CN206065451U - 一种颗粒阻尼及磁流变复合减振镗刀 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种颗粒阻尼及磁流变复合减振镗刀，涉及镗削加工减振装置。该实用新型包含了两种不同减振方式的减振系统：在镗杆剧烈颤振的前端加工出空腔并填充阻尼颗粒，通过阻尼颗粒与镗杆空腔壁彼此间产生的非弹性碰撞与摩擦来耗散振动系统的能量，从而达到减振目的；采用磁流变液作为调节执行介质，针对不同镗削工况下的颤振频率，通过调控磁场强度，实时在线地改变磁流变减振系统的刚度、阻尼及固有频率等参数，从而最大限度地吸收振动系统的能量，有效地抑制镗削颤振。该实用新型对于促进镗削过程颤振抑制技术的进步，保证精密孔镗削加工质量、提高生产效率、延长刀具系统的寿命、降低加工过程中的噪声等方面均具有重要的应用价值。

Description

一种颗粒阻尼及磁流变复合减振镗刀

技术领域

本实用新型涉及镗削加工减振装置，尤其涉及一种颗粒阻尼及磁流变复合减振镗刀。

背景技术

精密和超精密加工是当今机械制造业的一个重要发展方向，已成为国际竞争中取得成功的关键技术之一。机械产品中的精密孔往往是最重要和最关键的部位，但由于其加工困难，加工质量不易保证，一直是机械加工中的难点。因此，如何提高精密孔的加工质量和效率，是机械制造业中亟待解决的重要课题。精镗是精密孔加工的一种重要方法，然而镗削系统因其结构刚度较低，加工过程中极易出现切削颤振，特别是当镗杆的长径比大于4时，不管多么轻微的精加工，都会遇到颤振问题，这往往造成精密孔加工精度低、表面质量差以及加工效率不高等问题。此外，颤振还会加速刀具系统的磨损，产生强噪音并危害操作者的身心健康，因此，寻求能有效抑制镗刀颤振的技术具有重要意义。

非阻塞性颗粒阻尼(non-obstructive particle damping，NOPD)是一种附加质量式非线性阻尼，属于被动减振方式。其减振机理为在结构体上加工一些空腔或者附加一些腔体，再将阻尼颗粒按某一填充率置于结构内部腔体或结构附加腔体中，使之在空腔中处于非阻塞状态，构成颗粒阻尼器。在系统发生振动时，由于振动的腔体与内部颗粒之间的动量交换与能量转移，导致颗粒之间以及颗粒与空腔壁之间产生非弹性碰撞与摩擦，从而耗散振动系统的能量，达到减振目的。该技术具有减振频带宽、冲击力小、噪声小等特性，同时兼具结构简单、布置灵活、可靠性高、耐高温、抗老化、抗辐射等优点，因而在机械与航空航天领域得到了广泛应用。Sims等利用颗粒阻尼器提高了机械工件的振动稳定性；陈前等将颗粒阻尼技术应用于直升机旋翼桨叶起到较好的减振效果；胡溧等研究颗粒阻尼动态特性并用于汽车车身；夏兆旺等研究基于悬臂梁的颗粒阻尼实验并应用于平板叶片；庞学慧等将颗粒阻尼技术运用到大长径比的刀具中，产生了良好的减振效果，使得刀具切削性能显著提高。

磁流变液(Magnetorheological Fluid，MRF)作为一种智能控制材料，主要成分是由在磁场下可极化的磁性颗粒和能使磁性颗粒均匀分散的溶剂组成，可作为半主动减振方式的介质。其特性是：在无磁场作用下，它表现为一般流体，在外部磁场作用下，它会迅速“固化”，而且“固化”效果随外加磁场的不同而不同。这种变化的特点是：变化速度快(毫秒量级)、变化过程可逆、变化范围宽，所以用磁流变液制成的阻尼器具有响应时间短、阻尼和刚度连续可调、阻尼力大、能耗小、动态范围广和便于计算机控制等优点，因而广泛应用于土木工程、汽车悬架和机械加工等领域的减振降噪。LAM等通过试验测试了磁流变减振器的阻尼特性，并验证了其良好的可控性；杨飚等基于磁流变阻尼器建立了隔振结构模型在导管架式海洋平台减振控制上取得了良好的效果；马新娜等将磁流变阻尼器应用于高速机车悬架系统的实验建模和横向半主动减振控制研究；寇发荣等研制了磁流变半主动悬架系统，通过仿真与试验发现其减振效果明显；梅德庆等申请的发明专利将磁流变效应引入镗削加工中，研制了挤压模式和剪切模式混合的线圈镗杆整体型磁流变液自抑振智能镗杆系统；张永亮等申请的发明专利将磁流变效应引入车削加工中，分别研制出了基于磁流变液挤压模式的动力吸振车刀和基于剪切工作模式的外圆车削颤振磁流变减振系统。

