CN115740525B - 一种长悬伸车刀柔性抑振装置及适应性抑振方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种长悬伸车刀柔性抑振装置及适应性抑振方法，该装置包括调频器、刀座和连接板三部分；连接板内置叠放的双楔形块，通过旋拧其上的光学螺栓即可推动楔形块，进而调整刀具中心高；刀座固定于连接板上，内部装有阻尼管，长悬伸刀具尾部插在阻尼管内进而固定在刀座上，此装夹结构提升了刀具的阻尼特性；调频器通过过盈配合的方式安装在刀具悬伸端尾部，用来调整刀具频率、提升刀具刚度；依据给定的刀具参数与切削参数优化调频器几何尺寸，使刀具的动力学特性始终最优匹配于切削工况，进而避免加工颤振，提升切削表面质量。本发明提供的柔性抑振装置可旋转，可调心，可调频，通用性好，无需改造刀具结构即可适用于多种切削工况。

Description

一种长悬伸车刀柔性抑振装置及适应性抑振方法

技术领域

本发明属于车削加工刀具抑振技术领域，具体涉及一种柔性抑振装置及适应性抑振方法。

背景技术

在深孔镗削以及深腔车削等切削工况中，需要使用长悬伸刀具。并且，随着刀具悬伸比增加，悬臂刀杆的阻尼与刚度非线性减小，刀尖振动问题愈发突出。一般的钢制刀杆在其悬伸比达到4时抗振性能达到极限，继续增大悬伸比则会诱发强烈的刀具振动，这将恶化切削表面质量，降低刀具使用寿命，严重时还会演化为加工颤振。此外，倘若待加工材料为纯铁、钛合金以及高强钢等难加工材料，切削过程中动态力的波动更大，这将进一步加剧长悬伸刀具的切削振动问题。

当前，主动抑振、被动抑振和切削参数调整是解决刀具振动问题的三种主要途径。其中，被动抑振技术无需昂贵且复杂的感知器、控制器和执行器，所需的抑振装置结构简单且造价低廉，因此广泛应用于工业现场，以提升长悬伸刀具的抗振性能。发明专利CN104646740B中公开了“一种摩擦式减振铣刀刀杆”，将摩擦式阻尼器置于刀杆内腔，利用铣刀高速旋转产生的离心力增大阻尼结构形变，进而加快刀具振动能量的耗散。发明专利CN106994519B中公开了“一种粘弹性约束阻尼结构减振车刀杆”，在刀杆外部顺次粘接阻尼材料与金属材料以形成约束层阻尼结构，该结构提升了刀具的阻尼性能，降低了切削表面粗糙度。

现有技术方案通过在刀具内/外部增设阻尼材料，提升了长悬伸刀具的阻尼特性，进而达到刀具减振的目的。但是在零部件的成形加工过程中，需要众多不同类型的切削刀具，若采用现有技术方案解决刀具振动问题，就需要改造所有涉及的长悬伸刀具，成本高，周期长，通用性差。此外，一旦依据设计方案完成刀具结构定制，刀具的动态特性将不再改变。然而，一个模态参数恒定的刀具无法满足所有切削工况的最优刀具需求。甚至在某些切削条件下，还会进一步恶化长悬伸刀具的切削振动问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种用于长悬伸车刀的柔性抑振装置及适应性抑振方法，以解决现有抑振刀具通用性差且难以适应多切削工况的问题。

