一種非彈性碰撞和滾動粘滯阻力顆粒耦合耗能刀杆的製作方法

2023-07-02 18:01:41 1

一種非彈性碰撞和滾動粘滯阻力顆粒耦合耗能刀杆的製作方法
【專利摘要】一種非彈性碰撞和滾動粘滯阻力顆粒耦合耗能刀杆，涉及切削刀具。設有刀杆本體、刀杆連接件、刀頭、耦合耗能板；在耦合耗能板上設有凹槽陣列，在每一凹槽內設有1粒表面低恢復係數顆粒和至少2粒高表面粘滯阻力高分子顆粒，在高表面粘滯阻力高分子顆粒表面包覆高聚合物薄膜，在耦合耗能板上設有用於安裝耦合耗能板的固定槽。在刀杆內部安裝多層耦合耗能板後，能將切削力產生的振動能量迅速逐級耗散，耗能因子高，抑振效果明顯，有效提高深孔零部件鏜削加工的穩定性和精度。成本較低，易於實行。表面低恢復係數顆粒以金屬材料為基材，外面包覆甲基苯基聚矽氧烷與丙烯酸酯互穿聚合物，表面低恢復係數顆粒強度高、不易腐蝕、壽命長，可長期使用。
【專利說明】一種非彈性碰撞和滾動粘滯阻力顆粒耦合耗能刀杆

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種切削刀具，尤其是涉及一種非彈性碰撞和滾動粘滯阻力顆粒耦合耗能刀杆。

【背景技術】
[0002]在機械加工中，深孔加工一直是一個難題。在鏜削過程中，當刀杆的長徑比超過4倍時，刀具自身將在切削力作用下產生顫振，使得加工精度下降，甚至無法進行加工。
[0003]國內的一些抑振刀具多數處於研究階段，採用的方法(參見中國專利200920061678.5)主要是增加刀杆靜剛度，如鎳基重合金防振刀具等。但對於長徑比超過4倍的刀杆，這種方法效果不明顯，特別是在刀具結構比較複雜的情況下，其造價很高，同時由於受加工工件尺寸的限制，很多情況下無法增大刀具直徑，因此提高刀具靜剛度有一定應用局限性。另外，減少切削量來降低切削力可以減少刀杆變形量，但會導致生產效率下降。因此，當使用長徑比超過4倍的刀杆進行深孔加工時，由於切削力在刀杆懸臂末端的刀具上產生的大位移振動，導致加工精度和表面質量變差，且生產效率較低，制約了深孔零部件的鏜削加工。


