專利名稱：涂層阻尼減振刀桿及其減振測試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種切削加工刀具，尤其是一種涂層阻尼減振刀桿及其減振測試方法。
背景技術(shù)：
目前，在機械加工中內(nèi)孔加工或內(nèi)腔加工是ー種 常見而應(yīng)用廣泛的加工方法，而深孔或深腔加工往往是內(nèi)孔或內(nèi)腔加工中ー個最大的難點。在深孔或深腔加工過程中由于通常采用細長的內(nèi)圓車刀或者大長徑比的銑桿、鏜桿，這樣往往會出現(xiàn)加工刀具的動剛度太低，因而很容易發(fā)生切削顫振而無法滿足加工要求。一般來說當(dāng)?shù)稐U的長徑比小于4時，在加工過程中不會產(chǎn)生振動或者振動一般不會對加工質(zhì)量造成影響。但當(dāng)長徑比大于4時，刀桿在深孔或深腔加工過程中將產(chǎn)生顫振，對加工產(chǎn)生影響甚至造成加工根本無法進行。就刀桿減振措施，目前在使用上主要有兩大類，ー是被動控制方法，ニ是主動控制方法。被動控制方法主要是在刀桿上裝入吸振部件或是采取抑制振動的部件來控制振動?，F(xiàn)在主要的措施有減小切削剛度或是提高加工系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)剛度；使用新型材料提高刀桿的靜剛度；還有就是使用沖擊耗能的方法來減振，包括動カ作用減振、摩擦作用減振、沖擊減振、阻尼減振等。主動控制方法主要是在減振系統(tǒng)中加入反饋控制系統(tǒng)，通過反饋系統(tǒng)檢測出振動系統(tǒng)中產(chǎn)生振動的相關(guān)狀態(tài)量的變化，由反饋系統(tǒng)調(diào)節(jié)減振系統(tǒng)中控制振動的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而在外界環(huán)境發(fā)生變化的情況下，也能夠使減振系統(tǒng)控制振動結(jié)構(gòu)，使振動結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)保持最小、最穩(wěn)定。中國專利申請201110221380. 8公開了ー種阻尼減振刀桿，其包括刀柄和設(shè)置于刀柄下端的刀頭，所述刀柄內(nèi)同軸設(shè)置有圓柱形空腔，在所述圓柱形空腔中密封填充有阻尼顆粒。顆粒阻尼減振屬于被動控制減振技術(shù)的ー種，通過顆粒之間以及顆粒與腔體內(nèi)壁之間的相對運動而產(chǎn)生阻尼效應(yīng)的，通過這些碰撞和摩擦產(chǎn)生能量，達到減振的效果。但該減振刀桿具有一定意義上的不足。首先，刀桿必須是空心刀桿，這在一定程度上限制了刀桿的選擇性。其次，刀桿的空腔容積是固定的，從而內(nèi)部顆粒數(shù)是限定的，產(chǎn)生的阻尼效應(yīng)也就限制在一定的范圍。中國專利ZL200920061678. 5公開了ー種減振鏜刀桿，包括圓柱形桿體，所述桿體下端設(shè)有安裝鏜刀刀片的安裝座，上端設(shè)置有刀桿夾持部，所述桿體內(nèi)設(shè)置有與桿體同心設(shè)置的夾層，所述夾層內(nèi)填充有彈性層。該減振鏜桿利用弾性體層來吸收鏜桿振動過程中的振動能，弾性體層起到減振阻尼的作用。夾層是空腔層，可以減小桿體的自身撓曲。但該減振刀桿具有一定意義上的不足。首先，刀桿必須是空心刀桿，這在一定程度上限制了刀桿的選擇性。其次，夾層內(nèi)的彈性層厚度只能限制在一定的范圍，從而產(chǎn)生的阻尼減振效應(yīng)是有限的，并不能滿足機械加工過程中復(fù)雜多變的加工條件。中國專利申請200910263580. 2公開了ー種減小深孔加工鏜桿自激振動的方法及其動カ減振鏜桿，采用動カ減振器理論設(shè)計了ー種動カ減振鏜桿。