CN115106561A - 刚度阻尼可调式减振镗杆 - Google Patents

Abstract

刚度阻尼可调式减振镗杆，属于深孔加工领域，本发明为解决现有镗削加工时因振动而影响加工质量问题。本发明包括刀头、刀头连接件、镗杆、悬臂梁、质量块、阻尼调节单元、刚度调节单元和控制单元，镗杆设置有前端开口空腔，该空腔的前端开口处设置有刀头连接件，空腔内设置阻尼调节单元和刚度调节单元；悬臂梁的固定端设置于刀头连接件内壁中心点，悬臂梁的悬空端连接质量块；控制单元通过阻尼调节单元来实现阻尼大小调节，控制单元通过刚度调节单元来实现悬臂梁刚度的调节。

Description

刚度阻尼可调式减振镗杆

技术领域

本发明属于深孔加工领域。

背景技术

在机械制造行业中，镗削加工是一种重要的零件加工方法，尤其是广泛应用于深孔加工，并且在航空航天、精密机械、仪器仪表和汽车制造等领域都得到了广泛应用。零件的精密程度直接影响了零件的使用性能和使用寿命。在镗削加工过程中，由于镗削有冲击，因此，当镗杆悬臂梁结构的刚度较低或镗杆长径比较大时，经常会导致镗削加工过程产生振动，从而降低了加工零件的表面质量。当满足了一定条件时还会产生颤振，颤振极大的影响了切削过程的稳定性。刀杆与工件之间的相对振动能够使加工表面产生振痕，降低零件精度，缩短刀杆寿命、甚至使切削加工无法进行。

发明内容

针对现有镗削加工时因振动而影响加工质量问题，本发明提供一种刚度阻尼可调式减振镗杆。

本发明所述刚度阻尼可调式减振镗杆，包括刀头1、刀头连接件2、镗杆3、悬臂梁4、质量块9、阻尼调节单元、刚度调节单元和控制单元18，镗杆3设置有前端开口空腔，该空腔的前端开口处设置有刀头连接件2，空腔内设置阻尼调节单元和刚度调节单元；悬臂梁4的固定端设置于刀头连接件2内壁中心点，悬臂梁4的悬空端连接质量块9；

控制单元18通过阻尼调节单元来实现阻尼大小调节，控制单元18通过刚度调节单元来实现悬臂梁刚度的调节。

优选地，刚度调节单元包括电机19、螺纹杆13、滑块12、空心管11、联轴器15和活塞，镗杆3内部的前端和后端并列设置有前端开口空腔和后端开口空腔，空心管11穿过两个空腔的之间的公用侧壁，空心管11的前端与活塞连接，空心管11的后端与滑块12连接；

活塞具有两个圆形端板5和连接杆7，两个圆形端板5平行设置在前端开口空腔内，且由周向均布的多个连接杆固连在一起，质量块9位于活塞内部，前端的圆形端板5沿悬臂梁4前后滑动，空心管11与后端的圆形端板5连接且与活塞内部连通；

后端开口空腔的侧壁上沿轴向开有键槽28，滑块12外侧壁上开有对应的键槽，两个键槽28通过插入滑动键20完成键合，滑动键20轴向长度大于滑块12轴向长度，滑块12内部设置螺纹孔，螺纹杆13前端旋入该螺纹孔中，螺纹杆13后端通过联轴器15与电机19的主轴刚性连接；

控制单元18给电机19下达正反转运行指令，电机19带动螺纹杆13旋转，进而实现滑块12沿滑动键20轴向前进或后退，进而通过空心管11带动活塞轴向前进或后退，活塞沿悬臂梁4前后滑动实现了刚度大小的调节。

优选地，还包括电机壳14、后盖16，电机壳14套设在电机19外部，电机壳14的前端口与镗杆3的后端口螺纹连接，电机壳14的后端口与后盖16螺纹连接。

优选地，圆形端板5具有中心通孔25和周向均布的n个连接孔24，n大于或等于2，前端的圆形端板5的中心通孔25中插有悬臂梁4，后端的圆形端板5的中心通孔25插入空心管11前端；两个圆形端板5的连接孔24位置对应，前后每对连接孔24插入一个连接杆7并固连。

