基于磁流變液擠壓工作模式的動力吸振車刀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于磁流變液擠壓工作模式的動力吸振車刀，由與普通車刀固定連接的主振部件和懸掛在其上的磁流變動力吸振部件組成，其特點是：主振部件與磁流變動力吸振部件之間通過磁場下可變剛度、阻尼的磁流變液和滾珠7進行柔性支撐和連接，其中，滾珠安裝在主振部件刀桿軸兩側的鍵槽里，磁流變液填充在磁流變動力吸振部件的圓盤形磁極、上、下箱體、端蓋和主振部件的第一、二圓盤狀鐵芯間的軸向間隙內。本發(fā)明采用磁流變液作為調節(jié)執(zhí)行介質，針對不同車削工況下的顫振頻率，通過調整磁感應強度，實時在線地改變磁流變動力吸振部件的阻尼及固有頻率等參數，從而最大限度地吸收主振系統(tǒng)中車刀的振動能量，有效地抑制車削顫振。
【專利說明】基于磁流變液擠壓工作模式的動力吸振車刀
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種車削加工減振裝置，尤其是一種基于磁流變液擠壓工作模式的動力吸振車刀。
【背景技術】
[0002]近年來，高速、精密切削加工技術已越來越多地應用于航空航天、光電和通訊等領域內大型、精密零部件的切削加工中，隨著應用研究的不斷完善和深入，微幅、超微幅振動對加工精度提高的制約作用日益凸顯，在采用空氣彈簧及相關主動控制方法有效隔離機外振源的基礎上，來自于切削加工過程自身的振動已走入研究者的視線，成為限制高效精密切削技術發(fā)揮優(yōu)勢的關鍵因素之一。因此，尋求有效抑制切削顫振的新方法已迫在眉睫。
[0003]磁流變液作為一種新型的智能控制材料，由于其制成的阻尼器具有能耗低、阻尼力大、動態(tài)范圍廣、實時調節(jié)性好等特點，已被逐漸應用于土木工程、汽車懸架和機械加工等各種減振場合中，然而，現(xiàn)有的磁流變減振裝置大都屬于阻尼減振，而動力吸振也是振動控制中經常采用的一種高效減振方法，通過適當的調節(jié)，該方法的減振效果要優(yōu)于單純的阻尼減振。王勛龍等將動力吸振器應用于車輛減振，并研究了各種參數對動力吸振器減振性能的影響；魏榕祥等通過在飛機平尾翼尖處安裝動力吸振器來吸收某一確定頻率的振動能量，以達到減振的目的；Foo E等建立了彈性車體動力學模型，研究了基于動力吸振器的車輛運行平穩(wěn)性及其控制方法；Jia Jangwu研究了動力減振器螺旋彈簧的慣性效應對
Il桿動態(tài)特性的影響；Felipe Antonio CheguryViana等人基于蟻群算法設計了可調動態(tài)減振器；邵俊鵬等應用虛擬樣機技術對動力減振器的參數進行了優(yōu)化。研究表明，該方法雖然可以取得很好的減振效果，但其結構參數一經優(yōu)化確定后即無法調整，因此，如果將動力減振原理與磁流變效應結合用于切削加工系統(tǒng)，則可以根據顫振頻率，通過電參數的調節(jié)適當改變磁流變動力吸振器的固有頻率等動力學參數，從而最大限度地吸收切削系統(tǒng)的振動能量，對不同切削狀態(tài)下的顫振進行有效的半主動實時控制。
[0004]磁流變液的工作模式有流動、剪切和擠壓三種。相比于剪切和流動模式，擠壓模式下磁流變液的流變特性更加復雜、產生的屈服強度更大。Alireza等的研究表明，磁流變液在擠壓模式下能產生很大的可控力，并首次發(fā)現(xiàn)了磁流變液的凝聚效應；徐春暉等采用二階流體本構關系研究了平行圓盤間牛頓流體的擠壓流動；廖昌榮等分析了基于圓盤擠壓模式的磁流變阻尼器的工作特性，對擠壓模式的磁流變液阻尼器設計具有一定的參考價值。與磁流變液擠壓特性的研究相比，基于擠壓模式的磁流變器件應用研究還鮮見報道。陳吉安等對用于車輛的磁流變減振器進行了設計，提出了一種剪切模式的磁流變減振器模型；王其東等人設計了基于流動模式和剪切模式的磁流變半主動懸架模糊控制減振器；梅德慶等人申請的發(fā)明專利將磁流變效應引入鏜削加工中，研制了剪切模式和擠壓模式混合的磁流變液自抑振智能鏜桿系統(tǒng)。綜上所述，本發(fā)明在動力減振原理的基礎上，針對零件長徑比數值較大的軸類零件外圓車削加工工況，研制可代替普通車刀的擠壓模式磁流變動力吸振車刀。