本发明的技术方案：

一种用于长悬伸车刀的柔性抑振装置，主要包括刀座、连接板和调频器三部分。

所述刀座内部设有圆形通孔，通孔内壁周向均布内矩形切口槽，底面设有弧形槽，侧面及顶面设有多个安装螺纹孔。

所述连接板顶面设有第一螺纹孔、安装孔和矩形凹槽，侧面设有第二螺纹孔。

所述调频器由聚氨酯橡胶管和硬质合金管组成，利用过盈配合的方式将聚氨酯橡胶管嵌套在硬质合金管内。

当所用刀具的抗振性能无法满足切削工况要求时，首先将柔性抑振装置的各部分组装在一起。螺钉穿过安装孔并与车床溜板上的螺钉孔配合，将连接板固定在车床溜板上。将下楔形块和上楔形块顺次置于连接板的矩形凹槽内，光学螺栓穿过第二螺纹孔并与下楔形块的侧面接触。将刀座置于连接板上表面，安装螺钉穿过弧形槽并与第一螺纹孔配合，进而将刀座固定在连接板上。利用过盈配合的方法将调频器和内阻尼管套在内圆车刀上，其中内阻尼管安装在内圆车刀尾部，且外部均布周向环槽。同样地，利用过盈配合的方法在内阻尼管外部安装外阻尼管，并将外阻尼管置于刀座的圆形通孔内。外阻尼管外壁与圆形通孔内壁接触，调整两者相对位置，使其上的外矩形切口槽与内矩形切口槽位置相对，进而形成矩形通孔。螺钉穿过刀座上的安装螺纹孔并与外阻尼管接触，进而将外阻尼管固定在刀座的圆形通孔内。由于内圆车刀与外阻尼管固连在一起，因此内圆车刀也同时固定于刀座内。

随后减小安装螺钉的预紧力，使刀座和连接板之间可以发生相对运动。调整刀座与连接板间的相对转角，完成车刀切削主偏角设定。调节光学螺栓在连接板上的相对位置，推动下楔形块在矩形凹槽内水平移动，利用楔形块间的配合关系将刀座顶起，直至达到最佳刀具中心高。待调节完成后，增大安装螺钉的预紧力，将刀座重新固定在连接板上。

充分发挥所设计的抑振装置结构柔性可调的特点，结合上述装置提出了一种长悬伸车刀适应性抑振方法，具体步骤如下：

步骤一、获取所用刀具的动力学参数，判断当前切削条件下的刀具状态，倘若状态为稳定，即依照给定的切削参数完成后续加工；倘若状态为临界稳定或颤振，执行步骤二；

步骤二、采用移频策略增大所用切削参数对应的稳定域，计算获得移频后刀具主模态的频率为Fre^a _m；

步骤三、将内圆车刀安装于组装好的抑振装置内，采用逆解法辨识当前装夹条件下刀具的约束边界；

步骤四、设计调频器几何尺寸，使其可以在当前装夹条件下将刀具主模态的频率从调整至/>；

步骤五、依据选定的设计方案制造调频器，利用过盈配合的方法将调频器安装在车刀悬伸端尾部，随后完成刀具切削主偏角和中心高的调整；

步骤六、依照预先选定的切削参数，应用调整好的抑振装置完成长悬伸车刀的后续加工。

本发明的有益效果：

本发明面向长悬伸刀具车削过程，设计了一种柔性抑振装置，并据此提出了一种适应性抑振方法。该装置利用高阻尼刀座提升长悬伸车刀的阻尼特性，利用调频器调整刀具频率，提升刀具刚度。依据给定的刀具参数与切削参数优化调频器的几何尺寸，使刀具的动力学特性始终最优匹配于切削工况，进而避免加工颤振，提升切削表面质量。本发明提供的柔性抑振装置可旋转，可调心，可调频，通用性好，无需改造刀具结构即可适用于多种切削工况。

附图说明

图1是内圆车刀抑振装置整体结构示意图。

图2是抑振装置中刀座的结构示意图。

图3是抑振装置中底座的结构示意图。

图4是抑振装置中外阻尼管的结构示意图。

图5是抑振装置中内阻尼管的结构示意图。

图6是抑振装置中调频器的结构示意图。

图7是应用抑振装置前后刀尖动力学响应对比图。

图8(a)是应用抑振装置前加工表面粗糙度对比图。

图8(b)是应用抑振装置后加工表面粗糙度对比图。

图9(a)是应用抑振装置前加工声信号对比图。

图9(b)是应用抑振装置前后加工声信号对比图。

图中：1内圆车刀；2调频器；21聚氨酯橡胶管；22硬质合金管；3外阻尼管；31外矩形切口槽；4内阻尼管；41周向环槽；5刀座；51安装螺纹孔；52内矩形切口槽；53弧形槽；6光学螺栓；7连接板；71第一螺纹孔；72安装孔；73第二螺纹孔；74连接板；8上楔形块；9下楔形块；10安装螺钉。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