优选地，阻尼调节单元包括桶状铁芯6、线圈8、磁流变液21、密封装置22和导线10，桶状铁芯6的外圆周具有环状凹槽，该环状凹槽的前后侧壁上设置有成对的铁心通孔27，前后每对铁心通孔27穿过一个连接杆7，桶状铁芯6的前端开口并罩在质量块9外部，质量块9与桶状铁芯6之间空隙注满磁流变液21，并用密封装置22将桶状铁芯6的前端开口密封；

桶状铁芯6的环状凹槽内绕制有线圈8，线圈8的两端引出线通过导线10伸入空心管11内腔，空心管11靠近滑块12侧壁设置有小孔，导线10从该小孔引出至后端开口空腔中，所述后端开口空腔侧壁沿轴向开设有线槽23，所述导线10置于线槽23内，并经过电机壳14，从后盖16引出并连接控制单元18；

控制单元18控制线圈8是否通电及电压大小，线圈8通电状态下，磁流变液2产生阻尼力，通过控制电压大小来调节阻尼力大小。

优选地，还包括加速度传感器26，加速度传感器26贴在镗杆3且靠近刀头一侧的位置，用于监测刀头处的振动信号，所述振动信号发送至控制单元18，控制单元18通过这些信号分析出镗杆3的振动频率，并将振动频率输入到控制模块所建立的模型中，控制模块通过模型计算，求解出所需的最优刚度和阻尼，然后通过控制电机19正反转使滑块12到达最优位置，从而使悬臂梁4达到最优刚度；同时控制加载至线圈8两端的电压值，使磁流变液阻尼达到最优值。

优选地，还包括电源17，所述电源17为控制单元18提供工作电源。

本发明的有益效果：本发明设计了一种刚度阻尼可调式减振镗杆，对镗杆本身结构进行改动。当镗杆产生振动时，控制模块通过对采集到的振动信号进行分析，使控制模块对镗杆内部的变刚度变阻尼单元进行控制，使该单元控制到最优刚度和最优阻尼。从而使得镗杆得到最优的减振效果。

附图说明

图1是本发明所述刚度阻尼可调式减振镗杆的原理图；

图2是本发明所述刚度阻尼可调式减振镗杆的结构示意图；

图3是图2中前半段局部放大图；

图4是图2中后半段局部放大图；

图5是图2的A-A剖视图；

图6是图2的B-B剖视图；

图7是活塞的圆形端板的结构示意图；

图8是后端开口空腔的截面图；

图9是磁场示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

具体实施方式一：下面结合图1至9说明本实施方式，本实施方式所述刚度阻尼可调式减振镗杆，包括刀头1、刀头连接件2、镗杆3、悬臂梁4、质量块9、阻尼调节单元、刚度调节单元和控制单元18，镗杆3设置有前端开口空腔，该空腔的前端开口处设置有刀头连接件2，空腔内设置阻尼调节单元和刚度调节单元；悬臂梁4的固定端设置于刀头连接件2内壁中心点，悬臂梁4的悬空端连接质量块9；

控制单元18通过阻尼调节单元来实现阻尼大小调节，控制单元18通过刚度调节单元来实现悬臂梁刚度的调节。

进一步，还包括加速度传感器26，加速度传感器26贴在镗杆3且靠近刀头一侧的位置，用于监测刀头处的振动信号，所述振动信号发送至控制单元18，控制单元18通过这些信号分析出镗杆3的振动频率，并将振动频率输入到控制模块所建立的模型中，控制模块通过模型计算，求解出所需的最优刚度和阻尼，然后通过控制电机19正反转使滑块12到达最优位置，从而使悬臂梁4达到最优刚度；同时控制加载至线圈8两端的电压值，使磁流变液阻尼达到最优值。

进一步，还包括电源17，所述电源17为控制单元18提供工作电源。

刚度调节单元包括电机19、螺纹杆13、滑块12、空心管11、联轴器15和活塞，镗杆3内部的前端和后端并列设置有前端开口空腔和后端开口空腔，空心管11穿过两个空腔的之间的公用侧壁，空心管11的前端与活塞连接，空心管11的后端与滑块12连接；

活塞具有两个圆形端板5和连接杆7，两个圆形端板5平行设置在前端开口空腔内，且由周向均布的多个连接杆固连在一起，质量块9位于活塞内部，前端的圆形端板5沿悬臂梁4前后滑动，空心管11与后端的圆形端板5连接且与活塞内部连通；