【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明是要解決細長軸類零件外圓車削過程中發(fā)生的顫振技術問題，而提供一種基于磁流變液擠壓工作模式的動力吸振車刀，該動力吸振車刀可針對不同外圓車削工況下的顫振頻率，通過外加磁場的作用，對附加在車刀上的磁流變動力吸振部件的剛度、阻尼及固有頻率等動特性參數進行實時調節(jié)，從而最大限度地吸收車刀的振動能量，抑制車削顫振的發(fā)生。該吸振車刀調整方便、可適用于各類外圓車削工況。
[0006]本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的:一種基于磁流變液擠壓工作模式的動力吸振車刀，由與普通車刀固定連接的主振部件和懸掛在其上的磁流變動力吸振部件組成，其特點是:主振部件與磁流變動力吸振部件之間通過磁場下可變剛度、阻尼的磁流變液和滾珠進行柔性支撐和連接，其中，滾珠安裝在主振部件刀桿軸兩側的鍵槽里，磁流變液填充在磁流變動力吸振部件的圓盤形磁極、上、下箱體、端蓋和主振部件的第一、二圓盤狀鐵芯間的軸向間隙內。
[0007]主振部件包括經改造的普通車刀、刀桿軸、第一、二圓盤狀鐵芯，普通車刀與刀桿軸通過其上的莫氏圓錐定位，在徑向采用斜楔楔緊，并在斜楔的一端用螺母緊固；第一、二圓盤狀鐵芯分別與刀桿軸過渡配合連接，第一、二圓盤狀鐵芯上的方形凹槽內纏繞勵磁線圈。
[0008]磁流變動力吸振部件由上箱體、下箱體、圓盤形磁極和端蓋組成，上箱體與下箱體之間通過內螺紋圓錐銷定位并由螺栓和螺母緊固，圓盤形磁極與上、下箱體內的環(huán)槽在軸向間隙配合連接，端蓋依靠其一端的凸臺與上、下箱體定位并由螺釘緊固。
[0009]圓盤形磁極、第一、二圓盤狀鐵芯均為圓環(huán)形，所述上箱體上開有用于測量磁極間隙、引線和注入磁流變液的方形孔。
[0010]圓盤形磁極、第一、二圓盤狀鐵芯均為軟鐵磁性材料，所述上、下箱體3、端蓋、刀桿軸均為非導磁材料。普通車刀后端安裝有卸刀螺母。
[0011]本發(fā)明具有的有益之處在于:
1.本發(fā)明提供了一種將動力減振原理和磁流變效應結合的吸振車刀。該發(fā)明采用磁流變液作為調節(jié)執(zhí)行介質，針對不同車削工況下的顫振頻率，通過調整磁感應強度，實時在線地改變磁流變動力吸振部件的阻尼及固有頻率等參數，從而最大限度地吸收主振系統(tǒng)中車刀的振動能量，有效地抑制車削顫振。
[0012]2.本發(fā)明中磁流變動力吸振車刀采用擠壓工作模式，可增大磁流變效應對吸振部件參數的調節(jié)范圍，從而增強了對車削顫振的抑制范圍和減振效果。
[0013]3.本發(fā)明采用滾珠式非固定、柔性支撐結構，既可使車刀振動時產生相對磁流變動力吸振部件的往復直線運動，又可使背吃刀量調整時車刀與磁流變動力吸振部件同步運動，保證磁極間隙的恒定，簡化車削操作。
[0014]4.本發(fā)明所述刀桿軸、上、下箱體、滾珠、端蓋均采用鋁等非導磁材料，使磁路沿刀桿軸分成上、下兩部分獨立的回路，減少了漏磁現(xiàn)象的發(fā)生，提高了磁流變液的工作效率。
[0015]5.本發(fā)明利用莫氏圓錐將車刀與刀桿軸配合連接，保證了兩者的對中性；同時配有卸刀螺母方便車刀的調整和更換?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明的結構主剖視圖；
圖2是圖1的俯視圖；
圖3是圖1的左視圖。
