CN115055987B - 一种自主型减振刀杆 - Google Patents

Abstract

本申请属于机械加工技术领域，公开了一种自主型减振刀杆，其包括用于安装刀头的安装座、刀杆以及用于缓解加工过程中刀杆振动的减振模块，所述安装座与所述刀杆可拆卸连接；所述刀杆设置有用于容纳所述减振模块的腔体，所述减振模块位于所述腔体内且与所述刀杆转动配合，所述减振模块包括质量件和转动件，所述质量件与所述转动件转动连接，所述转动件与所述腔体内壁抵压并滚动配合。本申请具有使得大部分振动的能量转化为减振模块的动能，进行旋转耗能，从而起到吸收振动能量使得刀杆振动振幅大大减小的效果。

Description

一种自主型减振刀杆

技术领域

本申请属于机械加工技术领域，涉及一种自主型减振刀杆。

背景技术

随着智能制造的发展，制造业不断转型升级，一些超长零件的精密制造成为制约高端装备发展的工艺瓶颈之一。在超长零件的加工过程中，长悬伸的刀具因其刚性引发刀具产生振动的问题，加工过程中的振动会使得刀具的切削力发生变化，从而影响工件加工表面质量以及刀具的使用寿命，这直接影响生产成本及加工效率。

在刀具使用过程中，传统减振措施一般是调节数控机床的参数和工人通过日积月累的经验进行控制的，但当刀杆较长时，传统减振措施的能力将大大降低。已公开专利CN201811497890.6公开了一种抗振刀杆，包括刀头和杆体，刀头和杆体内部形成腔体，腔体的内部设有上减振块、下减振块、若干个上蝶形弹簧、压缩弹簧和若干个下蝶形弹簧，若干个上蝶形弹簧层叠套设在上减振块的上端的上限位柱上、且位于上减振块的第一柱部的上端面与腔体的顶壁之间，若干个下蝶形弹簧层叠套设在下减振块的下端的下限位柱上、且位于下减振块的第二柱部的下端面与腔体的底壁之间，压缩弹簧设置在上减振块的第一柱部与下减振块的第二柱部之间，且压缩弹簧的上部套设在上减振块的下部的限位凸台上，压缩弹簧的下部套设在下减振块的上部的伸缩套上，上减振块的下部的伸缩杆活动设置在伸缩套内。在抗振刀杆工作时，刀杆产生的振动经过若干个上蝶形弹簧和若干个下蝶形弹簧传递到上减振块和下减振块上，上减振块和下减振块也随之产生振动，若干个上蝶形弹簧、若干个下蝶形弹簧和压缩弹簧产生弹性形变，能够有效地抵消振动，减轻刀杆的振动幅度。

针对上述相关技术手段，存在有内部减振机械结构复杂，装配及维护困难的缺陷。

发明内容

为了改善内部减振机械结构复杂，装配及维护困难的缺陷，本申请提供一种自主型减振刀杆。

本申请提供的一种自主型减振刀杆采用如下的技术方案：

一种自主型减振刀杆，包括：

安装座，用于安装刀头；

刀杆，安装于外设的机床，所述安装座与所述刀杆可拆卸连接；

减振模块，用于缓解加工过程中刀杆的振动；所述刀杆设置有用于容纳所述减振模块的腔体，所述减振模块位于所述腔体内且与所述刀杆转动配合，所述减振模块包括质量件和转动件，所述质量件与所述转动件转动连接，所述转动件与所述腔体内壁抵压并滚动配合。

通过采用上述技术方案，刀具切削工件时，刀头会产生振动，振动所产生的能量通过安装座传递给刀杆，再由刀杆传递到腔体内的减振模块，

转动件相对于腔体内壁滚动，带动质量件在腔体内自主进行转动，使得大部分振动的能量转化为减振模块的动能，进行旋转耗能，从而起到吸收振动能量使得刀杆振动振幅大大减小。相比于现有技术，本申请仅需将减振模块安装于腔体内，即可实现刀杆的减振效果，减振模块的结构简单且装配维护方便。

