CN1189278C - 抑制振动的可调谐钻杆及其方法 - Google Patents

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Abstract

公布了一种具有动态吸振器(30)的可调谐刀杆(10)，其中利用至少一个沿纵向可移动的压板(75，80)在两个合成橡胶支承件(65，70)之间压缩一个吸振器质量(50)，以动态地调谐刀杆(10)。

Description

抑制振动的可调谐钻杆及其方法
                      发明背景
发明领域
本发明涉及了一种用于抑制由机加过程引起的振动的可调谐刀杆及该刀杆的调谐方法，尤其是，涉及了一种利用动态吸振器来抑制振动的可调谐刀杆。
先前技术描述
在金属切削操作中，在切削刀具和工件之间的任何振动运动会导致不希望的切削性质，如不良的工件表面光洁度和最终工件的超差。另外，这种振动会造成切削刀具或机床工具的损坏。
为了减少这些振动，可以降低金属去除率。但是，这种方法影响生产率，并且仅轻微地减少振动量。
消除钻杆中振动的办法还包括采用由整体硬质合金制造的钻杆。由于其固有的高密度，整体硬质合金减小了传给钻杆的颤抖和振动。但是，整体硬质合金太贵。另外，虽然整体硬质合金的固有高密度减小了传给钻杆的颤抖和振动，振动还是会达到不能接受的量级。还有，整体硬质合金很脆，在使用或安装时对钻杆的很小冲击会不小心损坏钻杆。
减少钻杆振动的另一个办法包括在钻杆上或钻杆内安装一个动态吸振器，如美国专利号3,774,730中公布的吸振器，它包括一个支承在橡胶衬套上的高密度材料的圆柱形质量。当最佳调谐时，对钻杆振动的响应引起的质量振荡抵消了钻杆振动。可以对工件或钻杆振动速度、钻杆长度和连接在钻杆端的切削刀具类型调节吸振器的频率来适应钻杆。沿纵向推压在圆柱形质量两端的压板来进行这种调节，由此压缩橡胶衬套靠到质量上。同时偏移质量的位置和改变橡胶衬套的刚度，以改变圆柱形质量的动态特性。
但是，即使采用这种现有的设计，在不同条件下每次使用钻杆时，必须采用在车间现场可能有或没有的复杂设备来调谐。
美国专利号3,774,730一般性地介绍了具有一个动态吸振器的可调谐刀杆的设计，但是，这种刀杆也必须采用在车间现场可能有或没有的复杂设备，每次在不同条件下使用时调谐这种刀杆。
所以，本发明的目的是提供一种具有动态吸振器的可调谐钻杆，能够可靠地抑制振动和能够调谐而不需要在每次切削条件改变时使用复杂的设备。
                      发明概述
本发明是指调谐一个直径为D的刀杆的方法，其中以沿刀具不同的长度把刀杆支承到金属加工机床上来确定不同的长度与直径比。刀杆具有一个有一条纵向轴线的柄和一个在柄内沿轴线延伸的中心空腔。中心空腔确定了一个空腔壁。刀杆还具有一个适于接纳切削刀具的刀杆头。刀杆头在柄的刀具端作为一个单件或与柄成整体地与柄连接。此外，刀杆具有一个可调谐的吸振器，一个吸振器质量插在中心空腔内。质量具有一个第一端、一个二端和一个包围每一端的合成橡胶支承件。最后，在靠近每个合成橡胶支承件的每个吸振器质量端上刀杆具有一个压板，其中至少一个压板可以沿纵向轴线移动，压缩合成橡胶支承件靠到吸振器质量上。该方法包括以下步骤：
a)把至少一个可动压板定位到一个基准位置，在该位置上每个合成橡胶支承件的压缩量为已知，
b)以自柄端的第一长度L1把柄支承在金属加工机床上，确定第一长度与直径之比，以及
c)把压板从基准位置移到一个预定的第一调谐位置，调节对每个合成橡胶支承件的压缩量，由此使得以第一长度直径比支承的刀具的振动最小，
其中由一个调节螺钉移动压板，螺钉拧在柄的外表面内，并且从柄的外表面延伸通过空腔壁到压板；
其中把调节螺钉转一个预定量来移动压板到一个希望的位置；
其中调节螺钉具有一个头，在上面设有指示压板纵向位置的径向标记，以及其中根据这些标记把调节螺钉转一个预定量来移动压板到一个希望位置。