上述单一的减振技术在实际应用中能产生良好的减振效果，而本实用新型结合了两者的优点，将颗粒阻尼减振与磁流变减振共同运用于抑制镗刀的颤振中，研制可代替普通镗刀的颗粒阻尼及磁流变复合减振镗刀。

实用新型内容

本实用新型是要解决实际镗削加工中发生的颤振技术问题，进而提供了一种颗粒阻尼及磁流变复合减振镗刀。该减振镗刀通过填充于镗杆前端空腔内的阻尼颗粒与镗杆空腔壁彼此间产生的非弹性碰撞与摩擦来耗散振动系统的能量，从而达到减振目的；还可针对不同镗削工况下的颤振频率，通过调控外加磁场，对附着在镗刀上的磁流变减振系统的刚度、阻尼及固有频率等动特性参数进行实时调节，从而最大限度地吸收振动系统的能量，有效地抑制镗削的颤振。该减振镗刀调整方便、可适用于各类精密孔镗削工况。

本实用新型为解决其技术问题采用的技术方案是：一种颗粒阻尼及磁流变复合减振镗刀，其减振系统由被动减振方式的颗粒阻尼和半主动减振方式的磁流变液组成，其中：

1)颗粒阻尼减振系统构造于镗杆的前端，其特征在于：包括镗杆、阻尼颗粒、刀头；在镗杆的前端有加工出的同轴的圆柱形空腔，在圆柱形空腔内填充有阻尼颗粒，然后将刀头通过螺纹孔与镗杆连接进行密封。

2)磁流变减振系统附着在镗杆的外部，其特征在于：包括端盖、壳体、隔磁套、磁流变液、励磁线圈、镗杆；在镗杆的两个轴肩之间绕有励磁线圈，并在镗杆的底部装入隔磁套，然后整体装入壳体中，最后通过端盖进行密封；在轴肩和励磁线圈所组成的圆柱实体与壳体所形成的环形容腔内装有磁流变液；励磁线圈通过线圈引线与外部控制电流源相连。

进一步的，所述圆柱形空腔还可密封填充有一定体积比的粘性液体。

进一步的，所述磁流变液是通过壳体上的两个注液孔注入，通过两个螺钉进行密封的。

进一步的，所述励磁线圈的导线通过镗杆轴肩上的通孔与壳体上的通孔引到外部并与线圈引线相连。

进一步的，所述壳体前端的中心开一通孔，镗杆的悬伸部分由此伸出，并在通孔内开有一个环形凹槽用以安装密封圈。

本实用新型具有的有益效果是：

本实用新型提供了一种颗粒阻尼及磁流变复合减振镗刀。该实用新型将颗粒阻尼减振技术与磁流变减振技术进行有机结合，既能通过填充于镗杆空腔内的阻尼颗粒与镗杆空腔壁彼此间的非弹性碰撞与摩擦来耗散振动系统的能量，从而达到减振目的，又可以采用磁流变液作为调节执行介质，针对不同镗削工况下的颤振频率，通过调控磁场强度，实时在线地改变磁流变减振系统的刚度、阻尼及固有频率等动特性参数，从而最大限度地吸收振动系统的能量，有效地抑制镗削颤振。该实用新型对于促进镗削过程颤振抑制技术的进步，保证精密孔镗削加工质量、提高生产效率、延长刀具系统的寿命、降低加工过程中的噪声等方面均具有重要的应用价值。

附图说明

图1为颗粒阻尼及磁流变复合减振镗刀的结构示意图；

图2为镗杆的结构示意图；

图3为壳体的结构示意图；

图4为端盖的结构示意图。

具体实施方式

如图1、图2所示，颗粒阻尼及磁流变复合减振镗刀的颗粒阻尼减振系统构造于镗刀的前端，在镗杆8的前端加工出同轴的圆柱形空腔8-3，在圆柱形空腔8-3内填充有阻尼颗粒9，然后将刀头10通过螺纹孔8-4与镗杆8连接进行密封。填充时，阻尼颗粒9可以为单一颗粒也可以为多种类型颗粒的混合，其材质不限但应密度较大，填充率应为70％左右，直径应为0.02mm～5mm之间，必要时还可在空腔8-3内填充一定体积比的粘性液体以增大减振系统的阻尼。