后端开口空腔的侧壁上沿轴向开有键槽28，滑块12外侧壁上开有对应的键槽，两个键槽28通过插入滑动键20完成键合，滑动键20轴向长度大于滑块12轴向长度，滑块12内部设置螺纹孔，螺纹杆13前端旋入该螺纹孔中，螺纹杆13后端通过联轴器15与电机19的主轴刚性连接；

控制单元18给电机19下达正反转运行指令，电机19带动螺纹杆13旋转，进而实现滑块12沿滑动键20轴向前进或后退，进而通过空心管11带动活塞轴向前进或后退，活塞沿悬臂梁4前后滑动实现了刚度大小的调节。

进一步，还包括电机壳14、后盖16，电机壳14套设在电机19外部，电机壳14的前端口与镗杆3的后端口螺纹连接，电机壳14的后端口与后盖16螺纹连接。

圆形端板5具有中心通孔25和n个连接孔24，n大于或等于2，前端的圆形端板5的中心通孔25中插有悬臂梁4，后端的圆形端板5的中心通孔25插入空心管11前端；两个圆形端板5的连接孔24位置对应，前后每对连接孔24插入一个连接杆7并固连。

变刚度原理：

控制模块18控制电机19的通电断电来控制其是否工作，控制模块18控制电机19正反转。

控制模块18控制电机19正/反转后，滑块12向左/右滑动，连接在滑块12的空心管11使右侧的活塞5左/右滑动，连接在活塞5上的连接杆7使得左侧的活塞5左/右滑动，从而使悬臂梁4的刚度变小/大。

阻尼调节单元包括桶状铁芯6、线圈8、磁流变液21、密封装置22和导线10，桶状铁芯6的外圆周具有环状凹槽，该环状凹槽的前后侧壁上设置有成对的铁心通孔27，前后每对铁心通孔27穿过一个连接杆7，桶状铁芯6的前端开口并罩在质量块9外部，质量块9与桶状铁芯6之间空隙注满磁流变液21，并用密封装置22将桶状铁芯6的前端开口密封；

桶状铁芯6的环状凹槽内绕制有线圈8，线圈8的两端引出线通过导线10伸入空心管11内腔，空心管11靠近滑块12侧壁设置有小孔，导线10从该小孔引出至后端开口空腔中，所述后端开口空腔侧壁沿轴向开设有线槽23，所述导线10置于线槽23内，并经过电机壳14，从后盖16引出并连接控制单元18；

控制单元18控制线圈8是否通电及电压大小，线圈8通电状态下，磁流变液2产生阻尼力，通过控制电压大小来调节阻尼力大小。

变阻尼原理：

典型的磁流变液是由微米级磁性颗粒分散于载液(油或水)中形成的悬浮液，其物理状态和流变特性能够随外加磁场的变化而发生变化：在无外磁场作用下表现为流动良好的液体状态，而在磁场作用下，黏度可瞬间增加两个数量级以上，并呈现类似固体的力学特性，一旦去掉磁场后，又变成自由流动的流体。

磁流变液一共有三种工作模式(a)流动模式，(b)剪切模式，(c)挤压模式。其中挤压模式为：外加磁场的方向、磁流变液挤压变形的方向和铁颗粒的成链方向三者平行。剪切模式为：外加磁场的方向与磁流变液中铁颗粒的成链方向平行，而剪切变形的方向与铁颗粒链的方向垂直。

磁流变液21的阻尼力一部分由磁流变液21的剪切应力提供，另一部分由磁流变液21的挤压应力提供。但是可以通过调节线圈8的磁感应强度大小，间接调节阻尼力的大小。

微观上看，磁流变液21内的铁颗粒在磁场的作用下会成铁链状排布，并且成链方向与磁感线方向一致。所以当线圈8通电时，质量块9的圆周方向磁感线总是垂直于质量块9的圆周表面，此时颗粒成链方向与磁感线方向一致且垂直于圆周表面。此时质量块9发生振动的话会受到来自磁流变液21的挤压阻尼。另一方面，质量块9的端面的磁感线方向是垂直于端面的，此时颗粒成链方向与磁感线方向一致且垂直于端面。此时质量块9发生振动的话会受到来自磁流变液21的剪切阻尼。