本发明还指一个外径为D的可调谐刀杆，它可以沿刀具的不同长度L支承到金属加工机床上来确定不同的长度与直径比。刀杆具有一个有一条纵向轴线的柄，其中一个中心空腔沿轴线在柄内延伸，以及其中中心空腔确定了一个空腔壁。刀杆还具有一个刀杆头，它适于接纳一个切削刀具并且在刀具端作为一个单件或成整体地与刀杆连接。刀杆还具有一个可调谐的吸振器，它具有一个插在中心空腔内的吸振器质量，其中质量具有一个第一端、一个第二端和一个包围每一端的合成橡胶支承件。此外，在靠近每个合成橡胶支承件的每个吸振器质量端上刀杆具有一个压板，其中至少一个压板可以沿纵向轴线移动，压缩合成橡胶支承件靠到吸振器质量上。此外，刀杆具有一个定位件，用于沿纵向轴线从一个位置到另一个位置移动可动压板。最后，刀杆具有调谐指示器，用于指示至少一个可动压板沿纵向轴线的位置，其中定位件是一个延伸通过空腔壁的调节螺钉，与压板接触和被定向成沿着纵向轴线移动压板；其中转动指示器包括在调节螺钉上的一个头，至少具有一条标定线与柄外表面上至少一条配合标定线对准，指示出至少一个位置，在该位置上将至少按一个长度与直径比来调谐刀杆。
                      附图简述
考虑到结合附图阅读的详细描述，本发明及其目的和优点将会更明显，其中：
图1是先前技术并说明了一个刀杆的剖视图；
图2按照本发明一个实施例，说明了图1中用II标记的放大截面部分的替代实施例；
图3按照本发明第二个实施例，说明了图1中箭头III-III所强调部分的俯视图；以及
图4按照本发明第三个实施例，说明了刀杆端的一个替代实施例的剖视图。
                  本发明的详细描述
本发明是指一个刀杆10，为了便于讨论，这里是一个用于在工件中钻深孔的钻杆。
图1说明了先前技术的钻杆10，这是本发明方法要着手解决的一种钻杆类型。将讨论这种设计的变化和提供对这种装置的本发明的几个实施例。
如镶装刀片15的切削刀具可以以常规方式装到钻杆头20上，钻杆头在柄的一端27与钻杆柄25连接。在金属加工操作中采用钻杆10将产生振动，振动通过钻杆10影响切削过程的稳定性。为此，钻杆10上设有一个可调谐的吸振器30，来阻尼在钻杆10产生的频率振动。
钻杆10具有一个中心空腔35，从钻杆端27向内延伸到空腔底部36。钻杆10支承在柄25的端45上。
按照本发明，钻杆10可以具有从八分之三英寸到九英寸的外径。
可调谐吸振器30为大致圆柱形的吸振器质量50，它具有一个带端区57的第一端55和一个带端区62的第二端60。把吸振器质量50插入钻杆柄25的中心空腔35内。每个端区分别具有一个面向外的锥面58，61。锥面58，61与平行于纵向轴线L的线形成一个40-90度的角A。第一合成橡胶支承件65和第二合成橡胶支承件70分别包围了吸振器质量50第一端55上的锥面58和第二端60上的锥面61。一个第一压板75和一个第二压板80位于中心空腔35内，靠近吸振器质量50的两端55，60。第一压板75具有一个面向内的锥面77，而第二压板80也具有一个面向内的锥面82。锥面77，82与平行于纵向轴线L的线形成一个40-90度的角B。
每个压板75，80环绕着一个合成橡胶支承件65，70，使得压板75，80的面向内的锥面77，82推动每个合成橡胶支承件65，70靠到吸振器质量50第一端55和第二端60的相关锥面58，61上。
第一压板75可沿着纵向轴线L在中心空腔35内移动。如一个调节螺钉的定位件85可用于调节合成橡胶支承件65，70靠到吸振器质量50上的压缩量。作为定位件，调节螺钉85从钻杆10外表面延伸通过一个孔90与第一压板75接触。调节螺钉85与孔90螺纹配合，使得在螺钉头87上调节螺钉85的转动推动调节螺钉85的接触端89靠近或离开第一压板75，由此沿着纵向轴线L移动第一压板75来增加或减少合成橡胶支承件65，70的压缩量。
在过去，为了调谐这个钻杆10，需要同时监测钻杆10的振动和拧紧或拧松调节螺钉85，由此调节合成橡胶支承件靠到吸振器质量50上的压缩量。但是，这个方法很麻烦，申请者意识到可以预先确定合成橡胶支承件靠到吸振器质量上所需的压缩量，使得在不同刀具条件下振动最小。这样，机床操作者可以简单地调节合成橡胶支承件65，70的压缩量来预先确定调谐的量级。