【發明內容】

[0004]本實用新型的目的在於提供一種非彈性碰撞和滾動粘滯阻力顆粒耦合耗能刀杆。
[0005]本實用新型設有刀杆本體、刀杆連接件、刀頭、耦合耗能板；在耦合耗能板上設有凹槽陣列，在凹槽陣列的每一凹槽內設有I粒表面低恢復係數顆粒和至少2粒高表面粘滯阻力高分子顆粒，在高表面粘滯阻力高分子顆粒表面包覆高聚合物薄膜，在耦合耗能板上設有用於安裝耦合耗能板的固定槽。
[0006]所述凹槽陣列可設為mXn凹槽陣列，m為耦合耗能板的長度方向顆粒凹槽數，η為耦合耗能板的寬度方向顆粒凹槽數。
[0007]所述高表面粘滯阻力高分子顆粒可採用互穿網絡型聚合物，互穿網絡型聚合物通過雙網絡之間相互交叉滲透、機械纏結而產生強迫互容和協同效應的一種綜合性能良好的甲基苯基聚矽氧烷與丙烯酸酯互穿聚合物高分子材料，高表面粘滯阻力高分子顆粒的粒徑可為0.2?0.5_ ;每個凹槽內能放置成千粒高表面粘滯阻力高分子顆粒。
[0008]所述高聚合物薄膜可採用聚對苯二甲酸乙二醇酯薄膜，高聚合物薄膜的厚度可為0.2 ?0.6mm。
[0009]所述表面低恢復係數顆粒可採用金屬顆粒外面包覆甲基苯基聚矽氧烷與丙烯酸酯互穿網絡型聚合物，金屬顆粒的密度可為5?18.3g/cm3,若刀杆截面為矩形，刀杆高度為H，刀杆上部放置的金屬顆粒的粒徑為0.095?0.013H,包覆的聚合物厚度為0.2?0.4mm,刀杆下部放置的金屬顆粒的粒徑為0.058?0.071H,包覆的聚合物厚度為0.2?0.3mm ;若刀杆截面為圓形，直徑為R，刀杆上部放置的金屬顆粒的粒徑為0.092?0.014R，包覆的聚合物厚度為0.2?0.4mm，刀杆下部放置的金屬顆粒的粒徑為0.055?0.069R，包覆的聚合物厚度為0.2?0.3mm。
[0010]所述耦合耗能板為表面設有mXn凹槽陣列的金屬板。所述耦合耗能板可設有3?7層，在刀杆內部加工出安裝耦合耗能板的固定槽。
[0011]所述耦合耗能板的凹槽直徑Cl1可為0.91?0.95d，d為表面低恢復係數顆粒的直徑，凹槽深度Ii1可為0.19?0.24d，凹槽內填放的高表面粘滯阻力高分子顆粒距耦合耗能板表面的深度h2可為0.075?0.083d。
[0012]相鄰表面低恢復係數顆粒之間可保留一個必要的間隙δ，間隙δ可為0.14?0.19d，間隙δ過大會導致表面低恢復係數顆粒發生非彈性碰撞的頻率降低，間隙δ過小會影響表面低恢復係數顆粒非彈性碰撞的壓縮階段和恢復階段的衝量衰減，因此凹槽的加工精度、表面低恢復係數顆粒的形狀精度等的公差範圍須滿足表面低恢復係數顆粒之間的間隙δ。
