一种挤压式双线槽铣削刀具减振器 |
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| 申请号 | CN201610002556.3 | 申请日 | 2016-01-06 | 公开(公告)号 | CN106944866A | 公开(公告)日 | 2017-07-14 |
| 申请人 | 哈尔滨理工大学; | 发明人 | 隋秀凛; 陈彬; 葛江华; 王亚萍; 陈晓奇; 陈云壮; 廉冲; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种 挤压 式双线槽 铣削 刀具 减振器 。减振器应用 磁流变液 在电 磁场 的作用下，可在几毫秒内产生挤压作用 力 ，提高铣削刀具的固有 频率 ，避免铣削刀具剧烈振动。减振器具有：内轴套，机械密封，注液孔，布线槽，双线圈槽，夹紧轴套，芯体，励磁线圈，端盖，磁流变液。减振器芯体末端加工的注液孔，实现了磁流变液的方便加注与更换，提高了减振器加工工艺和使用效率；减振器芯体外侧面的布线槽，实现了励磁线圈引线的合理布局，避免了引线与加紧轴套和端盖的干涉问题；内轴套使得磁流变液与铣削刀具隔离开，避免了工作环境中的杂质污染磁流变液，并实现了铣削刀具的快速拆装。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种挤压式双线槽铣削刀具减振器，其特征在于：它包括内轴套（1），机械密封（2），注液孔（3），布线槽（4、7），双线圈槽（5），夹紧轴套（6），芯体（8），端盖（9），磁流变液（10）；内轴套（1）安装在芯体（8）内部形成一个密闭的空腔，通过注液孔（3）将磁流变液（10）注入空腔中，内轴套（1）两端用机械密封（2）密封；双线圈槽（5）内缠上励磁线圈，励磁线圈通过布线槽（4、7）引出；加紧轴套（6）安装在芯体（8）外部，并在加紧轴套（6）前端加端盖（10）；铣削刀具安装于内轴套（1），刀具末端用夹紧轴套（6）固定；在刀具前端装有位移传感器（11），位移传感器（11）连接控制系统（18）。 |
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| 说明书全文 | 一种挤压式双线槽铣削刀具减振器技术领域背景技术[0002] 在机械加工过程中，铣削系统因其结构刚度不足和内部激发及反馈的相互作用，工件和刀具之间常常会出现强烈的振动，特别是当刀具的长径比大于5时，切削力很小的情况下，仍然会遇到颤振的问题。这些振动不仅对加工表面粗糙度，加工精度产生不利影响，也会产生环境噪声，还会损坏刀具与机床设备。为了解决铣削振动问题，国内外许多学者做了大量研究：[1]美国学者Taylor认为切削振动是由于切屑形成过程中产生的切削力的波动频率与加工系统中某一薄弱环节的固有频率相接近引起共振激发的。[2]Hahnl提出了机床切削颤振的再生机理,他认为颤振的产生是在有波纹的表面上进行切削而由波纹再生引起的。[3]近些年来研制成的一些智能型的切削结构(简称智能刀具)对颤振有较好的抑制效果。智能刀具一般可认为是具有分布传感器和分布制动器的结构或复合结构,并可以根据切削加工条件而自行改变刀具的阻尼或刚度,以达到最佳切削状态的刀具。它可以取代传统的、笨重的机电换能设备而显示独特的优势。在实际应用中可以采用的智能材料有形状记忆合金(sMA)、压电陶瓷(PZI)、电流变(ER)、磁流变(MR)、磁置伸缩等材料,埋入的传感元件有功能型和传输型光导纤维、压电高分子材料(FvDF)、电阻式元件等。这些智能型刀具通过实时在线改变切削系统的刚度和阻尼对机床切削加工中的振动有一定的控制效果。[4]吉林大学的甘新基等采用压电陶瓷元件作为传感器和致动器实现与镗刀杆的一体化,提出了一种附加压电片的刀杆。通过调整附加在镗杆上的压电片的驱动电压来改变镗杆的刚度和阻尼,从而改变系统的动态特性,这种方法可在一定程度上抑制镗削的颤振强度。但要达到智能结构刀具的功能还有不少问题。一是压电陶瓷作为作动器需要较高的控制电压,实用中有一定的困难;二是压电陶瓷柔性差、易碎,不适用受冲击较大的场合。[5]智能刀具研究中不少采用电流变液来实现对刀具振动的控制。例如王民等在1998年应用电流变材料设计了一种智能镗杆。该镗杆可通过调节施加于电流变材料上的电场强度来改变整个镗杆的动态特性,并借以抑制切削颤振。但是由于电流变液在实际应用中需要较高的控制电压,危险系数较大,成本较高,不易实现。 [0003] 磁流变液材料被认为是功能最全面的智能材料之一。磁流变材料和电流变材料二者的性能在许多方面都很相似,但以磁流变液制成的装置具有更多的优点,如在相同的耗电功率下,液体可达到的剪切屈服应力比电液体大一个数量级。这一特点使其在产生较大的力和减振效果的前提下,用磁流变液制作的减振驱动器的体积小得多。采用磁流变液体制成的装置控制所需要的能源很低(小于50W),且其工作电压只需2~25V,从而避免了电流变体的工作电压高达几千伏而带来的危险和不便。 发明内容[0004] 为了降低铣削加工中刀具的振动，本发明的目的在于提供一种挤压式双线槽铣削刀具减振器。 [0005] 本发明未解决其技术问题采用的技术方案是：它包括内轴套，机械密封，注液孔，布线槽，双线圈槽，夹紧轴套，芯体，端盖，磁流变液；内轴套安装在芯体内部形成一个密闭的空腔，通过注液孔将磁流变液注入空腔中，内轴套两端用机械密封密封；双线圈槽内缠上励磁线圈，励磁线圈通过布线槽引出；加紧轴套安装在芯体外部，并在加紧轴套前端加端盖。铣削刀具安装于内轴套，刀具末端用夹紧轴套固定。在刀具前端装有位移传感器，位移传感器连接控制系统。注液孔配置于芯体的端部，布线槽配置于芯体的外侧面，双线圈槽配置于芯体外侧面，夹紧轴套末端有凸出结构，铣削刀具末端夹紧于此凸出结构，末端机械密封配置于夹紧轴套末端与内轴套之间，前端机械密封配置于端盖与内轴套之间，芯体为导磁材料制成。 [0006] 控制系统包括：信号调理器，模数转换器A/D，控制芯片，数模转换器D/A，功率放大器;安装于铣削刀具前端的位移传感器的输出端接入控制系统的信号调理器，信号调理器的输出端接入模数转换器A/D的输入端，模数转换器A/D的输出端接入控制芯片的输入端，控制芯片的输出端接入数模转换器D/A的输入端，数模转换器D/A的输出端接入功率放大器的输入端，功率放大器的输出端接入减振器电磁线圈的输入端。 [0007] 本发明专利的有益效果。 [0008] 该发明专利提出了一种采用磁流变液挤压式工作原理的双线圈铣削刀具减振器装置。根据磁流变液可在固、液态之间进行毫秒级的可逆变化特性，将其应用在铣削加工动态调节过程中。该减振器的双线圈槽结构所产生的电磁场强度使得磁流变液能够在极短时间内（小于10ms）输出足够大的阻尼力，来提高铣削刀具系统的刚度，从而有效的使刀具的固有频率及时避开铣削颤振频率，达到控制铣削振动的目的；在芯体末端加工注液孔，实现了磁流变液的方便加注与更换，提高了减振器加工工艺和使用效率；芯体外侧面的布线槽，实现了励磁线圈引线的合理布局，避免了引线与加紧轴套和端盖的干涉问题；内轴套使得磁流变液与铣削刀具隔离开，避免了工作环境中的杂质污染磁流变液，并实现了铣削刀具的快速拆装。该发明在促进铣削振动控制技术进步，提高铣削加工质量和加工效率、延长刀具的使用寿命、降低加工过程中噪声对人体和机床设备损害程度等方面均具有重要的应用价值。附图说明 [0009] 图1 一种挤压式双线槽铣削刀具减振器的结构示意图。 [0010] 图2 铣削刀具与位移传感器组装示意图。 [0011] 图3 减振器控制系统示意图。 [0012] 图中：1内轴套，2机械密封，3注液孔，4、（7）布线槽，5双线圈槽，6夹紧轴套，8芯体，9端盖，10磁流变液，11位移传感器，12铣削刀具，13信号调理器，14模数转换器A/D，15控制芯片，16数模转换器D/A，17功率放大器。 具体实施方式[0013] 如图1、图2、图3所示，本发明专利它包括1内轴套，2机械密封，3注液孔，4、（7）布线槽，5双线圈槽，6夹紧轴套，8芯体，9端盖，10磁流变液，11位移传感器，12铣削刀具，13信号调理器，14模数转换器A/D，15控制芯片，16数模转换器D/A，17功率放大器。 [0014] 如图1所示，内轴套1通过冷装法装入芯体8，形成一个贯通的环形空腔。通过注液孔3将磁流变液10注入环形空腔内。在两个线圈槽5内分别缠入60圈芯标称直径为0.8毫米，直流电阻34.8欧每千米的漆包线，组成励磁线圈。励磁线圈的引出线通过布线槽4、7引出减振器，并与控制系统18中的功率放大器17连接。在组装好的芯体左端安装一个机械密封2，并将芯体整体装入夹紧轴套6中。在内轴套1右端安装一个机械密封2，并将端盖通过螺纹连接与夹紧轴套6固定连接，完成铣削减振器执行部分的组装。 [0015] 如图2所示，位移传感器通过德国进口强力胶粘贴于铣削刀杆前端平台上，并将刀杆插入减振器的内轴套1内。铣削刀具的刀杆末端与夹紧轴套末端对齐，并将加紧轴套末端夹紧于机床的刀架之上。 [0016] 如图三所示，控制系统18采用研华PCL-818HD采集卡作为位移信号的模数转换器A/D14，采用研华PCL-726作为输出电流的数模转换器D/A16。其中研华PCL-818HD模数转换器A/D14采用ISA总线接口标准，具备16录12位A/D输入通道，每通道采样频率100KHz。研华PCL-726数模转换器D/A16同样采用ISA总线标准，具有6路12位的D/A输出通道。 [0017] 如图3所示，减振器的控制系统18，的信号调理器13接入位移传感器11采集的位移信号。信号调理器13负责将位移传感器11的电信号转换为符合模数转换器A/D14转换芯片中DSP引脚电压输入范围的电压值，同时对传感器信号进行滤波处理。为了避免直流串扰和高频干扰，采用带通滤波器进行滤波。将转化后的数字信号接入控制芯片15中。控制芯片15采用TI公司的TMS320F28335芯片。芯片中载有通过验证后的Simulink控制模型的可执行控制代码。控制芯片15通过读取模数转换器A/D输入的状态量，经过计算后通过数模转换器D/A16输出电信号，电信号输入至功率放大器17中，功率放大器再将电信号输入励磁线圈引线，通过不断变化的电流值来控制电磁场强度的大小，从而改变磁流变液的杨氏模量、表观粘度等特性，实现对减振器的实时控制。 |
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