減振器由減振棒、阻尼液和橡膠圈組成。利用減振棒的動力作用來平衡一些鏜桿振動過程中的振動能量。但該減振刀桿具有一定意義上的不足，減振塊材料的選擇是整個減振系統(tǒng)的關(guān)鍵。一般只能選擇高密度的重合金材料來做減振塊。這是因為減振塊在鏜桿內(nèi)部的容積有限，一般必須要求減振塊的質(zhì)量盡量大，因而必須要求減振塊材料的密度要大。鑒于以上綜合考慮，需要設(shè)計ー種結(jié)構(gòu)簡單，減振效果好，適用性廣泛的減振刀桿。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有減振刀桿結(jié)構(gòu)復(fù)雜、減振效果和適應(yīng)性差、無法滿足多變的加工條件的不足，提供一種涂層阻尼減振刀桿及其減振測試方法，利用涂層阻尼材料內(nèi)耗將刀桿的振動動能轉(zhuǎn)化為熱能，從而達到減振、提高加工效率、改善加工質(zhì)量的目的。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案一種涂層阻尼減振刀桿，在所述刀桿的基體材料上涂覆ー層減振阻尼材料層，與刀桿的基體材料形成疊層結(jié)構(gòu)。所述刀桿是銑刀桿或車刀桿或鏜刀桿。所述刀桿是圓柱或方形。所述刀桿的基體材料為45號鋼或40Cr或硬質(zhì)合金。所述減振阻尼材料層涂敷在空心刀桿的內(nèi)壁，或涂敷在空心或?qū)嵭牡稐U的外國，或涂敷在空心刀桿的內(nèi)壁及外國。所述減振阻尼材料層的材料為Mn-Cu合金或Ni-Ti合金或Fe-Cr合金。一種涂層阻尼減振刀桿的減振測試方法，步驟如下I)根據(jù)切削加工過程中刀桿的邊界條件和受カ情況，將涂層阻尼減振刀桿簡化為懸臂梁，考慮損耗因子n對刀桿振動的影響，建立涂層阻尼減振刀桿的等效阻尼模型，求出涂層阻尼減振刀桿的整體阻尼比；2)選用CAD軟件solidworks和有限元分析軟件ANSYS聯(lián)合建立涂層阻尼減振刀桿的動力學(xué)分析模型首先利用solidworks建立減振刀桿的三維實體模型，然后導(dǎo)入到有限元分析軟件ANSYS中，在ANSYS workbench中輸入刀桿基體材料和涂層阻尼材料的材料屬性常數(shù)，輸入通過等效阻尼模型求出的整體阻尼比，并進行網(wǎng)格劃分以及施加邊界條件約束和激振カ，最后進彳丁諧響應(yīng)分析得出減振刀桿的頻率響應(yīng)曲線；3)對無涂層阻尼刀桿進行諧響應(yīng)分析得到無涂層阻尼刀桿的頻率響應(yīng)曲線，無涂層阻尼刀桿基體材料屬性和激振カ大小與步驟(2)相同；4)比較步驟2)和步驟3)得到的頻率響應(yīng)曲線圖，得到涂層阻尼減振刀桿的減振效果。本發(fā)明利用現(xiàn)有的涂層エ藝或噴涂燒結(jié)エ藝將高阻尼合金涂敷到刀桿基體材料上，形成疊層結(jié)構(gòu)刀桿，增大刀桿阻尼，利用涂層阻尼材料內(nèi)耗將刀桿的振動能轉(zhuǎn)化為熱能，從而達到減振、提高加工效率、改善加工質(zhì)量的目的。本發(fā)明的有益效果是，該涂層阻尼減振刀桿，能夠適應(yīng)復(fù)雜多變的加工條件，有效減小或抑制切削加工過程刀桿的振動，改善切削加工過程的穩(wěn)定性，提高加工精度和加工、效率。該涂層阻尼減振刀桿可適用于數(shù)控車床、數(shù)控銑床和加工中心，實現(xiàn)內(nèi)孔或內(nèi)腔的高效、高精加工。該涂層阻尼減振刀桿，可適用于車刀桿或銑刀桿或鏜刀桿。刀桿可以為圓柱形或方形等，阻尼材料的涂層結(jié)構(gòu)方式可以為刀桿內(nèi)涂層(空心刀桿)，刀桿外涂層(實心刀桿)，刀桿內(nèi)外都涂層(空心刀桿)。減振刀桿適用性廣泛，結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單合理。刀桿材料可以為40Cr或45號鋼或硬質(zhì)合金。涂層阻尼材料選用損耗因子較大的高阻尼合金即Mn-Cu合金或Ni-Ti合金或Fe-Cr合金,具有較好的減振效果,選擇范圍廣。該涂層阻尼減振刀桿較之一般的普通刀桿，能有效減小刀桿振動過程中的振動振幅，從而達到理想的減振效果。
