置(该中心轴线位置也是刀具1的旋转中心轴线位置)，从而无质量偏心。在刀具1高速旋转并产生横向往复振动(或其它不规则振动)的情况下，阻尼环5因惯性的作用而会偏离中心轴线位置，但是由于阻尼环5的密度与阻尼液6相同，因此当将环形空腔4内的总物质(即阻尼环+阻尼液)的质量中心仍然位于中心轴线位置，因此刀具横向往复振动过程中虽然有阻尼环5的偏心但始终无环形空腔4内的总质量偏心。
另外，通过设置合理的浮动磁性阻尼子环12的磁性强度，可以使得阻尼环5在进行往复偏移运动时不会与固定磁环10或环形吸振盒3的腔壁相碰撞，并在振动较小时能够使得阻尼环5自动回复到中心轴线位置，由此提高了吸振器9的运行稳定性。
本实施例中，所述固定磁环10在所述环形空腔4中的位置设置方案采用以下两种位置设置方案中的一种：
固定磁环10位置设置方案之一：所述固定磁环10位于所述阻尼环5的内孔中且与所述阻尼环5内孔之间设置有用于充填阻尼液6的间隙；
固定磁环10位置设置方案之二：所述固定磁环10位于所述阻尼环5的外围且与所述阻尼环5外圆之间设置有用于充填阻尼液的间隙。
为了方便阻尼环5的安装和阻尼液6的填充，所述环形吸振盒3包括盒体13和盒盖14，盒体13和盒盖14装配后可以通过焊接进行封装。
本实施例的高速旋转刀具用无质量偏心吸振器9可安装在数控机床或加工中心用的刀柄上，可使用紧配合方式将无质量偏心吸振器9外套在刀柄的杆体2上，并通过弹性挡圈15进行轴向限位。
另外，无质量偏心吸振器9的环形吸振盒3可以做成与刀柄的杆体2连成一体。
实施例2：
一种采用实施例1的高速旋转刀具用无质量偏心吸振器的吸振方法，包括如下步骤：
(1)安装：将带有无质量偏心吸振器9的高速旋转刀具1安装到数控机床或加工中心上；
(2)加工：开启数控机床或加工中心，使得刀具1高速旋转；数控系统启用加工程序对工件进行高速切削加工；
(3)吸振：当高速切削加工中出现刀具1横向往复振动时，一方面环形空腔4内的阻尼环5由于惯性作用而与环形吸振盒3之间产生相对往复运动，使得阻尼环5对于阻尼液6产生一个与振动方向相反的反作用力从而起到消振或减振作用；另一方面在阻尼环5挤压力(反作用)的作用下，阻尼液6被迫从阻尼环5上的阻尼孔8和阻尼环5上下端位置的阻尼间隙7中以往复运动的方式挤压通过，从而使得刀具1切削时的横向往复振动能量中的较大部分被转化为阻尼液6的运动能量，从而起到良好的吸振作用。
考虑到阻尼液6在长时间往复剧烈运动时会产生热量，为了及时将热量散发出去，可以在环形吸振盒3的外圆上设置散热翅片16。
本实施例中，所述刀具的杆体下端设置有ER弹簧夹头17，ER弹簧夹头17中装夹有铣刀18，所述无质量偏心吸振器9安装在刀具1的杆体2的靠近ER弹簧夹头17的上部位置。
需要指出的是，本实施例中的无质量偏心吸振器9并不限于模具的加工，也可广泛用于各种机械零件的高速切削加工。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种高速旋转刀具用无质量偏心吸振器，其特征在于，包括用于设置在高速旋转刀具杆体上的环形吸振盒、设置在所述环形吸振盒内的环形空腔、活动设置在所述环形空腔内中心位置的阻尼环、充填在所述环形空腔内阻尼液，所述阻尼环的密度与所述阻尼液的密度相同；所述阻尼环的上下端面与所述环形空腔的顶面与底面之间设置有所述阻尼液通过的阻尼间隙；所述阻尼环的内孔与所述所述环形空腔之间设置有所述阻尼液的填充空间，所述阻尼环的外圆与所述环形空腔之间设置有所述阻尼液的填充空间。