可选的，所述腔体呈圆球形。

通过采用上述技术方案，刀具在切削过程中，切削方向会在开始和切削过程中有不同方向的变化，因此产生的振动方向也会随之而变，根据振动方向的不同，转动件与腔体的接触位置也会随之改变，转动件带动质量件运动从而产生不同方向的旋转轨迹，不易使刀杆产生多个方向的振动扭力，提升刀杆的可靠性和稳定性。

可选的，所述转动件为转轮，所述转轮设置有两个，两个转轮分别位于所述质量件的两端，所述转轮的周壁与所述腔体内壁抵压并滚动配合。

通过采用上述技术方案，刀杆振动时将振动能量传递给转轮，根据振动的能量及方向，两个转轮在腔体的内壁进行转动，从而带动质量件在空腔内进行转动，将大部分振动的能量转化为驱动质量块运动的动能，达到减振的效果。

可选的，所述转动件为滚球，所述滚球设置有两个，两个滚球分别位于所述质量件的两端且与所述质量件球铰接，所述滚球的周壁与所述腔体内壁抵压并滚动配合。

通过采用上述技术方案，刀具在切削方向产生变化时，滚球与腔体内壁的接触点也会产生变化，滚球的圆弧面与腔体的圆弧形内壁配合，减少了减振模块在腔体内转动受到的阻力，提高了振动能量转化为驱动质量块运动动能的转化率。

可选的，所述刀杆包括用于安装安装座的刀杆本体和拆装部，所述刀杆本体与所述拆装部可拆卸连接，所述腔体由所述刀杆本体设置的半个空腔和所述拆装部设置的半个空腔组成。

通过采用上述技术方案，刀杆本体与拆装部可拆卸连接，使得减振模块的安装及维护操作更加便捷。

可选的，所述刀杆本体的横截面呈半圆形，所述拆装部的横截面呈“凸”字形。

通过采用上述技术方案，根据数控机床的刀杆夹具类型，可以选用呈半圆形的刀杆本体或呈“凸”字形的拆装部的端面与夹具相适配，使得减振刀杆可以适用多种数控机床刀杆夹具类型，如圆筒型夹具、上下挤压型夹具等。

可选的，所述安装座设置有安装槽，刀头位于所述安装槽内通过螺栓与所述安装座可拆卸连接。

通过采用上述技术方案，通过螺栓安装刀头，在刀头产生损坏的时候，便于对刀头单独进行更换，降低了整体更换所产生的高成本，同时提高了刀头的安装稳定性。

可选的，所述安装座和所述刀杆表面均设置有用于散热的导热涂层。

通过采用上述技术方案，导热涂层能够对安装座和减振刀杆在切削工作中产生的热量进行传导，相比没有导热涂料的刀杆，温度可降低45％，使得刀杆和刀具的使用时长大大增加，同时也可以降低减振模块的温度，在减振模块高速转动的同时，将温度控制到一定的范围内，使减振模块吸振的性能能够长时间维持在一个良好的状态。

可选的，所述导热涂层由导热涂料涂刷，导热涂料由AIN与AL₂0₃按照1:1.25比例混合制成。

通过采用上述技术方案，使得刀杆导热性能得到极大提升，提高了刀杆的稳定性和使用寿命。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1.刀具切削工件时，刀头会产生振动，振动所产生的能量通过安装座传递给刀杆，再由刀杆传递到腔体内的减振模块，转动件相对于腔体内壁滚动，带动质量件在腔体内自主进行转动，使得大部分振动的能量转化为减振模块的动能，进行旋转耗能，从而起到吸收振动能量使得刀杆振幅大大减小，且减振模块的结构简单且装配维护方便。

