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基于擠壓工作模式的半主動車削顫振磁流變減振裝置.pdf

摘要
申請專利號:

CN201510741659.7

申請日:

2015.11.04

公開號:

CN105240443A

公開日:

2016.01.13

當前法律狀態:

實審

有效性:

審中

法律詳情: 實質審查的生效IPC(主分類):F16F 9/53申請日:20151104|||公開
IPC分類號: F16F9/53; B23B25/00 主分類號: F16F9/53
申請人: 上海理工大學
發明人: 張永亮; 姜坤; 張瑋; 陳國峰; 潘健健
地址: 200093上海市楊浦區軍工路516號
優先權:
專利代理機構: 上海申匯專利代理有限公司31001 代理人: 吳寶根; 王晶
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510741659.7

授權公告號:

|||

法律狀態公告日:

2016.02.10|||2016.01.13

法律狀態類型:

實質審查的生效|||公開

摘要

本發明涉及一種基于擠壓工作模式的半主動車削顫振磁流變減振裝置,由固定磁極組件和振動磁極組件組成,固定磁極組件中的端蓋與箱體之間固定連接,兩個固定磁極板分別與端蓋和箱體內側的圓柱孔過盈配合連接,振動磁極組件中的芯軸與自制車刀經莫氏圓錐配合連接,端蓋和箱體間的空間內注入磁流變液,兩圓盤狀鐵芯置于端蓋和箱體間的空間內,并與芯軸過盈配合連接,圓盤狀鐵芯外圓的骨架上纏繞有勵磁線圈。利用磁流變液在外加磁場下響應快、液固轉化時能夠提供不同阻尼力的特性,實現對車床刀架系統動力參數(阻尼、剛度等)的在線連續實時調控,該減振裝置安裝在車床溜板箱上,調整方便,能夠有效的抑制外圓車削中的顫振。

權利要求書

權利要求書
1.  一種基于擠壓工作模式的半主動車削顫振磁流變減振裝置,由與車床溜板箱(19)固定連接的固定磁極組件和與自制車刀(18)過盈連接的振動磁極組件組成,其特征在于:所述固定磁極組件包括端蓋(12)、箱體(14)、固定磁極板(15),端蓋(12)與箱體(14)之間固定連接,并且中間具有放置固定磁極組件和振動磁極組件的空間,兩個固定磁極板(15)分別與端蓋(12)和箱體(14)內側的圓柱孔過盈配合連接,所述振動磁極組件包括兩個圓盤狀鐵芯(9)、骨架(10)、芯軸(7)、自制車刀(18),芯軸(7)前端通過莫氏圓錐與自制車刀(18)配合連接,自制車刀(18)固定在方刀架(17)上,端蓋(12)和箱體(14)的空間內注入磁流變液,兩圓盤狀鐵芯(9)置于端蓋(12)和箱體(14)之間的空間內,并與芯軸(7)過盈配合連接,圓盤狀鐵芯(9)外圓的骨架(10)上纏繞有勵磁線圈(11)。

2.  根據權利要求1所述的基于擠壓工作模式的半主動車削顫振磁流變減振裝置,其特征在于:當改變背吃刀量時,所述箱體(14)通過外六角螺釘(20)與方刀架(17)連接,使整個裝置在調整過程中能同步移動,以保證磁極間隙的不變;當調刀結束后,所述固定磁極組件與方刀架(17)分離,由移動壓板(4)壓在箱體(14)的凸緣上將固定磁極組件固定在溜板箱(19)上,使固定磁極板(15)在切削振動中不隨刀具一起振動。

3.  根據權利要求1所述的基于擠壓工作模式的半主動車削顫振磁流變減振裝置,其特征在于:所述箱體(14)的底面加工出與溜板箱(19)上導軌相匹配的燕尾槽,用于在改變背吃刀量時,為箱體(14)在沿溜板箱(19)上移動導向,保證固定磁極組件在溜板箱(19)上更加平穩、順利地移動。

4.  根據權利要求1所述的基于擠壓工作模式的半主動車削顫振磁流變減振裝置,其特征在于:所述圓盤狀鐵芯(9)和固定磁極板(15)均為圓環形,端蓋(12)與箱體(14)為長方體,固定磁極板(15)與端蓋(12)和箱體(14)上的孔過盈配合,并與圓盤狀鐵芯(9)形成一對磁極間隙,箱體(14)上部加工出圓柱形孔,用于注入磁流變液和測量磁極間隙。