一种用于长悬伸车刀的柔性抑振装置，主要包括调频器2、刀座5和连接板7三部分。

所述调频器2由聚氨酯橡胶管22和硬质合金管21组成，利用过盈配合的方式将聚氨酯橡胶管22嵌套在硬质合金管21内。

所述刀座5内部设有圆形通孔，通孔内壁周向均布内矩形切口槽52，底面设有弧形槽53，侧面及顶面设有多个安装螺纹孔51。

所述连接板7顶面设有安装孔72、第一螺纹孔73和矩形凹槽74，侧面设有第二螺纹孔71。

当所用刀具的抗振性能无法满足切削工况要求时，首先将柔性抑振装置的各部分组装在一起。螺钉穿过安装孔72并与车床溜板上的螺钉孔配合，将连接板7固定在车床溜板上。将下楔形块9和上楔形块8顺次置于连接板7的矩形凹槽74内，光学螺栓6穿过第二螺纹孔71并与下楔形块9的侧面接触。将刀座5置于连接板7上表面，安装螺钉10穿过弧形槽53并与第一螺纹孔73配合，进而将刀座5固定在连接板7上。利用过盈配合的方法将调频器2和内阻尼管4套在内圆车刀1上，其中内阻尼管4安装在内圆车刀1尾部，且外部均布周向环槽41。同样地，利用过盈配合的方法在内阻尼管4外部安装外阻尼管3，并将外阻尼管3置于刀座5的圆形通孔内。外阻尼管3外壁与圆形通孔内壁接触，调整两者相对位置，使其上的外矩形切口槽31与内矩形切口槽52位置相对。螺钉穿过刀座5上的安装螺纹孔51并与外阻尼管3接触，进而将外阻尼管3固定在刀座5的圆形通孔内。由于内圆车刀1与外阻尼管3固连在一起，因此内圆车刀1也同时固定于刀座5内。

随后减小安装螺钉10的预紧力，使刀座5和连接板7之间可以发生相对运动。调整刀座5与连接板7间的相对转角，完成车刀切削主偏角设定。调节光学螺栓6在连接板7上的相对位置，推动下楔形块9在矩形凹槽74内水平移动，利用楔形块间的配合关系将刀座5顶起，直至达到最佳刀具中心高。待调节完成后，增大安装螺钉10的预紧力，将刀座5重新固定在连接板7上。

充分发挥所设计的抑振装置结构柔性可调的特点，结合上述装置提出了一种长悬伸车刀适应性抑振方法。其中，待加工材料为纯铁DT4E，所用内圆车刀悬长为155mm，截面直径为20mm,材料为40Cr。切削工况一所用的切削参数为主轴转速1953r/min，刀具切深为0.1mm。切削工况二所用的切削参数为主轴转速1953r/min，刀具切深为0.2mm。上述工况中，传统的内圆车刀夹持方案为车床四方刀架直接夹持，改进的内圆车刀夹持方案为柔性抑振装置夹持。在上述两种夹持方案中，内圆车刀的夹持长度均为60mm。适应性抑振方法的具体步骤如下：

步骤一、基于模态实验辨识所用内圆刀具1的动力学参数为 判断当前切削条件下的刀具状态，其中，工况一刀具状态为临界稳定，工况二刀具状态为颤振，因此执行步骤二。

步骤二、采用移频策略增大所用切削参数对应的稳定域，计算获得移频后刀具的主模态频率

步骤三、将内圆车刀1安装于组装好的抑振装置内，采用逆解法辨识当前装夹条件下刀具的约束边界，辨识结果拉伸弹簧刚度k^a＝2320N/m²，扭转弹簧刚度k_r ^a＝2480N/m²，分布长度为60mm。

步骤四、依据切削工况设计调频器2的几何尺寸，其中硬质合金管21的外径为50mm，聚氨酯橡胶管22的外径为30mm，硬质合金管21和聚氨酯橡胶管22的长度均为14mm。在当前装夹条件下该调频器可将刀具主模态的频率从调整至

步骤五、依据选定的设计方案制造调频器，利用过盈配合的方法将调频器安装在车刀悬伸端尾部，随后完成刀具切削主偏角和中心高的调整。图7为应用抑振装置前后内圆车刀1刀尖的动力学响应对比结果。