2.刀具在切削过程中，切削方向会在开始和切削过程中有不同方向的变化，因此产生的振动方向也会随之而变，根据振动方向的不同，转动件与腔体的接触位置也会随之改变，转动件带动质量件运动从而产生不同方向的旋转轨迹，不易使刀杆产生多个方向的振动扭力，提升刀杆的可靠性和稳定性。

3.刀杆本体与拆装部可拆卸连接，使得减振模块的安装及维护操作更加便捷，根据数控机床的刀杆夹具类型，可以选用呈半圆形的刀杆本体或呈“凸”字形的拆装部的端面与夹具相适配，使得减振刀杆可以适用多种数控机床刀杆夹具类型，如圆筒型夹具、上下挤压型夹具等。

附图说明

图1是本申请实施例1的整体结构示意图；

图2是本申请实施例1的爆炸图；

图3是本申请实施例1凸显减振模块的结构示意图；

图4是本申请增设减振模块与无减振模块的曲线图；

图5是本申请实施例2凸显减振模块的结构示意图。

附图标记说明：

1、安装座；11、安装槽；2、刀杆；21、腔体；22、刀杆本体；23、拆装部；231、安装孔；3、减振模块；31、质量件；32、转动件。

具体实施方式

以下结合附图1-5对本申请作进一步详细说明。

本申请实施例公开一种自主型减振刀杆。

实施例1：

参照图1，一种自主型减振刀杆包括安装座1、刀杆2以及减振模块3。安装座1用于安装刀头，刀杆2安装于外设的机床，减振模块3用于缓解加工过程中刀杆2的振动，安装座1与刀杆2可拆卸连接，减振模块3安装于刀杆2内。

安装座1位于刀杆2的一端，安装座1设置有用于适配刀头的安装槽11，刀头位于安装槽11内，刀头通过螺栓与安装座1可拆卸连接。在本实施例中，安装座1与刀杆2通过螺栓可拆卸连接。一方面在刀头或安装座1出现损坏时，便于对刀头或安装座1进行单独的更换，减低了整体更换所产生的高成本。

参照图2，刀杆2包括用于安装安装座1的刀杆本体22和拆装部23，刀杆本体22与拆装部23可拆卸连接，刀杆本体22朝向其中一个转动件32的端面呈半圆形，拆装部23远离的其中一个转动件32的端面呈“凸”字形。在本实施例中，拆装部23设置有供螺栓穿过的安装孔231，刀杆本体22和拆装部23通过螺栓可拆卸连接。根据数控机床的刀杆夹具类型，可以选用呈半圆形的刀杆本体22或呈“凸”字形的拆装部23的端面与夹具相适配，使得减振刀杆可以适用多种数控机床刀杆夹具类型，如圆筒型夹具、上下挤压型夹具等。

刀杆2设置有用于容纳减振模块3的腔体21，减振模块3位于腔体21内且与刀杆2转动配合，腔体21呈圆球形。在本实施例中，腔体21位于刀杆2靠近安装座1的一端，便于对振动能量更有效的转换。腔体21由刀杆本体22设置的半个圆形空腔和拆装部23设置的半个圆形空腔组成，在刀杆本体22和拆装部23安装后，形成完整的腔体21。安装减振模块3仅需将刀杆本体22和拆装部23拆开，将减振模块3安装进腔体21内，使得减振模块3的安装及维护操作更加便捷。

参照图3，减振模块3包括质量件31和转动件32，质量件31与转动件32转动连接，转动件32与腔体21内壁抵压并滚动配合。在本实施例中，转动件32为转轮，转轮设置有两个，转轮呈圆饼状设置，质量件31呈椭圆状设置，质量件31设置有用于避让转轮的避让槽，转轮通过转动轴穿设转轮的中心点与质量件31转动连接，两个转动件32分别位于质量件31的长轴两端，两个转轮的周壁分别与腔体21内壁抵压并滚动配合。