【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步的說明。
[0018]如圖1至圖3所示，一種基于磁流變液擠壓工作模式的動力吸振車刀，由與普通車刀16固定連接的主振部件和懸掛在其上的磁流變動力吸振部件兩大部分組成。
[0019]磁流變動力吸振部件包括上箱體3、下箱體10、圓盤形磁極11和端蓋5。上箱體3與下箱體10之間通過內螺紋圓錐銷19定位并由螺栓18和螺母I緊固，圓盤形磁極11與上、下箱體3、10內的環(huán)槽在軸向間隙配合連接，端蓋5依靠其一端的凸臺與上、下箱體定位并由螺釘4緊固。
[0020]主振部件包括改造后的莫氏錐柄車刀16、刀桿軸13、第一、二圓盤狀鐵芯9、12。普通車刀16與刀桿軸13通過其上的莫氏圓錐定位，在徑向采用斜楔15楔緊，并在斜楔15的一端用螺母14緊固；第一、二圓盤狀鐵芯9、12分別與刀桿軸13過渡配合連接，第一、二圓盤狀鐵芯9、12上的方形凹槽內纏繞勵磁線圈8。
[0021]由于本發(fā)明基于動力減振原理，因此主振部件與磁流變動力吸振部件之間采用磁場下可變剛度、阻尼的磁流變液和滾珠7進行柔性支撐和連接。其中，滾珠7安裝在刀桿軸兩側的鍵槽里。當普通車刀16在外圓車削過程中沿軸向振動時，在滾珠7的支撐下主振部件中的刀桿軸13和普通車刀16可相對動力吸振部件產生摩擦系數較小的直線往復運動，促使動力吸振部件在磁流變效應作用下產生動力吸振效果，削減普通車刀16的振動能量；同時，在調整普通車刀16的背吃刀量時，該支撐還可以使普通車刀16和動力吸振部件同步移動，從而保證了圓盤形磁極11和第一、二圓盤狀鐵芯9、12之間的間隙恒定不變，簡化了間隙的調整操作。
[0022]圖1中箭頭所示為磁回路中磁力線走向，因此磁極間隙處的磁流變液在磁場下將形成垂直于第一、二圓盤狀鐵芯9、12和圓盤形磁極11端面的鏈柱狀結構，普通車刀16的軸向振動將擠壓該鏈柱狀結構，故本發(fā)明涉及的動力吸振車刀是在磁流變液的擠壓模式下工作的。
[0023]本發(fā)明的裝配順序依次為主振部件的裝配、磁流變動力吸振部件的裝配。在主振部件裝配之前，應先將圓盤形磁極11空套在刀桿軸13大軸徑上，隨后開始主振部件的裝配。裝配中首先依靠刀桿軸13大軸徑兩側的軸肩做軸向定位,將繞有勵磁線圈8的第一、二圓盤狀鐵芯9、12從刀桿軸13的兩端按過渡配合裝入，接著通過莫氏圓錐將已旋入卸刀螺母17的普通車刀16和刀桿軸13配合連接，而后采用斜楔15貫穿刀桿軸13和普通車刀16，以防止車削振動造成連接的松動，最終用防松螺母14將斜楔15緊固在刀桿軸13上，完成主振部件的裝配。在動力吸振部件的裝配中，先將圓盤形磁極11采用間隙配合方式在軸向依次與上箱體3、下箱體10內部的環(huán)形槽配合，然后用內螺紋圓錐銷19將上、下箱體3、10定位，并由螺栓18和螺母I緊固，最后端蓋5通過定位凸臺和螺釘4與上、下箱體3、10定位連接。磁流變動力吸振部件與主振部件間的軸向位置以刀桿軸13的A面為基準，通過開口定位元件2來調整確定，車削加工前將該定位元件移開。
[0024]本發(fā)明磁流變動力吸振車刀通過開口定位元件2的定位、第一、二圓盤狀鐵芯9、12在刀桿軸13軸肩的定位、圓盤形磁極11與上、下箱體3、10內環(huán)槽的軸向間隙配合以及各相關零件尺寸公差設計、尺寸鏈的求解計算，保證了磁流變減振裝置中重要的結構、性能
參數-圓盤形磁極11與第一、二圓盤狀鐵芯9、12間的磁極間隙為1.5±0.05mmO刀桿軸
13與第一、二圓盤狀鐵芯9、12之間的配合尺寸為Φ26Η8/η7 ;圓盤形磁極11與上箱體3、下箱體10之間的配合尺寸均為10H8/h7 ；
為了方便磁流變動力吸振車刀的調整和更換，在原有普通車刀16的外表面加工螺紋，并旋入卸刀螺母17。當拆除斜楔15和防松螺母14后，不斷旋緊卸刀螺母17直至與刀桿軸13右端面接觸后繼續(xù)旋入，普通車刀16便可輕松拆卸下來。此外，卸刀螺母17端面加工螺紋孔，用來安裝傳感器，實現(xiàn)對振動信號的在線測量。