5.  根據權利要求1所述的基于擠壓工作模式的半主動車削顫振磁流變減振裝置,其特征在于:所述圓盤狀鐵芯(9)、固定磁極板(15)均為軟鐵磁性材料,所述端蓋(12)、箱體(14)、芯軸(7)均為非導磁材料。

6.  根據權利要求1所述的基于擠壓工作模式的半主動車削顫振磁流變減振裝置,其特征在于:所述固定磁極組件通過移動壓板(4)和支撐釘(3)與溜板箱(19)固定連接,其中,支撐釘(3)的高度可以微調,用于確保固定磁極組件能夠被可靠地壓緊在溜板箱(19)上。

7.  根據權利要求1所述的基于擠壓工作模式的半主動車削顫振磁流變減振裝置,其特征在于:所述芯軸(7)尾部位置安裝加速度傳感器,用于對外圓車削過程中產生的切削顫振信號進行有效監測。

8.  根據權利要求1所述的基于擠壓工作模式的半主動車削顫振磁流變減振裝置,其特征在于:所述固定磁極組件通過箱體(14)的連接座耳結構與方刀架(17)連接,使固定磁極組件在調整背吃刀量時,可在方刀架(17)的帶動下,隨振動磁極組件一起在橫向進給方向同步移動。

說明書

說明書基于擠壓工作模式的半主動車削顫振磁流變減振裝置
技術領域
本發明涉及一種車削加工過程中的減振裝置,尤其是一種基于擠壓工作模式的半主動車削顫振磁流變減振裝置。
背景技術
盡管金屬切削技術有了許多的進步,但加工精度和加工效率仍然受困于切削過程的不穩定現象,即通常所說的顫振。為保證必要的零件加工質量,有時不得不降低切削用量,致使機床和刀具的切削性能得不到充分發揮,嚴重地限制了切削效率和零件加工質量的提高。目前,隨著CNC機床、加工中心和高速切削等高效、高精設備和技術的日益普及,發展切削顫振的控制技術已變得越來越迫切。
有關切削顫振控制技術的研究,國內外學者已經開展了大量的工作。歸納起來,主要的控制方法包括被動、主動和半主動控制三種。其中,被動控制是通過離線增加切削系統剛度、阻尼或者附加被動動力吸振器吸收振動能量來抑制顫振的方法。主動控制是指在振動控制過程中,根據傳感器檢測到的振動信號,基于一定的控制策略,經過實時計算,通過驅動作動器對控制目標施加一定的影響,達到抑制或消除振動的目的。半主動控制是一種振動系統的參數控制技術,其所需外部能源少,控制過程依賴于結構反應和外部信號,可獲得較好的控制效果。半主動控制綜合了主動控制與被動控制的優點,更加經濟,可靠,所需的維護成本更低。近年來,隨著壓電陶瓷、形狀記憶合金、電流變液、磁流變液等智能材料的蓬勃發展,一些學者把它們引入到振動控制的方法中來,并取得了很好的效果。
然而,切削過程中的顫振發展得非常迅速,從穩定切削到顫振的過渡時間一般小于800ms,要想在如此短的時間內主動地使切削系統機械結構動態特性發生一定程度的改變是非常困難的,主要原因在于控制系統總的響應時間包括傳感器信號傳輸、控制系統信號處理以及機械結構對控制信號的響應時間三部分,只有當總響應時間小于顫振的過渡時間時,才能對顫振實施有效的控制。而響應快、阻尼或剛度變化顯著的材料可顯著縮短機械結構對控制信號的響應時間,從而成為有效的控制執行介質,磁流變液在眾多的智能材料中更能適應上述要求。它在外加磁場的作用下可在瞬間(毫秒級)使其粘度、塑性等流變特性發生急劇的變化,從自由流動的液體轉變為類固體,呈現可控的屈服強度,而且這種變化是可逆的。在磁流變液的應用器件中,大多數都是基于剪切模式設計的,但磁流變液的剪切屈服應力一直徘徊在100kPa以下,這大大限制了其工程應用,而在同樣的外場作用下,擠壓模式的減振器與剪切模式相比可以獲得更高的屈服應力和更小的體積,因此近年來人們逐漸開始將研究重點轉向磁流變液的擠壓模式上。