本发明镗杆的安装流程为：

在镗杆3的空腔中，活塞由前后两个圆形端板及连接二者的多个连接杆7构成，本实施方式选择n＝2个连接杆，靠在右侧的后端圆形端板5的中心通孔25插入空心管11的前端并固连，滑块12与空心管11的后端固连。

之后将两个连接杆7的端头分别插入两个圆形端板5的位置一致的一对连接孔24中，并固连。

在桶状铁芯6的外壁的环状凹槽内均匀的缠绕上线圈8，缠绕后通过导线10引出并伸入空心管11的空腔内，并将导线10从空心管11位置后端开口空腔中的侧壁小孔中引出，并塞入到镗杆3的线槽23中并将导线固定在线槽23中使其不影响滑块12的运动。

将悬臂梁4与质量块9固连，并将质量块9塞入桶状铁芯6的内部空腔中，之后将磁流变液21注入该空腔中并注满，再用密封装置22对其进行密封防止漏液。

随后将桶状铁芯6的环状凹槽的前后侧壁上设置的成对的铁心通孔27对准两个连接杆7的另一端头插入到镗杆3前端开口空腔中的图中对应位置。注：大概在前端开口空腔的中间位置，为了左右的两活塞均可以有足够空间进行运动。

将活塞中的前端位置的圆形端板5的连接孔24插进连接杆7中并固连。并使悬臂梁4穿过该圆形端板5的中心通孔25。

将悬臂梁4与刀头连接件2固连。

刀头连接件2与镗杆3螺纹连接。

将滑动键20塞入镗杆3的后端开口空腔侧壁开设的键槽28中，此时滑块12已经可以在滑动键20上左右滑动了。

将电机19的主轴与螺纹杆13用联轴器15相连。

将电机壳14套在电机19上，电机壳14与镗杆3螺纹连接，并对滑动键20起到了轴向固定作用。

将螺纹杆13拧入到滑块12中，并拧入一定的长度。

后盖16与电机壳14螺纹连接。

将导线10从后盖6中引出并连接在控制模块18上，实现控制模块18对线圈8的电压大小控制，进而控制桶状铁芯6内部磁感应强度的大小。

控制模块18可以控制电机19的启停与正反转，进而控制滑块12在滑动键20上左右滑动。

加速度传感器26贴在镗杆3且靠近刀头一侧的位置。

采用本发明镗杆能同时调节刚度和阻尼，具体控制方法为：

将所述的镗杆安装在镗床上，在设置好转速、切深和进给量后，采用工件旋转，所述镗杆进给、多次走刀的加工方式对工件进行镗削加工；

我们在加工前把转速、切深和进给量这些参数输入到控制模块中，之后进行镗削，通过贴在刀头一侧的加速度传感器测出刀头处的振动信号，控制模块通过这些信号分析出它的振动频率，并将振动频率这个参数也输入到控制模块所建立的模型中，控制模块通过模型计算，求解出所需的最优刚度和阻尼。并通过控制电机使滑块到达最优位置后，从而使悬臂梁达到最优刚度。控制电压达到最优电压，从而使磁流变液阻尼达到最优值。这样就调节出了最优的刚度与阻尼。

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它所述实施例中。

Claims (7)

1.刚度阻尼可调式减振镗杆，其特征在于，包括刀头(1)、刀头连接件(2)、镗杆(3)、悬臂梁(4)、质量块(9)、阻尼调节单元、刚度调节单元和控制单元(18)，镗杆(3)设置有前端开口空腔，该空腔的前端开口处设置有刀头连接件(2)，空腔内设置阻尼调节单元和刚度调节单元；悬臂梁(4)的固定端设置于刀头连接件(2)内壁中心点，悬臂梁(4)的悬空端连接质量块(9)；

控制单元(18)通过阻尼调节单元来实现阻尼大小调节，控制单元(18)通过刚度调节单元来实现悬臂梁刚度的调节。

2.根据权利要求1所述刚度阻尼可调式减振镗杆，其特征在于，刚度调节单元包括电机(19)、螺纹杆(13)、滑块(12)、空心管(11)、联轴器(15)和活塞，镗杆(3)内部的前端和后端并列设置有前端开口空腔和后端开口空腔，空心管(11)穿过两个空腔的之间的公用侧壁，空心管(11)的前端与活塞连接，空心管(11)的后端与滑块(12)连接；