[0025]考慮車床刀架的結構和車削操作的方便，本發(fā)明中的上、下箱體3、10為中空的類半圓柱體，圓盤形磁極11、第一、二圓盤狀鐵芯9、12均為圓環(huán)類零件。勵磁線圈8橫向纏繞在第一、二圓盤狀鐵芯9、12外表面上的方形凹槽內，且分別纏繞至與第一、二圓盤狀鐵芯9、12的大端面等高，每個鐵芯上分別纏繞上、下兩組勵磁線圈，整個裝置中共四組線圈，其導線由透明軟樹脂防塵罩6上的通孔引出。
[0026]本發(fā)明基于磁流變液擠壓工作模式的動力吸振車刀工作原理為:外圓車削加工中，當車刀16發(fā)生軸向振動時將帶動刀桿軸13和第一、二圓盤狀鐵芯9、12隨之同步振動，由于滾珠7和磁流變液的柔性支撐，該振動將使主振系統(tǒng)與磁流變液動力吸振部件之間產生往復的相對運動，這種運動擠壓磁極間隙處沿圖1箭頭方向形成的鏈柱狀磁流變液，從而產生磁流變效應。根據切削顫振的頻率，通過調節(jié)第一、二圓盤狀鐵芯9、12上勵磁線圈電流的大小，改變磁流變液的擠壓屈服強度，同時改變磁流變動力吸振部件的阻尼、剛度、固有頻率等動態(tài)特性參數，使之與顫振頻率相匹配，進而最大限度地吸收車刀顫振的能量，降低顫振幅度，達到削減及抑制車削振動的目的。
【權利要求】
1.一種基于磁流變液擠壓工作模式的動力吸振車刀，由與改造過的普通車刀(16)固定連接的主振部件和懸掛在其上的磁流變動力吸振部件組成，其特征在于:主振部件與磁流變動力吸振部件之間通過磁場下可變剛度、阻尼的磁流變液和滾珠(7)進行柔性支撐和連接，其中，滾珠(7)安裝在主振部件刀桿軸(13)兩側的鍵槽里，磁流變液填充在磁流變動力吸振部件的圓盤形磁極(11)、上、下箱體(3、10)、端蓋(5)和主振部件的第一、二圓盤狀鐵芯(9、12)間的軸向間隙內。
2.根據權利要求1所述的基于磁流變液擠壓工作模式的動力吸振車刀，其特征在于:所述主振部件包括經改造的普通車刀(16)、刀桿軸(13)、第一、二圓盤狀鐵芯(9、12)，普通車刀(16)與刀桿軸(13)通過其上的莫氏圓錐定位，在徑向采用斜楔(15)楔緊，并在斜楔(15)的一端用螺母(14)緊固；第一、二圓盤狀鐵芯(9、12)分別與刀桿軸(13)過渡配合連接，第一、二圓盤狀鐵芯(9、12)上的方形凹槽內纏繞勵磁線圈(8)。
3.根據權利要求1所述的基于磁流變液擠壓工作模式的動力吸振車刀，其特征在于:所述磁流變動力吸振部件由上箱體(3)、下箱體(10)、圓盤形磁極(11)和端蓋(5)組成，上箱體⑶與下箱體(10)之間通過內螺紋圓錐銷(19)定位，并由螺栓(18)和螺母⑴緊固，圓盤形磁極(11)與上、下箱體(3、10)內的環(huán)槽在軸向間隙配合連接，端蓋(5)依靠其一端的凸臺與上、下箱體(3、10)定位并由螺釘(4)緊固。
4.根據權利要求1所述的基于磁流變液擠壓工作模式的動力吸振車刀，其特征在于:所述圓盤形磁極(11)、第一、二圓盤狀鐵芯(9、12)均為圓環(huán)形，所述上箱體(3)上開有用于測量磁極間隙、引線和注入磁流變液的方形孔。
5.根據權利要求1所述的基于磁流變液擠壓工作模式的動力吸振車刀，其特征在于:所述圓盤形磁極(11)、第一、二圓盤狀鐵芯(9、12)均為軟鐵磁性材料，所述上、下箱體(3、10)、端蓋(5)、刀桿軸(13)均為非導磁材料。
6.根據權利要求1所述的基于磁流變液擠壓工作模式的動力吸振車刀，其特征在于:所述普通車刀(16)后端安裝有卸刀螺母(17)。
【文檔編號】B23Q11/00GK103962883SQ201410233584
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月30日 優(yōu)先權日:2014年5月30日
【發(fā)明者】張永亮, 趙翃, 洪明, 張瑋 申請人:上海理工大學