切削加工时，刀头产生振动，振动所产生的能量通过安装座1传递给刀杆2，刀杆2开始出现摆动，刀杆2将振动能量传递到腔体21内的减振模块3，两个转轮相对于腔体21内壁滚动，两个转轮滚动从而带动质量件31在空腔内进行转动。在这个过程中，减振模块3靠近刀头的一端比减震模块3远离刀头的一端进行上下摆动的运动的幅度大，减振模块3开始在腔体21内产生转动。

在本实施例中，当质量件32的长轴与刀杆的轴线相互垂直时，质量件32距离其中一个转动件31的一端为参考点，腔体21的最低端为A点，腔体21的最高端为B点，根据减振刀杆中减振模块3和腔体21的结构，可计算质量件31从A点运动到B点所需要的力F。计算模型如下：

质量件的体积：

重力势能：

初速度为0，即，V₁＝0m/s

向心力：

在本实施例中，质量件31选用长轴a＝0.008，短轴b＝0.004的密度均匀铁块，转动件32在实际生产中可制作的足够小，可忽略不计，π、ρ、g为常量，分别取值π＝3.14，ρ＝7.9×10³，g＝10N/kg。

故：

F＝4ρvg＝15.8N

质量件31从低位端运动到高位端所需要力F至少为16N。

当减振模块3受到的作用力大于16N时，减振模块3开始相对于腔体21开始圆周运动，根据振动的能量及方向，将大部分振动的能量转化为驱动质量块运动的动能，进行旋转耗能，从而起到吸收振动能量使得刀杆2振幅大大减小达到减振的效果，增强长悬伸刀具的稳定性。

通过车削实验模拟，分别得出有减振模块3和无减振模块3的刀杆频响函数幅值，对无减振模块3与含有减振模块3的刀杆进行模态实验对比。

本实施例中，通过abaqus软件进行加载提取刀杆的频响函数幅值。通过相关文献检索，无减振模块3的刀杆固有频率300Hz，实验输入数据为：主轴转速为1100r/min，轴向切削深度0.1mm，进给速度0.05mm/r，径向切削宽度为10mm。

参照图4，频率比是模拟加载的频率与固有频率之比。有减振模块的刀杆，到达固有频率时(也就是图4中频率比β＝1时)，有减振模块3幅值比无减振模块3的刀杆频响函数幅值小。与无减振模块3的刀杆对比，有减振模块3的刀杆在目标模态(也就是图4中频率比β＝0.8至β＝1.2的区间)被分离为幅值相等的两个峰，频响函数幅值下降75％，表明了减振模块可以很好的起到降低刀杆频响函数幅值的作用。

刀具在切削过程中，切削方向会在开始和切削过程中有不同方向的变化，因此产生的振动方向也会随之而变，根据振动方向的不同，转轮与腔体21的接触位置也会随之改变，转轮带动质量件31运动从而产生不同方向的旋转轨迹，不易使刀杆2产生多个方向的振动扭力，提升刀杆2的可靠性和稳定性。

进一步的，空腔内置有少量的润滑油。润滑油减少了转轮与腔体21内壁的摩擦力，大程度上减少减振模块3在空腔内壁的摩擦，提高刀杆主体和减振模块3的使用寿命，并且也能提高减振模块3的转动速率和时间，使振动的能量能够更快速、更有效的转化到减振模块3中。由于响应时间的缩短，使用该刀杆2配合刀具切削加工，提高被加工工件的良率率。

为了使得减振刀杆2的导热性能得到提升，从而提高了刀杆2的稳定性和使用寿命。刀杆2表面设置有用于散热的导热涂层，导热涂层由导热涂料进行涂刷，导热涂料由AIN与AL₂0₃按照1:1.25比例混合制成。导热涂层能够对减振刀杆2在切削工作中产生的热量进行传导，相比没有导热涂料的刀杆2，温度可降低45％，使得刀杆2和刀具的使用时长大大增加，同时也可以降低减振模块3的温度，在减振模块3高速转动的同时，将温度控制到一定的范围内，使减振模块3吸振的性能能够长时间维持在一个良好的状态。