活塞具有两个圆形端板(5)和连接杆(7)，两个圆形端板(5)平行设置在前端开口空腔内，且由周向均布的多个连接杆固连在一起，质量块(9)位于活塞内部，前端的圆形端板(5)沿悬臂梁(4)前后滑动，空心管(11)与后端的圆形端板(5)连接且与活塞内部连通；

后端开口空腔的侧壁上沿轴向开有键槽(28)，滑块(12)外侧壁上开有对应的键槽，两个键槽(28)通过插入滑动键(20)完成键合，滑动键(20)轴向长度大于滑块(12)轴向长度，滑块(12)内部设置螺纹孔，螺纹杆(13)前端旋入该螺纹孔中，螺纹杆(13)后端通过联轴器(15)与电机(19)的主轴刚性连接；

控制单元(18)给电机(19)下达正反转运行指令，电机(19)带动螺纹杆(13)旋转，进而实现滑块(12)沿滑动键(20)轴向前进或后退，进而通过空心管(11)带动活塞轴向前进或后退，活塞沿悬臂梁(4)前后滑动实现了刚度大小的调节。

3.根据权利要求2所述刚度阻尼可调式减振镗杆，其特征在于，还包括电机壳(14)、后盖(16)，电机壳(14)套设在电机(19)外部，电机壳(14)的前端口与镗杆(3)的后端口螺纹连接，电机壳(14)的后端口与后盖(16)螺纹连接。

4.根据权利要求3所述刚度阻尼可调式减振镗杆，其特征在于，圆形端板(5)具有中心通孔(25)和周向均布的n个连接孔(24)，n大于或等于2，前端的圆形端板(5)的中心通孔(25)中插有悬臂梁(4)，后端的圆形端板(5)的中心通孔(25)插入空心管(11)前端；两个圆形端板(5)的连接孔(24)位置对应，前后每对连接孔(24)插入一个连接杆(7)并固连。

5.根据权利要求4所述刚度阻尼可调式减振镗杆，其特征在于，阻尼调节单元包括桶状铁芯(6)、线圈(8)、磁流变液(21)、密封装置(22)和导线(10)，桶状铁芯(6)的外圆周具有环状凹槽，该环状凹槽的前后侧壁上设置有成对的铁心通孔(27)，前后每对铁心通孔(27)穿过一个连接杆(7)，桶状铁芯(6)的前端开口并罩在质量块(9)外部，质量块(9)与桶状铁芯(6)之间空隙注满磁流变液(21)，并用密封装置(22)将桶状铁芯(6)的前端开口密封；

桶状铁芯(6)的环状凹槽内绕制有线圈(8)，线圈(8)的两端引出线通过导线(10)伸入空心管(11)内腔，空心管(11)靠近滑块(12)侧壁设置有小孔，导线(10)从该小孔引出至后端开口空腔中，所述后端开口空腔侧壁沿轴向开设有线槽(23)，所述导线(10)置于线槽(23)内，并经过电机壳(14)，从后盖(16)引出并连接控制单元(18)；

控制单元(18)控制线圈(8)是否通电及电压大小，线圈(8)通电状态下，磁流变液2产生阻尼力，通过控制电压大小来调节阻尼力大小。

6.根据权利要求1所述刚度阻尼可调式减振镗杆，其特征在于，还包括加速度传感器(26)，加速度传感器(26)贴在镗杆(3)且靠近刀头一侧的位置，用于监测刀头处的振动信号，所述振动信号发送至控制单元(18)，控制单元(18)通过这些信号分析出镗杆(3)的振动频率，并将振动频率输入到控制模块所建立的模型中，控制模块通过模型计算，求解出所需的最优刚度和阻尼，然后通过控制电机(19)正反转使滑块(12)到达最优位置，从而使悬臂梁(4)达到最优刚度；同时控制加载至线圈(8)两端的电压值，使磁流变液阻尼达到最优值。

7.根据权利要求6所述刚度阻尼可调式减振镗杆，其特征在于，还包括电源(17)，所述电源(17)为控制单元(18)提供工作电源。

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