[0013]在刀具切削加工時，刀具的切削力會引起刀杆懸臂結構的振動，當刀杆將振動傳遞到內部耦合耗能板後，在耦合耗能板上凹槽內表面低恢復係數顆粒在高表面粘滯阻力的高分子高表面粘滯阻力高分子顆粒體系中進行滾動運動，這個過程的粘滯阻力耗散了20%?40%的動能，刀杆振動位移越大，粘滯阻力耗散能量越多。當刀杆傳遞過來的能量不大時，依靠表面低恢復係數顆粒在高表面粘滯阻力高分子顆粒上滾動產生的粘滯阻力即可將動能耗散；當振動能量大於粘滯阻力耗散能量時，相鄰的表面低恢復係數顆粒以高碰撞頻率、低恢復係數發生非彈性碰撞，通過6?8個表面低恢復係數顆粒迅速將耦合耗能板的動能逐級耗散。相鄰表面低恢復係數顆粒之間保留一個必要的間隙S，表面低恢復係數顆粒在耦合耗能板的位置排布通過離散元計算得出。同時用高聚合物製作的薄膜將高表面粘滯阻力的高分子高表面粘滯阻力高分子顆粒包覆住，按一定的深度放置在耦合耗能板排布顆粒的凹槽內，當表面低恢復係數顆粒發生非彈性碰撞前，在凹槽內表面低恢復係數顆粒在高表面粘滯阻力的高分子高表面粘滯阻力高分子顆粒體系上滾動運動，這個過程的粘滯阻力耗散了一部分機械能。由於在刀杆內部設置多層耦合耗能板，在每層耦合耗能板上高頻率的進行表面低恢復係數顆粒和高表面粘滯阻力高分子顆粒體系的非彈性碰撞和滾動粘滯阻力的耦合耗能，從而使得由切削力產生的振動被增加的多層耗能板迅速抑制，耗能因子高，抑振效果明顯，從而有效提高了深孔零部件鏜削加工的穩定性和加工精度。
[0014]與現有技術相比，本實用新型的優點如下:
[0015](I)本實用新型在刀杆內部安裝多層耦合耗能板後，能將切削力產生的振動能量迅速逐級耗散，耗能因子高，抑振效果明顯，有效提高了深孔零部件鏜削加工的穩定性和精度。
[0016](2)本實用新型對原刀杆結構改動小，附加成本較低，易於實行。
[0017](3)本實用新型採用的表面低恢復係數顆粒以金屬材料為基材，外面包覆甲基苯基聚矽氧烷與丙烯酸酯互穿聚合物，表面低恢復係數顆粒強度高、不易腐蝕、壽命長，可長期使用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為本實用新型實施例的結構示意圖；
[0019]圖2為本實用新型實施例的耦合耗能板的凹槽位置分布俯視圖；
[0020]圖3為圖2的A-A剖視圖；
[0021 ] 圖4為圖2的B-B剖視圖；
[0022]圖5為圖3中C-C局部放大示意圖；
[0023]圖6為矩形截面刀杆內部耦合耗能板安裝示意圖；
[0024]圖7為圓形截面刀杆內部耦合耗能板安裝示意圖；
[0025]圖8為傳統刀杆與採用本實用新型的方法後頻響函數對比曲線。
[0026]圖中各標記為:11一刀杆本體，12—刀杆連接件，13—刀頭，2—裝在刀杆內部的耦合耗能板，3—在耦合耗能板上加工出的經離散元計算的凹槽，4一高表面粘滯阻力高分子顆粒，5—表面低恢復係數顆粒，6—高聚合物薄膜，7—安裝耦合耗能板的固定槽。

