一種利用微觀摩擦及質(zhì)量分布提供減震的數(shù)控刀具系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明涉及一種利用微觀摩擦現(xiàn)象以及質(zhì)量分布方法提高數(shù)控刀具減震性能的 夾具及刀桿系統(tǒng)，屬于車(chē)削，銑削，鉆孔，磨削等數(shù)控刀具刀桿制造，以及數(shù)控刀具的夾持部 件制造技術(shù)領(lǐng)域，但不局限于在機(jī)械加工刀具上的使用。主要目的是通過(guò)利用調(diào)節(jié)微觀摩 擦現(xiàn)象以及質(zhì)量分布，提高機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)剛度，從而抑制機(jī)械加工過(guò)程中的振動(dòng)現(xiàn)象。 技術(shù)背景：
[0002] 數(shù)控車(chē)刀在使用過(guò)程中，會(huì)因刀具機(jī)械結(jié)構(gòu)的減震性能低而造成刀具的顫振 現(xiàn)象。傳統(tǒng)的刀具沒(méi)有設(shè)計(jì)減震的環(huán)節(jié)，因而刀具使用過(guò)程中，懸長(zhǎng)與直徑的比例通常 要求小于等于4。當(dāng)需要使用長(zhǎng)徑比高于4的機(jī)械加工刀具完成機(jī)械加工過(guò)程，目前市 場(chǎng)上已經(jīng)存在的減震方案包括利用質(zhì)量減震塊如CN100522426C，使用復(fù)合阻尼材料如 W02002045892A1，使用輕質(zhì)量的刀頭提高結(jié)構(gòu)的振動(dòng)模態(tài)頻率，如日本三菱的Dimple Bar， 以及利用刀片與工件之間的摩擦現(xiàn)象來(lái)實(shí)現(xiàn)，如CN102259207A。
[0003] 目前市場(chǎng)上存在的，利用質(zhì)量減震塊提供減震功能的加工刀具，普遍價(jià)格較高，且 產(chǎn)品功能單一，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)模塊化。目前尚沒(méi)有針對(duì)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)提供減震功能的專(zhuān)用質(zhì)量減震 塊。
[0004] 阻尼材料直接作為結(jié)構(gòu)件使用在刀桿結(jié)構(gòu)中，通常以降低機(jī)械結(jié)構(gòu)的靜態(tài)剛度為 代價(jià)，無(wú)法保證被加工部件的幾何尺寸質(zhì)量要求。
[0005] 使用輕質(zhì)量的刀頭可有效的提高振動(dòng)模態(tài)頻率，但其減震性能不明顯。
[0006] 刀片與工件之間的摩擦現(xiàn)象不穩(wěn)定，且增加了切削力，提高了機(jī)械加工的耗能。因 為刀片的磨損，摩擦現(xiàn)象會(huì)產(chǎn)生改變，因而無(wú)法穩(wěn)定的提供減震功能。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0007] 本發(fā)明的目的是提供一種能有效利用機(jī)械結(jié)構(gòu)結(jié)合面的微觀滑動(dòng)摩擦現(xiàn)象，結(jié)合 機(jī)械結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分布，提高機(jī)械結(jié)構(gòu)的減震性能的刀具，以及夾具系統(tǒng)。其優(yōu)勢(shì)在于產(chǎn)品造 價(jià)低，刀桿結(jié)構(gòu)模塊化，可在旋轉(zhuǎn)刀具上使用，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的靜態(tài)剛度影響小，減震性能穩(wěn) 定。
[0008] 本發(fā)明的技術(shù)方案，是通過(guò)設(shè)計(jì)具有減震性能的機(jī)械部件結(jié)合面，在裝配過(guò)程中 調(diào)節(jié)結(jié)合面的正向壓力，優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)的靜態(tài)剛度和動(dòng)態(tài)剛度，結(jié)合刀桿結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分布， 有效的為刀桿結(jié)構(gòu)提供減震功能。