具体地说，申请人发现一个包括以下步骤的调谐刀杆的方法。把至少一个可动压板75定位到一个基准位置，其中每个合成橡胶支承件65，70的压缩量为已知。在离开切削镶片15尖端的第一长度L1上，把直径为D的柄25支承在一个金属加工机床上，以确定一个第一长度直径比(L/D)。然后把压板75从基准位置移到一个预定的第一调谐位置来调节每个合成橡胶支承件65，70的压缩量，由此使得支承在第一长度L1上支承的刀杆振动最小。
该方法还可以包括在离开柄25端27的第二长度L2上，把柄25支承在一个金属加工机床上的步骤，来确定第二L/D比。然后把压板75移到一个预定的第二调谐位置来调节每个合成橡胶支承件65，70的压缩量到第二调谐位置，由此使得支承在第二长度上的刀杆10振动最小。
参照基准位置可以是可动压板75的任何位置，其中合成橡胶支承件的压缩量为已知。作为例，可以以每个合成橡胶支承件65，70的压缩量为压板75，80和可调谐吸振器质量50端55，60之间合成橡胶未压缩宽度的5％到30％来确定基准位置。此时，从基准位置移动压板75到第一调谐位置增加了合成橡胶支承件65，70的压缩量。在一个替代的实施例中，以每个合成橡胶支承件65，70的压缩量大于压板75，80和可调谐吸振器质量50端55，60之间合成橡胶未压缩宽度的70％来确定基准位置。此时，可以减少合成橡胶支承件65，70的压缩量来从基准位置移动压板75到第一调谐位置。
压板75沿纵向轴线L的位置确定了压板75对合成橡胶支承件65，70的压缩量。
有不同的方法来识别压板75沿纵向轴线L的位置，一个方法涉及了采用一个延伸通过空腔壁35的孔。样的孔可以是锁定螺钉95位于其中的锁定螺钉孔97。锁定螺钉95一般用于在许多不同位置的任何一个位置上紧固可动压板75。但是，为了通过这个孔97具有一个清楚的视场，需要去除锁定螺钉95。这提供了可动压板75的一个视场，从而可以目视地确定压板75的纵向位置，显示出合成橡胶支承件65，70的压缩量。为了防止可动压板75移动调节螺钉85，沿径向推动锁定螺钉95靠到可动压板75上，由此把压板紧固在一个位置上。
在图2说明的替代情形中，一个销子105可以从压板75沿径向向外延伸通过柄25的空腔壁39中的一个槽110。根据销子105的纵向位置，可以目视地确定压板75的纵向位置。
在替代的情形中，可以把调节螺钉85转一个预定量来把压板75移动到希望的位置。更具体地参照图3，调节螺钉85的螺钉头87可以具有径向标记88，与图3中用字母A，B，C，D表示的对照径向标记相联系。根据这些标记把调节螺钉85转一个预定量，移动压板75到一个希望位置，由此得到合成橡胶支承件65，70的希望压缩量。
理解到移动可动压板75一个预定量，可以在不同L/D比下调谐刀杆10，因而可以采用不同的机构来产生这种移动。这种机构可以包括液压活塞或者齿条与齿轮装置，其设计已为熟悉该技术的人员所了解。
另外，尽管已经讨论了把调节螺钉85作为移动可动压板75的主要机构，也可以采用其他装置。注意到图4，一个楔120沿径向位于一个孔125内，孔延伸通过柄25的空腔壁39。楔120上的一个斜面122对着可动压板75的表面沿纵向移动一个调节球130，由此再推动可动压板75靠到合成橡胶支承件65，70上。
因为移动可动压板75的目的是调节合成橡胶支承件65，70靠到吸振器质量50的压缩量，也可以监测可动压板75对合成橡胶支承件65，70施加的纵向力，并且根据所希望的力横向移动压板75。把如一个传感器的测力装置连接到压板75上，并且按照传感器显示的力来松紧调节螺钉85就可以做得这一点。例如，这种传感器可以装在图4中调节球130和板75之间。此外，可以采用例如一个扭力扳手，监测作用到调节螺钉85上的扭矩来测量力。
一个导向销98螺纹固定在柄25内，并且与压板75的表面配合，来限制压板绕纵向轴线L的转动。图2表示了一个销子105，它可以被目视监测来确定压板75的位置，以及图3说明了用于确定压板75位置的已标定的径向标记115。它们的每一个可以一般称为调谐指示器，用于指示至少一个可动压板75沿纵向轴线L的位置。
在某些情形下，可以把钻杆10定向成纵向轴线L沿着垂直方向。为了补偿吸振器质量50的重量，可以在吸振器质量50和压板80之间插入一个辅助弹簧(图中未示)，使得吸振器质量50的整个重量不直接作用到最下面的合成橡胶支承件上。由于提供了这种弹簧，当采用可动压板75来压缩两个合成橡胶支承件65，70时，作用在两个合成橡胶支承件65，70上的力可以相等。