圖I是方形車刀桿外涂層軸截面圖；圖2是方形車刀桿外涂層橫截面圖；圖3是方形車刀桿內(nèi)涂層橫截面圖；圖4是方形車刀桿內(nèi)外都涂層橫截面圖；圖5是圓柱形鏜刀桿或銑刀桿外涂層軸截面圖；圖6是圓柱形鏜刀桿或銑刀桿外涂層橫截面圖；圖7是圓柱形鏜刀桿或銑刀桿內(nèi)涂層橫截面圖；圖8是圓柱形鏜刀桿或銑刀桿內(nèi)外都涂層橫截面圖；圖9是鏜刀桿簡化為懸臂梁的分析力學(xué)模型；圖10是外涂層阻尼減振鏜刀桿的頻率響應(yīng)曲線；圖11是無涂層阻尼鏜刀桿的頻率響應(yīng)曲線；其中I一涂層，2—車刀桿，3—洗刀桿或鏜刀桿。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進ー步說明。圖1-4中，涂層I涂覆于車刀桿2的外表面，或內(nèi)壁，或內(nèi)壁及外表面上。實施例I :以機械加工過程中自激振動較為明顯的鏜桿為例，設(shè)計了一種涂層阻尼減振鏜桿。涂層方式為圓柱形鏜刀桿3外涂層I?？招溺M刀桿3長徑比為6:1，外徑Φ 30mm，內(nèi)徑Φ20πιπι?；w材料為40Cr合金結(jié)構(gòu)鋼，其彈性模量Es=200GPa，損耗因子Ils=O. 0001,阻尼比ζ =0. 015 ;外涂層阻尼材料為Μ2052合金，彈性模量Ee=50GPa，損耗因子 η c=0. 23，涂層厚度 Hc=O. Imm0如圖5所示的鏜刀桿3外涂層I橫截面結(jié)構(gòu)中，涂層阻尼減振鏜桿的整體損耗因子n按照下式計算得到
[Iu / /:； )"、'/1 + ry + (H, /(I - Κ))/ιΛ[ + η,2η = --; v,'.-----” ,v ·
{V,! Λ； VI + η/ + (Μ/(I - //c)K/I + η,其中Ee、Es分別為涂層阻尼材料和鏜桿基體材料的彈性模量，η。、η s分別為涂層阻尼材料和鏜桿基體材料的損耗因子值，H。為涂層厚度。代入實施例數(shù)據(jù)，得到涂層阻尼減振鏜桿的整體損耗因子η為O. 07。采用solidworks軟件分別創(chuàng)建涂層阻尼減振鏜桿和無涂層阻尼鏜桿三維實體模型，并分別另存為x-t格式。打開ANSYS workbench中的諧響應(yīng)分析模塊，將上述減振鍵桿X—t格式文件導(dǎo)入Geometry中，在Engineering Data中設(shè)置鍵桿基體材料和阻尼材料的屬性，在ANSYSworkbench諧響應(yīng)分析模塊中輸入整體阻尼比ζ = n/2 (根據(jù)計算出來的整體損耗因子值Π=0. 07從而可以估算出涂層阻尼減振鏜桿的整體阻尼比ζ =0.035)，然后施加邊界約束和激振力，對鏜桿刀柄端面進行固定約束，鏜桿頭端施加激振カ大小F=IOON,設(shè)置掃頻范圍為0-1000ΗΖ，在“solution interval”中輸入30，最后求解得出外涂層阻尼減振鏜桿的頻率響應(yīng)曲線，見圖10。