如图1～4所示，颗粒阻尼及磁流变复合减振镗刀的磁流变减振系统附着于镗刀的外部，在镗杆8上加工出两个轴肩8-1，并绕置励磁线圈5于两个轴肩8-1之间，使得励磁线圈5和轴肩8-1等高形成一个圆柱面，再用环氧树脂对线圈进行密封。线圈导线通过镗杆轴肩上的通孔8-2与壳体上的通孔2-3引到外部并与线圈引线7连接。线圈引线7连接控制电流源，通过控制电流源将励磁线圈5的电流调控在0A～2A之间。在镗杆8的底端以过盈方式装入隔磁套3，然后将整体固定于壳体2之中，使绕有励磁线圈5的镗杆8、隔磁套3和壳体2形成一个刚性体，最后通过端盖1的通孔1-1以及壳体2后端的螺纹孔2-1用螺栓11进行连接密封。在壳体2前端的中心开一通孔2-2，镗杆的悬伸部分正由此伸出，并在通孔2-2内开有一个环形凹槽用以安装密封圈。壳体2的内圆面与线圈5和轴肩8-1所形成圆柱面之间留有厚度为1mm～2mm之间的环形容腔，通过壳体2上方的两个注液孔2-4对容腔注入磁流变液4，最后用螺钉6进行密封。这样励磁线圈5产生的磁场将密集在镗杆的两个轴肩8-1处并沿径向穿过内部的磁流变液4，再通过壳体2形成了一个完整的闭合磁路，因此，使得环形容腔内的磁流变液4在磁场作用下将形成垂直于线圈5与轴肩8-1形成的圆柱面和壳体2的内圆面的链柱状结构，当镗削振动时，镗杆8将挤压与剪切该链柱状结构，故本实用新型涉及的磁流变减振系统是在磁流变液4的挤压与剪切混合模式下工作的。这样就相当于在镗杆8的末端增加了一个弹性和阻尼系数可由磁场强度调控的粘弹性弹簧，并通过它来达到改变镗刀动态特性的目的。

本实用新型一种颗粒阻尼及磁流变复合减振镗刀的工作原理为：在镗削加工中，当镗刀发生颤振时，由于镗杆8振动的腔体8-3与内部阻尼颗粒9之间的动量交换与能量转移，导致阻尼颗粒9之间以及阻尼颗粒9与空腔壁之间产生非弹性碰撞与摩擦，从而耗散振动系统的能量，达到减振目的。与此同时，镗刀颤振的发生使得镗杆8与磁流变减振系统之间产生往复的相对运动，这种运动挤压与剪切在磁场作用下呈链柱状的磁流变液4，从而产生磁流变效应。根据不同镗削工况下的颤振频率，通过调节励磁线圈5的电流的大小来调控磁场强度，实时在线地改变磁流变液4的挤压与剪切屈服强度，同时改变磁流变减振系统的刚度、阻尼和固有频率等动态特性参数，使之与镗刀的颤振频率相匹配，进而最大限度地吸收振动系统的能量，降低颤振幅度，达到削减和抑制镗刀颤振的目的。

Claims (5)

1.一种颗粒阻尼及磁流变复合减振镗刀，其减振系统由被动减振方式的颗粒阻尼和半主动减振方式的磁流变液组成，其中：

1)颗粒阻尼减振系统构造于镗刀的前端，其特征在于：包括镗杆(8)、阻尼颗粒(9)、刀头(10)；在镗杆(8)的前端有加工出的同轴的圆柱形空腔(8-3)，在圆柱形空腔(8-3)内填充有阻尼颗粒(9)，然后将刀头(10)通过螺纹孔(8-4)与镗杆(8)连接进行密封；

2)磁流变减振系统附着在镗刀的外部，其特征在于：包括端盖(1)、壳体(2)、隔磁套(3)、磁流变液(4)、励磁线圈(5)、镗杆(8)；在镗杆(8)的两个轴肩(8-1)之间绕有励磁线圈(5)，并在镗杆(8)的底部装入隔磁套(3)，然后整体装入壳体(2)中，最后通过端盖(1)进行密封；在轴肩(8-1)和励磁线圈(5)所组成的圆柱实体与壳体(2)所形成的环形容腔内装有磁流变液(4)；励磁线圈(5)通过线圈引线(7)与外部控制电流源相连。

2.根据权利要求1所述的一种颗粒阻尼及磁流变复合减振镗刀，其特征在于，所述圆柱形空腔(8-3)还可密封填充有一定体积比的粘性液体。

3.根据权利要求1所述的一种颗粒阻尼及磁流变复合减振镗刀，其特征在于，所述磁流变液(4)是通过壳体(2)上的两个注液孔(2-4)注入，通过两个螺钉(6)进行密封的。

4.根据权利要求1所述的一种颗粒阻尼及磁流变复合减振镗刀，其特征在于，所述励磁线圈(5)的导线通过镗杆(8)轴肩上的通孔(8-2)与壳体(2)上的通孔(2-3)引到外部并与线圈引线(7)相连。

5.根据权利要求1所述的一种颗粒阻尼及磁流变复合减振镗刀，其特征在于，所述壳体(2)前端的中心开一通孔(2-2)，镗杆的悬伸部分由此伸出，并在通孔(2-2)内开有一个环形凹槽用以安装密封圈。