吸振器质量50可以由硬质合金或其他密度最好比钢大的其他任何材料制成。此外，合成橡胶支承件65，70可以由具有硬度计A级50材料的合成橡胶材料制成。
虽然针对某些实施例描述了本发明，对于一般熟悉该技术的人员来说，各种变化、修改和补充将很明显。所有这些变化、修改和补充都被认为包括在本发明范围之内，它们仅受到所附权利要求的限制。

Claims (27)

1.一种用于调谐外径为D的刀杆(10)的方法，其中刀杆(10)可以以刀具的不同长度L支承到金属加工机床上，来确定不同的长度与直径比，其中刀杆(10)具有
i)一个有一条纵向轴线(L)的柄(25)，其中一个中心空腔(35)沿轴线在柄(25)内延伸，以及其中中心空腔(35)确定了一个空腔壁，
ii)一个刀杆头(20)，它适于接纳一个切削刀具(15)并且在柄(25)的刀具端与柄(25)连接，
iii)一个可调谐的吸振器(30)，它具有一个插在中心空腔(35)内的吸振器质量(50)，其中质量具有一个第一端(55)、一个第二端(60)和一个包围每一端的合成橡胶支承件(65，70)，
iv)一个压板(75，80)，在靠近每个合成橡胶支承件(65，70)的每个吸振器质量(50)端上，其中至少一个压板(75)可以沿纵向轴线(L)移动，压缩合成橡胶支承件(65，70)靠在吸振器质量(50)上，其特征在于：该方法包括以下步骤：
a)把至少一个可动压板(75)定位到一个基准位置，在该位置上每个合成橡胶支承件(65，70)的压缩量为已知；
b)以自柄(25)端的第一长度L1把柄(25)支承在金属加工机床上，确定第一长度与直径之比；以及
c)把压板(75)从基准位置移到一个预定的第一调谐位置，调节对每个合成橡胶支承件(65，70)的压缩量，由此使得以第一长度直径比支承的刀具(15)的振动最小，
其中由一个调节螺钉(85)移动压板，螺钉拧在柄的外表面内，并且从柄的外表面延伸通过空腔壁(35)到压板(75)；
其中把调节螺钉转一个预定量来移动压板(75)到一个希望的位置；
其中调节螺钉(85)具有一个头(87)，在上面设有指示压板(75)纵向位置的径向标记(88)，以及其中根据这些标记(88)把调节螺钉(85)转一个预定量来移动压板(75)到一个希望位置。
2.按照权利要求1的方法，还包括以下步骤：
d)在离开柄(25)端的第二长度L2上，把柄(25)支承在一个金属加工机床上来确定第二长度与直径比；以及
e)把压板(75)移到一个预定的第二调谐位置来调节每个合成橡胶支承件(65，70)的压缩量到第二调谐压缩量，由此使得支承在第二长度与直径比上的刀具(15)振动最小。
3.按照权利要求1的方法，其中基准位置是可动压板(75)的任何位置，在该位置中合成橡胶支承件(65，70)的压缩量为已知。
4.按照权利要求3的方法，其中使每个合成橡胶支承件(65，70)的压缩量为压板(75，80)和可调谐吸振器(30)端之间合成橡胶未压缩宽度的5％到30％来确定基准位置。
5.按照权利要求4的方法，其中从基准位置移动压板(75)到第一调谐位置是增加了合成橡胶支承件(65，70)的压缩量。
6.按照权利要求3的方法，其中使每个合成橡胶支承件(65，70)的压缩量大于压板(75)和可调谐吸振器(30)端之间合成橡胶未压缩宽度的70％来确定基准位置。
7.按照权利要求6的方法，其中从基准位置移动压板(75)到第一调谐位置需要降低合成橡胶支承件(65，70)的压缩量。
8.按照权利要求1的方法，其中压板(75)对合成橡胶支承件(65，70)的压缩量由压板(75)的纵向位置确定。
9.按照权利要求8的方法，其中一个孔(97)对着可动压板(75)延伸通过刀杆(10)的空腔壁，通过孔(97)注视可动压板(75)可以目视地确定压板的纵向位置。
10.按照权利要求8的方法，其中一个销子(105)从压板(75)沿径向向外延伸通过柄的空腔壁中的一个槽，注视销子的位置可以目视地确定压板(75)的纵向位置。
11.按照权利要求1的方法，其中采用相对于纵向轴线(L)沿径向可移动的一个楔(120)来定位压板(75)。