[0009] 隨著機(jī)械結(jié)構(gòu)結(jié)合面的正向壓力增加，結(jié)合面的靜態(tài)剛度會(huì)逐漸增加，減震系數(shù) 會(huì)逐漸減小，存在一個(gè)最優(yōu)化的正向壓力值，使結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)剛度最大化。選取合適的正向壓 力可有效的調(diào)節(jié)機(jī)械結(jié)構(gòu)的靜態(tài)剛度和動(dòng)態(tài)剛度。
[0010] 機(jī)械加工刀具普遍為懸臂結(jié)構(gòu)，例如車(chē)刀，銑刀等。在振動(dòng)模態(tài)下，最大的位移在 刀片部位，而最大的應(yīng)力和應(yīng)變?cè)诘毒叩膴A持部件周?chē)?。由高速旋轉(zhuǎn)帶來(lái)的離心力，受懸臂 結(jié)構(gòu)的末端（即刀片部位）的質(zhì)量不平衡影響最大。因此可在刀片部位使用彈性系數(shù)與密 度比高的材料，而在刀具的夾持部位使用彈性系數(shù)高的材料。在刀具的夾持部分周?chē)O(shè)計(jì) 具有優(yōu)化靜態(tài)剛度和減震系數(shù)的結(jié)合面，利用微觀摩擦現(xiàn)象，提高刀具機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)剛 度。利用離心力對(duì)刀具夾持部分的質(zhì)量平衡低要求，可將本發(fā)明技術(shù)方案使用在旋轉(zhuǎn)刀具 上，提供可靠的減震系數(shù)。
[0011] 結(jié)合質(zhì)量減震塊方法，在刀桿結(jié)構(gòu)件上使用質(zhì)量減震塊，通過(guò)模態(tài)耦合的方法，將 振動(dòng)能量分流到質(zhì)量減震塊上，本發(fā)明可進(jìn)一步提升質(zhì)量減震塊的減震性能。通過(guò)對(duì)質(zhì)量 減震塊的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，本發(fā)明還對(duì)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模態(tài)提供有效的減震解決方案。
[0012] 模塊化的設(shè)計(jì)使本發(fā)明的技術(shù)解決方案更彈性化，可在不同的加工環(huán)境下使用， 操作方便。
【附圖說(shuō)明】：
[0013] 圖1是本發(fā)明的總裝配圖
[0014] 圖2是本發(fā)明的刀桿結(jié)構(gòu)部分的裝配示意圖
[0015] 圖3是本發(fā)明的強(qiáng)力彈簧結(jié)構(gòu)示意圖
[0016] 圖4是本發(fā)明的可調(diào)節(jié)液壓夾持件7的示意圖及原理圖
[0017] 圖5是本發(fā)明微觀滑動(dòng)摩擦減震原理的示意圖
[0018] 圖6是本發(fā)明實(shí)施例的刀桿結(jié)構(gòu)在不同條件下的動(dòng)態(tài)柔度頻率響應(yīng)函數(shù)
[0019] 圖7是本發(fā)明實(shí)施例的刀桿結(jié)構(gòu)使用液壓連接件以及質(zhì)量減震單元的示意圖
[0020] 圖8是本發(fā)明實(shí)施例的刀桿結(jié)構(gòu)使用的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)質(zhì)量減震單元的示意圖
【具體實(shí)施方式】：
[0021] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0022] 本發(fā)明的實(shí)施例：采用本發(fā)明，一種利用微觀摩擦及質(zhì)量分布提供減震的數(shù)控刀 具系統(tǒng)，在使用過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)扭矩螺栓9上的力矩，擠壓液壓油脂13,使液壓緊固件7的 內(nèi)壁和外壁膨脹變形。液壓緊固件7的內(nèi)壁膨脹變形擠壓強(qiáng)力彈簧6,以此形成對(duì)刀桿結(jié)構(gòu) 的夾緊和固定。液壓油脂13的壓強(qiáng)通過(guò)液壓計(jì)8來(lái)指示，根據(jù)切削力的不同，選擇適合的 液壓油脂壓強(qiáng)。
[0023] 強(qiáng)力彈簧6由若干個(gè)薄壁零部件組成，在若干個(gè)薄壁零部件之間形成薄壁零部件 裝配結(jié)合面11。通過(guò)調(diào)節(jié)液壓緊固件7的內(nèi)壁膨脹形變，調(diào)節(jié)薄壁零部件裝配結(jié)合面11上 的靜態(tài)剛度和減震系數(shù)。傳統(tǒng)強(qiáng)力彈簧是一個(gè)整體結(jié)構(gòu)零部件，而本發(fā)明專(zhuān)利將薄壁零部 件裝配結(jié)合面11上，可調(diào)節(jié)靜態(tài)剛度和減震系數(shù)的功能，設(shè)計(jì)進(jìn)強(qiáng)力彈簧的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