以同樣的方法，對無涂層阻尼鏜桿進行諧響應(yīng)分析，最后得出無涂層阻尼鏜桿的頻率響應(yīng)曲線，見圖11。通過兩圖之間的比較可以觀察到第一階最大振幅值由無涂層阻尼鏜桿的10. 9X 10_2降到減振鏜桿的5. 19X 10_2，最大振幅降低了 52. 4%。實施例2 :按照圖3設(shè)計ー種涂層阻尼減振車刀桿。采用熱噴涂エ藝在車刀桿的內(nèi)壁涂層厚度Hc=O. 15mm的Ni-Ti合金，提高車刀桿的阻尼特性，從而達到降振的目的。刀桿基體材料為40Cr合金結(jié)構(gòu)鋼，損耗因子ns=0. 0001 ;涂層阻尼材料為Ni-Ti合金，損耗因子Hc=O. 18，涂層厚度Hc=O. 15mm。該減振車刀桿主要用于機械加工過程中車刀桿的減振降噪。實施例3 :按照圖6所示設(shè)計ー種涂層阻尼減振銑刀桿。在銑刀桿的外圍涂層厚度He=O. Imm的Fe-Cr合金。Fe-Cr合金是ー種高阻尼合金材料,減振能力強,可以提高統(tǒng)刀桿的抗振性。刀桿基體材料為硬質(zhì)合金。該減振刀桿主要用于銑刀刀桿的減振降噪。上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種涂層阻尼減振刀桿，其特征是，在所述刀桿的基體材料上涂覆一層減振阻尼材料層，與刀桿的基體材料形成疊層結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求I所述的涂層阻尼減振刀桿，其特征是，所述刀桿是銑刀桿或車刀桿或鏜刀桿。
3.如權(quán)利要求I所述的涂層阻尼減振刀桿，其特征是，所述刀桿是圓柱或方形。
4.如權(quán)利要求2或3所述的涂層阻尼減振刀桿，其特征是，所述刀桿的基體材料為40Cr或45號鋼或硬質(zhì)合金。
5.如權(quán)利要求I所述的涂層阻尼減振刀桿，其特征是，所述減振阻尼材料層涂敷在空心刀桿的內(nèi)壁，或涂敷在空心或?qū)嵭牡稐U的外圍，或涂敷在空心刀桿的內(nèi)壁及外圍。
6.如權(quán)利要求5所述的涂層阻尼減振刀桿，其特征是，所述減振阻尼材料層的材料為Mn-Cu合金或Ni-Ti合金或Fe-Cr合金。
7.—種如權(quán)利要求1-6中任一項所述的涂層阻尼減振刀桿的減振測試方法，其特征是，步驟如下 1)根據(jù)切削加工過程中刀桿的邊界條件和受力情況，將涂層阻尼減振刀桿簡化為懸臂梁，考慮損耗因子對刀桿振動的影響，建立涂層阻尼減振刀桿的等效阻尼模型，求出涂層阻尼減振刀桿的整體阻尼比； 2)選用CAD軟件solidworks和有限元分析軟件ANSYS聯(lián)合建立涂層阻尼減振刀桿的動力學(xué)分析模型首先利用solidworks建立減振刀桿的三維實體模型，然后導(dǎo)入到有限元分析軟件ANSYS中，在ANSYS workbench中輸入刀桿基體材料和涂層阻尼材料的材料屬性常數(shù)，輸入通過等效阻尼模型求出的整體阻尼比，并進行網(wǎng)格劃分以及施加邊界條件約束和激振力，最后進彳丁諧響應(yīng)分析得出減振刀桿的頻率響應(yīng)曲線； 3)對無涂層阻尼刀桿進行諧響應(yīng)分析得到無涂層阻尼刀桿的頻率響應(yīng)曲線，無涂層阻尼刀桿基體材料屬性和激振力大小與步驟2)相同； 4)比較步驟2)和步驟3)得到的頻率響應(yīng)曲線圖，得到涂層阻尼減振刀桿的減振效果。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種涂層阻尼減振刀桿，在所述刀桿的基體材料上涂覆一層減振阻尼材料層，與刀桿的基體材料形成疊層結(jié)構(gòu)，增大刀桿阻尼，利用涂層阻尼材料內(nèi)耗將刀桿的振動動能轉(zhuǎn)化為熱能，從而達到減振、提高加工效率、改善加工質(zhì)量的目的。該涂層阻尼減振刀桿，能夠適應(yīng)復(fù)雜多變的加工條件，有效減小或抑制切削加工過程刀桿的振動，改善切削加工過程的穩(wěn)定性，提高加工精度和加工效率。同時本發(fā)明還公開了該減振刀桿的減振測試方法。
文檔編號B23B29/02GK102672217SQ201210165030
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月24日
發(fā)明者劉戰(zhàn)強, 夏峰 申請人:山東大學(xué)