12.按照权利要求1的方法，其中在压板(75)定位在一个希望的位置之后，把压板(75)锁定在该位置上。
13.按照权利要求12的方法，其中采用延伸通过空腔壁(39)和压向压板(75)的锁定螺钉(95)来锁定压板(75)。
14.按照权利要求1的方法，还包括当沿垂直位置使用刀杆(10)时弹性地支承吸振器质量(50)的步骤。
15.按照权利要求14的方法，其中弹性支承吸振器质量(50)的步骤包括采用装在中心空腔(35)内的一个弹簧(127)来支承质量(50)。
16.一种可调谐刀杆(10)，具有外径D和沿着刀具长度按不同长度L支承在金属加工机床上，以确定不同的长度与直径比，其中刀杆(10)具有
i)一个具有纵向轴线(L)的柄(25)，其中一个中心空腔(35)沿着轴线(L)在柄(25)内延伸，以及其中中心空腔(35)确定了空腔壁(39)；
ii)一个刀杆头(20)，适于接纳切削刀具(15)和在刀具端连接到刀杆(10)上；
iii)一个可调谐吸振器(30)，具有一个插在中心空腔(35)内的吸振器质量(50)，其中质量具有一个第一端(55)、一个第二端(60)和一个包围每个柄端(55，60)的合成橡胶支承件(65，70)；
iv)一个压板(75，80)，在吸振器质量(50)的每个端(55，60)上靠近每个合成橡胶支承件(65，70)，其中至少一个压板(75)可以沿纵向轴线(L)移动，压缩合成橡胶支承件(65，70)靠到吸振器质量(50)上；
v)一个定位件(85，120)，用于沿着纵向轴线(L)来移动可动压板(75)；
其特征在于：定位件(85，120)把可动压板(75)从基准位置移到另一个位置，其中每个合成橡胶支承件(65，70)的压缩量为已知；
预定的转动指示器(88，115，105)，用于指示至少一个可动压板(75)沿纵向轴线(L)的位置，以调节对每个合成橡胶支承件(65，70)的压缩量；
其中定位件是一个延伸通过空腔壁(39)的调节螺钉(85)，与压板(75)接触和被定向成沿着纵向轴线(L)移动压板(75)；
其中转动指示器包括在调节螺钉(85)上的一个头(87)，至少具有一条标定线(85)与柄外表面上至少一条配合标定线(115)对准，指示出至少一个位置，在该位置上将至少按一个长度与直径比来调谐刀杆(10)。
17.按照权利要求16的可调谐刀杆(10)，其中定位件是一个楔(120)，它移动时至少使一个压板(75)移动。
18.按照权利要求16的可调谐刀杆(10)，其中定位件是一个齿条和齿轮装置。
19.按照权利要求16的可调谐刀杆(10)，其中至少一个可动压板(75)把合成橡胶支承件(65，70)压缩到一个已知量。
20.按照权利要求19的可调谐刀杆(10)，其中压板(75)的位置使得把合成橡胶支承件(65，70)压缩到一个已知量。
21.按照权利要求19的可调谐刀杆(10)，其中把合成橡胶支承件(65，70)压缩到为压板(75)和可调谐吸振器(30)端之间合成橡胶未压缩宽度5％到30％之间的量。
22.按照权利要求16的可调谐刀杆(10)，其中把合成橡胶支承件(65，70)压缩到为大于压板(75)和可调谐吸振器(30)端之间合成橡胶未压缩宽度70％的量。
23.按照权利要求16的可调谐刀杆(10)，还包括一个锁定销(95)，延伸通过空腔壁来配合和紧固至少一个可动压板(75)定位。
24.按照权利要求23的可调谐刀杆(10)，还包括一个在吸振器质量(50)和中心空腔(35)一端之间的轴向支承件(127)，在刀具沿垂直位置操作时提供对吸振器质量(50)的支承。
25.按照权利要求16的可调谐刀杆(10)，其中每个合成橡胶支承件由硬度计A级50材料制成。
26.按照权利要求16的可调谐刀杆(10)，其中每个合成橡胶支承件(65，70)在吸振器质量(50)的每端包围一个锥面(58，61)，每个压板(75，80)具有一个面向外的锥面(77，82)，包围着每个合成橡胶支承件(65，70)。
27.按照权利要求16的可调谐刀杆(10)，其中刀杆是一个钻杆(10)。
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