Laun等人對在強磁場(1T)下磁流變液的擠壓特性進行了實驗研究,得到磁流變液的抗壓力與磁感應強度成正比。浙江師范大學的王鴻云等人對磁流變液在不同磁場作用下的擠壓力學性能進行了研究,擠壓實驗表明,磁感應強度的增大會使擠壓應力和壓縮彈性模量增強。浙江大學研制了一種磁流變智能鏜桿,它通過改變鏜桿中的磁場強度來改變整個鏜桿的動態特性,經試驗該裝置可在一定程度上抑制鏜削顫振,該裝置的工作原理屬于剪切-擠壓混合模式,結構較復雜,不便于加工過程中的調整。哈爾濱工業大學的李明章等人在常規的磁流變液中添加泡沫金屬,研制了筒體結構泡沫金屬阻尼器,這種磁流體——泡沫金屬阻尼器可適用于高、低頻振動的控制,但其缺點是所能提供的可控阻尼力較常規磁流變阻尼器要小,一般用于電機基座的振動控制,能否用于切削加工顫振的控制還有待進一步研究。
綜上所述,本發明在磁流變液擠壓工作模式的基礎上,針對軸類零件外圓車削加工工況,研制了一種磁流變車削顫振減振裝置,該裝置能夠有效的抑制外圓車削中的顫振,對于提高零件的加工質量和生產效率、延長刀具使用壽命具有一定的應用價值。
發明內容
本發明的主要目的是為解決長徑比大的軸類零件在進行外圓車削時發生的切削顫振問題,而提供的一種基于擠壓工作模式的半主動控制車削顫振磁流變減振裝置。利用磁流變液在外加磁場下響應快、液固轉化時能夠提供不同阻尼力的特性,實現對車床刀架系統動力參數(阻尼、剛度等)的在線連續實時調控。該減振裝置安裝在車床溜板箱上,調整方便,能夠有效的抑制外圓車削中的顫振。
本發明是通過以下技術方案實現的:
一種基于擠壓工作模式的半主動車削顫振磁流變減振裝置,由與車床溜板箱固定連接的固定磁極組件和與自制車刀過盈連接的振動磁極組件組成,所述固定磁極組件包括端蓋、箱體、固定磁極板,端蓋與箱體之間固定連接,并且中間具有放置固定磁極組件和振動磁極組件的空間,兩個固定磁極板分別與端蓋和箱體內側的圓柱孔過盈配合連接,所述振動磁極組件包括兩個圓盤狀鐵芯、骨架、芯軸、自制車刀,芯軸前端通過莫氏圓錐與自制車刀配合連接,自制車刀固定在方刀架上,端蓋和箱體的空間內注入磁流變液,兩圓盤狀鐵芯置于端蓋和箱體之間的空間內,并與芯軸過盈配合連接,圓盤狀鐵芯外圓的骨架上纏繞有勵磁線圈。
當改變背吃刀量時,所述箱體通過外六角螺釘與方刀架連接,使整個裝置在調整過程中能同步移動,以保證磁極間隙的不變;當調刀結束后,所述固定磁極組件與方刀架分離,由移動壓板壓在箱體的凸緣上將固定磁極組件固定在溜板箱上,使固定磁極板在切削振動中不隨刀具一起振動。
所述箱體的底面加工出與溜板箱上導軌相匹配的燕尾槽,用于在改變背吃刀量時,為箱體沿溜板箱的移動導向,保證固定磁極組件在溜板箱上更加平穩、順利地移動。
所述圓盤狀鐵芯和固定磁極板均為圓環形,端蓋與箱體為長方體,固定磁極板與端蓋和箱體上的孔過盈配合,并與圓盤狀鐵芯形成一對磁極間隙,箱體上部加工出圓柱形孔,用于注入磁流變液和測量磁極間隙。
所述圓盤狀鐵芯、固定磁極板均為軟鐵磁性材料,所述端蓋、箱體、芯軸均為非導磁材料。
所述固定磁極組件通過移動壓板和支撐釘與溜板箱固定連接,其中,支撐釘的高度可以微調,用于確保固定磁極組件能夠被可靠地壓緊在溜板箱上。
所述芯軸尾部位置安裝加速度傳感器,用于對外圓車削過程中產生的切削顫振信號進行有效監測。
所述固定磁極組件通過箱體的連接座耳結構與方刀架連接,使固定磁極組件在調整背吃刀量時,可在方刀架的帶動下,隨振動磁極組件一起在橫向進給方向同步移動。
本發明具有的有益之處在于:
1、本發明提供了一種基于擠壓工作模式的半主動車削顫振磁流變減振裝置。該裝置利用磁流變液在外加磁場作用下響應快、液固之間轉化時能夠提供不同阻尼力的特性,根據系統采集的數據,實現對車床刀架動力參數(阻尼、剛度等)的在線實時調控。
2、本發明利用磁流變液的擠壓工作模式,在相同磁感應強度下能夠產生更大的屈服強度,從而可以更有效的抑制車削中的顫振。
3、本發明所采用的芯軸、端蓋、箱體均為非導磁材料制造,減少了漏磁現象的發生,保證裝置內部的磁場能夠形成較大的磁通,提高了磁流變液的工作效率。
4、本發明通過箱體上的連接座耳結構,使固定磁極組件在調整背吃刀量時,可在方刀架的帶動下,隨振動磁極組件一起在橫向進給方向同步移動,既保證了磁極工作間隙恒定不變,又便于車刀的調整。
5、本發明通過箱體底部的燕尾槽結構導向,有利于固定磁極組件在方刀架的帶動下沿溜板箱上的導軌順利移動。
6、本發明利用莫氏圓錐實現自制車刀與芯軸的緊固連接,保證了兩者的對中性。
7、本發明中移動壓板左側支撐釘高度可微調,確保移動壓板能夠更穩定的壓緊固定磁極組件。
附圖說明
圖1是基于擠壓工作模式的半主動車削顫振磁流變減振裝置結構主剖視圖;
圖2是圖1的俯視圖;
圖3是圖1的左視圖。
具體實施方式
下面結合附圖與實施例對本發明作進一步的說明。
如圖1至圖3所示,一種基于擠壓工作模式的半主動車削顫振磁流變減振裝置,由與溜板箱19固定連接的固定磁極組件和與自制車刀18固定連接的振動磁極組件兩大部分組成。它包括六角頭螺釘1、支撐板2、支撐釘3、移動壓板4、螺母5、雙頭螺柱6、芯軸7、定位軸套8、圓盤狀鐵芯9、骨架10、勵磁線圈11、端蓋12、橡膠塞13、箱體14、固定磁極板15、定位元件16、自制車刀18、外六角螺釘20、內六角螺釘21。圓盤狀鐵芯9、固定磁極板15均為軟鐵磁性材料,端蓋12、箱體14、芯軸7均為非導磁材料。
振動磁極組件包括兩個圓盤狀鐵芯9、定位軸套8、骨架10、芯軸7和自制車刀18。兩圓盤狀鐵芯9通過過盈配合裝在芯軸7上,其中右側圓盤狀鐵芯以芯軸7軸肩A面定位,而左側圓盤狀鐵芯則由定位軸套8實現軸向定位。兩個圓盤狀鐵芯9外圓的骨架10上纏繞有勵磁線圈11,芯軸7通過莫氏圓錐與自制車刀18實現配合連接,自制車刀18固定在方刀架17上。芯軸7尾部位置安裝加速度傳感器,用于對外圓車削過程中產生的切削顫振信號進行有效監測。
固定磁極組件主要是由端蓋12、箱體14、2個固定磁極板15等組成,端蓋12通過其上的圓柱凸臺和端面與箱體14定位,并由內六角螺釘21固定連接。端蓋12與箱體14間具有放置固定磁極組件和振動磁極組件的空間,磁流變液亦注入該空間。兩個固定磁極板15分別與端蓋12和箱體14內側的圓柱孔過盈配合連接并與兩個圓盤狀鐵芯9形成兩對磁極。
圖1中勵磁線圈11周圍的封閉回線上的箭頭表示的是圓盤狀鐵芯9與固定磁極板15形成的磁極間隙處磁力線的走向,磁流變液在該磁場下將形成垂直于圓盤狀鐵芯9和固定磁極板15端面的鏈柱狀結構,自制車刀18的軸向振動將帶動圓盤狀鐵芯9擠壓該鏈柱狀結構,故本發明涉及的車削顫振磁流變減振裝置是在磁流變液的擠壓模式下工作的。
為了方便調整背吃刀量和磁極間隙以簡化車削操作,本發明在改變背吃刀量時,首先將移動壓板4上面的螺母5松開,再擰緊外六角螺釘20,使固定磁極組件通過箱體14的連接座耳結構與方刀架17連接。由此,在調刀的過程中,方刀架17既通過自制車刀18帶動振動磁極組件移動,同時固定磁極組件在箱體14連接座耳的作用下也將隨方刀架17同步移動,這樣使固定磁極板15與圓盤狀鐵芯9之間的工作間隙始終保持在1.5±0.1mm的設計范圍內,節省了磁極間隙的調整時間,便于切削加工。