实施例2：

参照图5，本实施例与实施例1的不同之处在于，在本实施例中，转动件32为滚球，滚球设置有两个，两个滚球分别位于质量件31的长轴两端且与质量件31球铰接，滚球的周壁与腔体21内壁抵压并滚动配合。刀具在切削方向产生变化时，滚球与腔体21内壁的接触点也会产生变化，滚球的圆弧面与腔体21的圆弧形内壁配合，减少了减振模块3在腔体21内转动受到的阻力，提高了振动能量转化为驱动质量块运动动能的转化率。

一种自主型减振刀杆的实施原理为：刀具切削工件时，刀头会产生振动，振动所产生的能量通过安装座1传递给刀杆2，再由刀杆2传递到腔体21内的减振模块3，转动件32在腔体21的内壁滚动，转动件32运动带动质量件31在空腔内的不同方向自主进行转动，使得刀杆2上大部分振动的能量转化为减振模块3运动的动使得刀杆2振动振幅大大减小。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，其中相同的零部件用相同的附图标记表示，需要说明的是，上面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种自主型减振刀杆，其特征在于，包括：

安装座(1)，用于安装刀头；

刀杆(2)，安装于外设的机床，所述安装座(1)与所述刀杆(2)可拆卸连接；

减振模块(3)，用于缓解加工过程中刀杆(2)的振动；所述刀杆(2)设置有用于容纳所述减振模块(3)的腔体(21)，所述减振模块(3)位于所述腔体(21)内且与所述刀杆(2)转动连接，所述减振模块(3)包括质量件(31)和转动件(32)，所述质量件(31)与所述转动件(32)转动连接，所述转动件(32)与所述腔体(21)内壁抵压并滚动配合；刀具切削工件时，刀头会产生振动，振动所产生的能量通过安装座（1）传递给刀杆（2），再由刀杆（2）传递到腔体（21）内的减振模块（3），转动件（32）在腔体（21）的内壁滚动，转动件（32）运动带动质量件（31）在空腔内的不同方向自主进行转动，使得刀杆（2）上大部分振动的能量转化为减振模块（3）运动的动使得刀杆（2）振动振幅大大减小；

所述质量件（31）呈椭圆状设置，所述腔体(21)呈圆球形。

2.根据权利要求1所述的一种自主型减振刀杆，其特征在于，所述转动件(32)为转轮，所述转轮设置有两个，两个转轮分别位于所述质量件(31)的两端，所述转轮的周壁与所述腔体(21)内壁抵压并滚动配合。

3.根据权利要求1所述的一种自主型减振刀杆，其特征在于，所述转动件(32)为滚球，所述滚球设置有两个，两个滚球分别位于所述质量件(31)的两端且与所述质量件(31)球铰接，所述滚球的周壁与所述腔体(21)内壁抵压并滚动配合。

4.根据权利要求1所述的一种自主型减振刀杆，其特征在于，所述刀杆(2)包括用于安装安装座(1)的刀杆本体(22)和拆装部(23)，所述刀杆本体(22)与所述拆装部(23)可拆卸连接。

5.根据权利要求4所述的一种自主型减振刀杆，其特征在于，所述刀杆本体(22)的横截面呈半圆形，所述拆装部(23)的横截面呈“凸”字形。

6.根据权利要求1所述的一种自主型减振刀杆，其特征在于，所述安装座(1)设置有安装槽(11)，刀头位于所述安装槽(11)内通过螺栓与所述安装座(1)可拆卸连接。

7.根据权利要求1所述的一种自主型减振刀杆，其特征在于，所述安装座(1)和所述刀杆(2)表面均设置有用于散热的导热涂层。

8.根据权利要求7所述的一种自主型减振刀杆，其特征在于，所述导热涂层由导热涂料涂刷，导热涂料由AIN与AL₂0₃按照1:1.25比例混合制成。