2.根据权利要求1所述的一种高速旋转刀具用无质量偏心吸振器，其特征在于，所述阻尼环的环壁上设置有用于阻尼液通过的阻尼孔。
3.根据权利要求1所述的一种高速旋转刀具用无质量偏心吸振器，其特征在于，实现所述阻尼环的密度与所述阻尼液的密度相同的方法采用以下两种密度设置方法中的一种：
密度设置方法之一：所述阻尼液为由两种以上不同密度的液体配制而成的重液；通过调整所述不同密度的液体配比，使得所述重液的密度与所述阻尼环的密度相同；
密度设置方法之二：所述阻尼环由两种以上不同密度的阻尼子环同轴对接形成，通过所述两种以上不同密度的阻尼子环的上下同轴对接，使得所述阻尼环的整体平均密度与所述重液的密度相同。
4.根据权利要求3所述的一种高速旋转刀具用无质量偏心吸振器，其特征在于，所述阻尼子环的上下同轴对接为胶接或摩擦焊接。
5.根据权利要求3所述的一种高速旋转刀具用无质量偏心吸振器，其特征在于，所述环形空腔内还设置有一固定磁环，所述阻尼环包括非金属阻尼子环以及与所述非金属阻尼子环上下同轴对接的浮动磁性阻尼子环，所述固定磁环与所述浮动磁性阻尼子环之间相互同轴间隙套装设置，且所述固定磁环和浮动磁性阻尼子环均为辐射取向永磁环。
6.根据权利要求5所述的一种高速旋转刀具用无质量偏心吸振器，其特征在于，所述固定磁环与所述浮动磁性阻尼子环的磁极极性设置方法采用以下两种设置方法中的一种：
磁极极性设置方法之一：在所述固定磁环上与所述浮动磁性阻尼子环上相互正对的环形面的磁极极性相同，通过所述固定磁环与所述浮动磁性阻尼子环之间相同磁极极性的磁性力相互排斥作用，实现所述阻尼环的自动浮动定心；
磁极极性设置方法之二：在所述固定磁环上与所述浮动磁性阻尼子环上相互正对的环形面的磁极极性相反，通过所述固定磁环与所述浮动磁性阻尼子环之间相反磁极极性的磁性力相互吸引作用，实现所述阻尼环的自动浮动定心。
7.根据权利要求5所述的一种高速旋转刀具用无质量偏心吸振器，其特征在于，所述阻尼环包括一个非金属阻尼子环和两个浮动磁性阻尼子环，所述两个浮动磁性阻尼子环分别同轴对接在所述非金属阻尼子环的上下端位置。
8.根据权利要求5所述的一种高速旋转刀具用无质量偏心吸振器，其特征在于，所述固定磁环在所述环形空腔中的位置设置方案采用以下两种位置设置方案中的一种：
固定磁环位置设置方案之一：所述固定磁环位于所述阻尼环的内孔中且与所述阻尼环内孔之间设置有用于充填阻尼液的间隙；
固定磁环位置设置方案之二：所述固定磁环位于所述阻尼环的外围且与所述阻尼环外圆之间设置有用于充填阻尼液的间隙。
9.一种采用根据权利要求1至8中任一项所述的高速旋转刀具用无质量偏心吸振器的吸振方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）安装：将带有无质量偏心吸振器的高速旋转刀具安装到数控机床或加工中心上；
（2）加工：开启数控机床或加工中心，使得刀具高速旋转；数控系统启用加工程序对工件进行高速切削加工；
（3）吸振：当高速切削加工中出现刀具横向往复振动时，一方面环形空腔内的阻尼环由于惯性作用而与环形吸振盒之间产生相对往复运动，使得阻尼环对于阻尼液产生一个与振动方向相反的反作用力从而起到消振或减振作用；另一方面在阻尼环挤压力的作用下，阻尼液被迫从阻尼环上的阻尼孔和阻尼环上下端位置的阻尼间隙中以往复运动的方式挤压通过，从而使得刀具切削时的横向往复振动能量中的较大部分被转化为阻尼液的运动能量，从而起到良好的吸振作用。
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