為保證固定磁極組件能順利地與方刀架17同步移動,在箱體14的底部加工出導向用的燕尾槽與溜板箱19上的導軌相匹配。調刀結束以后,松開外六角螺釘20,使固定磁極組件與方刀架17分離,避免固定磁極組件在切削振動發生時隨自制車刀18及振動磁極組件一起振動。由于移動壓板4上加工有長條形的孔和槽,此時可將移動壓板4在長度方向上的位置進行調整,確保足夠的夾緊力作用面后,擰緊移動壓板4上面的螺母5壓緊箱體的凸緣,使固定磁極組件穩定可靠地固定在溜板箱19上。
本發明由移動壓板夾緊機構將固定磁極組件緊固在車床溜板箱19上。夾緊機構包括支撐板2、支撐釘3、移動壓板4、螺母5和雙頭螺柱6等。支撐板2由六角頭螺釘1固定在溜板箱19的側面,在支撐板2上部安裝有支撐釘3,支撐釘3可以微調其支撐高度,確保移動壓板4能夠更可靠地壓緊固定磁極組件。移動壓板4的右端壓在箱體的凸緣上,通過擰緊雙頭螺柱6上的螺母5,可以使移動壓板4克服彈簧力向下移動,將固定磁極組件壓緊在溜板箱19上。
本發明的裝配順序依次為:首先將固定磁極板15分別與端蓋12和箱體14以過盈配合連接,將箱體14通過底部燕尾槽導軌裝在溜板箱19上,然后將芯軸7穿入箱體孔中,在圓盤狀鐵芯9的骨架10上纏繞好勵磁線圈11后,將右側的圓盤狀鐵芯9在軸向以芯軸7的軸肩A面定位、徑向與芯軸7過盈配合連接在芯軸7上,接著,按間隙配合和過盈配合依次裝入定位軸套8和左側的圓盤狀鐵芯9,通過莫氏圓錐將芯軸7與自制車刀18連接,從而完成振動磁極組件的裝配。下一步,將端蓋12通過圓柱凸臺和端面C定位裝入箱體14中,并用內六角螺釘21將兩者緊固。當背吃刀量和磁極間隙調整好后,用移動壓板夾緊機構將箱體14固定在溜板箱19上。
為保證固定磁極板15與圓盤狀鐵芯9之間的間隙均在1.5±0.1mm的設計范圍內,本發明采取如下措施:在裝配環節中,振動磁極組件以芯軸7上的軸肩A面為軸向基準,按上述裝配順序依次裝好各零件后,在芯軸7上安裝定位元件16,然后以定位元件16的左端面為軸向安裝基準,定位箱體14的右端面和芯軸7上的軸肩B面,使兩基準面重合。在壓緊固定磁極組件,完成最終的裝配后,將定位元件16卸下。此外,在零件加工精度的設計中,對各相關零件尺寸公差、幾何公差及尺寸鏈進行的精確設計和求解計算,都是保證該磁流變減振裝置中重要的性能參數——磁極間隙1.5±0.1mm符合設計要求的主要措施。
本發明中,箱體14上部開有圓柱形孔,可在安裝時用于磁極間隙的調整和測量,并可通過此孔注入磁流變液,安裝完成后用橡膠塞13密封此孔,勵磁線圈11的導線可通過橡膠塞13上的小孔引出。
本發明是基于擠壓工作模式的半主動車削顫振磁流變減振裝置,其工作原理為:磁流變液的磁極工作間隙位于圓盤狀鐵芯9和固定磁極板15之間的軸向間隙內。在外圓車削加工的過程中,自制車刀18的振動會通過芯軸7直接傳遞給圓盤狀鐵芯9,使圓盤狀鐵芯9隨自制車刀18同步振動,而固定磁極組件則在移動壓板夾緊機構的作用下固定在車床溜板箱19上,因此,固定在其上的固定磁極板15也被看作是固定不動的。由此,在車削振動過程中,固定磁極板15與圓盤狀鐵芯9之間就產生了軸向的相對往復運動,這種運動擠壓磁極間隙處沿圖1所示箭頭方向形成的鏈柱狀磁流變液,從而產生磁流變效應。根據切削顫振信號處理結果,通過調節圓盤狀鐵芯9上勵磁線圈11中電流的大小,改變成鏈柱狀磁流變液的擠壓屈服強度,使該裝置的阻尼、剛度等動態特性參數發生改變,進而達到車削減振的目的。

關 鍵 詞:
基于 擠壓 工作 模式 主動 車削 顫振磁 流變 裝置
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