[0024] 刀桿由一個(gè)序列的剛性刀桿連接件5和固定螺栓3組成，剛性刀桿連接件5和固 定螺栓3,裝配形成刀桿連接單元10。在刀桿的懸臂端，通過(guò)緊固螺栓3固定刀頭2。刀片 1固定在刀頭2上。根據(jù)切削力的不同，通過(guò)調(diào)節(jié)固定螺栓3上的扭矩，調(diào)節(jié)剛性刀桿連接 件5之間的裝配結(jié)合面12上的靜態(tài)剛度和減震系數(shù)。傳統(tǒng)刀桿在結(jié)構(gòu)上是一個(gè)整體，而本 發(fā)明將刀桿分為若干個(gè)剛性刀桿連接件5,通過(guò)若干個(gè)固定螺栓3組裝起來(lái)，使裝配結(jié)合面 12上，靜態(tài)剛度和減震系數(shù)可通過(guò)結(jié)合面上正向壓力調(diào)節(jié)的功能設(shè)計(jì)入刀桿結(jié)構(gòu)。
[0025] 當(dāng)具有周期性的切削力作用在刀片1上時(shí)，振動(dòng)能量通過(guò)振動(dòng)波的方式在刀桿結(jié) 構(gòu)中進(jìn)行傳遞。當(dāng)振動(dòng)波通過(guò)傳遞和反射而產(chǎn)生疊加，會(huì)形成刀桿結(jié)構(gòu)的振動(dòng)模態(tài)。而振 動(dòng)波在傳遞和反射的過(guò)程中，在刀桿結(jié)構(gòu)上裝配結(jié)合面12,薄壁零部件裝配結(jié)合面11，以 及其他裝配結(jié)合面上，通過(guò)相互運(yùn)動(dòng)摩擦的方式產(chǎn)生振動(dòng)能量損耗，從而形成減震功能。通 過(guò)調(diào)節(jié)各個(gè)結(jié)合面上的正向壓力，可對(duì)整體刀具結(jié)構(gòu)的靜態(tài)剛度和減震系數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn) 而調(diào)節(jié)整體刀具結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)剛度以及振動(dòng)模態(tài)頻率。
[0026] 如圖5所示，理論上，存在一個(gè)結(jié)合面上壓力的最佳值，可通過(guò)在結(jié)合面上施加此 壓力Fn(I)獲得最佳的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)剛度。然而，實(shí)際使用中，要求刀桿，強(qiáng)力彈簧6,以及液壓 緊固件7,在切削力作用下，相對(duì)于整體機(jī)械結(jié)構(gòu)不發(fā)生宏觀位移。因此，實(shí)際使用中有一 個(gè)結(jié)合面最佳正向壓力值Fn (2)，即可保證刀具組裝部件結(jié)合面上不發(fā)生宏觀位移，又可利 用結(jié)合面上的微觀滑移，使得刀具組裝結(jié)構(gòu)獲得最優(yōu)動(dòng)態(tài)剛度。增加接合面的正向壓力會(huì) 增加接合面上的靜態(tài)摩擦力，但同時(shí)會(huì)阻止微觀摩擦現(xiàn)象的發(fā)生。本發(fā)明區(qū)別于發(fā)明專(zhuān)利 CN101918732A，本發(fā)明所描述的微觀摩擦現(xiàn)象不允許結(jié)合部位之間出現(xiàn)宏觀滑移，而發(fā)明 專(zhuān)利CN101918732A主要利用結(jié)合部件之間的宏觀滑移提供減震功能。本發(fā)明專(zhuān)利的特點(diǎn) 是利用微觀的滑動(dòng)摩擦，宏觀上，結(jié)合部件之間的相互位置是靜止的。
[0027] 刀桿通常是懸臂結(jié)構(gòu)，在振動(dòng)模態(tài)下，刀片區(qū)域產(chǎn)生最大的位移，而刀桿的夾持部 位，即強(qiáng)力彈簧6附近區(qū)域，產(chǎn)生最大的應(yīng)變，振動(dòng)應(yīng)變能量聚集在強(qiáng)力彈簧6附近區(qū)域。通 過(guò)降低刀桿結(jié)構(gòu)裝配結(jié)合面12上的靜態(tài)剛度，可提高結(jié)構(gòu)的減震系數(shù)，同時(shí)也降低了振動(dòng) 模態(tài)頻率。如在圖6中，柔度頻率響應(yīng)函數(shù)14,因?yàn)樵诘稐U結(jié)構(gòu)上的裝配結(jié)合面12以及薄 壁零部件裝配結(jié)合面11上使用了較高的結(jié)合面正向壓力，有最高的振動(dòng)模態(tài)頻率