步骤六、依照预先选定的切削参数，应用调整好的抑振装置完成长悬伸车刀的后续加工。图8为工况一应用抑振装置前后切削表面粗糙度对比图，实验结果表明粗糙度由2.02μm降低至1.44μm。图9为工况二应用抑振装置前后长悬伸车刀加工声信号对比图，实验结果表明刀具切削状态由颤振转变为稳定。上述实验结果表明该抑振装置与方法可有效抑制长悬伸车刀加工颤振，提升切削表面质量。

Claims (2)

1.一种长悬伸车刀柔性抑振装置，其特征在于，该长悬伸车刀柔性抑振装置包括调频器（2）、刀座（5）和连接板（7）三部分；

所述调频器（2）主要由聚氨酯橡胶管（22）和硬质合金管（21）组成，聚氨酯橡胶管（22）嵌套在硬质合金管（21）内；

所述刀座（5）的截面为倒T形，其竖直段内部设有圆形通孔，通孔内壁周向均布内矩形切口槽（52），竖直段的侧面及顶面设有多个安装螺纹孔（51）；刀座（5）的水平段的上表面设有弧形槽（53）；

所述连接板（7）顶面设有安装孔（72）、第一螺纹孔（73）和矩形凹槽（74），侧面设有第二螺纹孔（71）；

当所用刀具的抗振性能无法满足切削工况要求时，首先将柔性抑振装置的各部分组装在一起；螺钉穿过连接板（7）上的安装孔（72）并与车床溜板上的螺钉孔配合，将连接板（7）固定在车床溜板上；将下楔形块（9）和上楔形块（8）顺次置于连接板（7）的矩形凹槽（74）内，光学螺栓（6）穿过连接板（7）上的第二螺纹孔（71）并与下楔形块（9）的侧面接触；将刀座（5）置于连接板（7）上表面，安装螺钉（10）穿过刀座（5）的弧形槽（53）并与第一螺纹孔（73）配合，进而将刀座（5）固定在连接板（7）上；利用过盈配合的方法将内阻尼管（4）套在内圆车刀（1）尾部，其外部均布周向环槽（41）；同样地，利用过盈配合的方法在内阻尼管（4）外部安装外阻尼管（3），并将外阻尼管（3）置于刀座（5）的圆形通孔内；外阻尼管（3）外壁与圆形通孔内壁接触，调整两者相对位置，使其上的外矩形切口槽（31）与内矩形切口槽（52）位置相对，形成矩形通孔；螺钉穿过刀座（5）上的安装螺纹孔（51）并与外阻尼管（3）接触，进而将外阻尼管（3）固定在刀座（5）的圆形通孔内；由于内圆车刀（1）与外阻尼管（3）固连在一起，因此内圆车刀（1）也同时固定于刀座（5）内；完成上述操作后，利用过盈配合将调频器（2）安装在内圆车刀（1）的悬伸端，其安装位置与刀座（5）相邻；

随后减小安装螺钉（10）的预紧力，使刀座（5）和连接板（7）之间可以发生相对运动；调整刀座（5）与连接板（7）间的相对转角，完成车刀切削主偏角设定；调节光学螺栓（6）在连接板（7）上的相对位置，推动下楔形块（9）在矩形凹槽（74）内水平移动，利用楔形块间的配合关系将刀座（5）顶起，直至达到最佳刀具中心高；待调节完成后，增大安装螺钉（10）的预紧力，将刀座（5）重新固定在连接板（7）上。

2.一种长悬伸车刀适应性抑振方法，应用权利要求1中的一种长悬伸车刀柔性抑振装置，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、获取所用刀具的动力学参数，判断当前切削条件下的刀具状态，倘若状态为稳定，即依照给定的切削参数完成后续加工；倘若状态为临界稳定或颤振，执行步骤二；

步骤二、采用移频策略增大所用切削参数对应的稳定域，计算获得移频后刀具主模态的频率为；

步骤三、将内圆车刀（1）安装于组装好的抑振装置内，采用逆解法辨识当前装夹条件下刀具的约束边界；

步骤四、设计调频器（2）几何尺寸，使其可以在当前装夹条件下将刀具主模态的频率从调整至/>；

步骤五、依据选定的设计方案制造调频器（2），利用过盈配合的方法将调频器（2）安装在内圆车刀（1）悬伸端尾部，随后完成刀具主偏角和中心高的调整；

步骤六、依照预先选定的切削参数，应用调整好的抑振装置完成长悬伸车刀的后续加工。