【具體實施方式】
[0027]參見圖1?7，本實用新型實施例設有刀杆本體11、刀杆連接件12、刀頭13、耦合耗能板2 ;在耦合耗能板2上設有凹槽陣列，在凹槽陣列的每一凹槽3內設有I粒表面低恢復係數顆粒5和至少2粒高表面粘滯阻力高分子顆粒4，在高表面粘滯阻力高分子顆粒4表面包覆高聚合物薄膜6，在耦合耗能板2上設有用於安裝耦合耗能板的固定槽7。
[0028]所述凹槽陣列可設為mXn凹槽陣列，m為耦合耗能板2的長度方向顆粒凹槽數，η為耦合耗能板2的寬度方向顆粒凹槽數。
[0029]所述高表面粘滯阻力高分子顆粒4可採用互穿網絡型聚合物，互穿網絡型聚合物通過雙網絡之間相互交叉滲透、機械纏結而產生強迫互容和協同效應的一種綜合性能良好的甲基苯基聚矽氧烷與丙烯酸酯互穿聚合物高分子材料，高表面粘滯阻力高分子顆粒4的粒徑可為0.2?0.5mm ;每個凹槽內能放置成千粒高表面粘滯阻力高分子顆粒4。
[0030]所述高聚合物薄膜6可採用聚對苯二甲酸乙二醇酯薄膜，高聚合物薄膜的厚度可為0.2?0.6臟。
[0031]所述表面低恢復係數顆粒5可採用金屬顆粒外面包覆甲基苯基聚矽氧烷與丙烯酸酯互穿網絡型聚合物，金屬顆粒的密度可為5?18.3g/cm3，若刀杆截面為矩形，刀杆高度為H，刀杆上部放置的金屬顆粒的粒徑為0.095?0.013H，包覆的聚合物厚度為0.2?0.4mm,刀杆下部放置的金屬顆粒的粒徑為0.058?0.071H，包覆的聚合物厚度為0.2?0.3mm ;若刀杆截面為圓形，直徑為R，刀杆上部放置的金屬顆粒的粒徑為0.092?0.014R,包覆的聚合物厚度為0.2?0.4mm，刀杆下部放置的金屬顆粒的粒徑為0.055?0.069R，包覆的聚合物厚度為0.2?0.3mm。
[0032]所述耦合耗能板為表面設有mXn凹槽陣列的金屬板。所述耦合耗能板2可設有3?7層，在刀杆內部加工出安裝耦合耗能板2的固定槽。
[0033]所述耦合耗能板的凹槽直徑Cl1可為0.91?0.95d，d為表面低恢復係數顆粒5的直徑，凹槽深度Ii1可為0.19?0.24d，凹槽內填放的高表面粘滯阻力高分子顆粒4距耦合耗能板表面的深度h2可為0.075?0.083d。
[0034]相鄰表面低恢復係數顆粒之間可保留一個必要的間隙δ，間隙δ可為0.14?0.19d，間隙δ過大會導致表面低恢復係數顆粒發生非彈性碰撞的頻率降低，間隙δ過小會影響表面低恢復係數顆粒非彈性碰撞的壓縮階段和恢復階段的衝量衰減，因此凹槽的加工精度、表面低恢復係數顆粒的形狀精度等的公差範圍須滿足表面低恢復係數顆粒之間的間隙δ。
[0035]在刀杆內部截面為矩形的情況下，如圖6所示，在刀杆上部安裝3層耦合耗能板，在該部分耦合耗能板上的表面低恢復係數顆粒的粒徑為8mm，密度為7.3g/cm3，表面低恢復係數顆粒5外面包覆甲基苯基聚矽氧烷與丙烯酸酯互穿聚合物，包覆的聚合物厚度為0.3mm ;稱合耗能板上凹槽的排布形式如圖2?5所示,稱合耗能板厚度為4mm,稱合耗能板垂直向間距為5.2mm ;表面低恢復係數顆粒5的間距δ為1.28mm,凹槽直徑(I1的取值為7.44mm,凹槽深度Ii1為1.68mm,凹槽內填放的高分子高表面粘滯阻力高分子顆粒4距耦合耗能板2表面的深度h2為0.63mm,高表面粘滯阻力高分子顆粒4的粒徑為0.3mm。在刀杆下部安裝2層耦合耗能板，在該部分耦合耗能板上的表面低恢復係數顆粒5的粒徑為4.8mm,密度為6.9g/cm3,表面低恢復係數顆粒5外面包覆甲基苯基聚矽氧烷與丙烯酸酯互穿聚合物，包覆的聚合物厚度為0.2mm ;耦合耗能板2厚度為4mm，耦合耗能2板垂直向間距為5.2mm ;表面低恢復係數顆粒5的間距δ為0.82mm,凹槽直徑(I1的取值為4.5mm,凹槽深度Ii1為1mm，凹槽內填放的高分子高表面粘滯阻力高分子顆粒4距耦合耗能板2表面的深度h2為0.39mm,高表面粘滯阻力高分子顆粒4的粒徑為0.2_。
[0036]在刀杆內部截面為圓形的情況下，如圖7所示，在刀杆上部安裝3層耦合耗能板，在該部分耦合耗能板上的表面低恢復係數顆粒5的粒徑為8mm，密度為7.3g/cm3，表面低恢復係數顆粒5外面包覆甲基苯基聚矽氧烷與丙烯酸酯互穿聚合物，包覆的聚合物厚度為0.3mm ;f禹合耗能板2厚度為4mm, f禹合耗能板2垂直向間距為5.2mm ;表面低恢復係數顆粒5的間距δ為1.28mm,凹槽直徑(I1的取值為7.44mm,凹槽深度Ii1為1.68mm,凹槽內填放的高分子高表面粘滯阻力高分子顆粒4距耦合耗能板表面的深度h2為0.63mm,高表面粘滯阻力高分子顆粒4的粒徑為0.3mm。在刀杆下部安裝2層耦合耗能板2，在該部分耦合耗能板2上的表面低恢復係數顆粒5的粒徑為4.8mm，密度為6.9g/cm3，表面低恢復係數顆粒5外面包覆甲基苯基聚矽氧烷與丙烯酸酯互穿聚合物，包覆的聚合物厚度為0.2mm ;耦合耗能板2厚度為4mm，耦合耗能板2垂直向間距為5.2mm ;表面低恢復係數顆粒5的間距δ為0.82mm,凹槽直徑(I1的取值為4.5mm,凹槽深度Ii1為1mm，凹槽內填放的高分子高表面粘滯阻力高分子顆粒4距耦合耗能板表面的深度h2為0.39mm,高表面粘滯阻力高分子顆粒4的粒徑為0.2mm。
[0037]在深孔零部件鏜削加工時，切削力引起的振動將通過耦合耗能板2將振動傳遞到排布好的表面低恢復係數顆粒5，通過表面低恢復係數顆粒5的低恢復係數非彈性碰撞和高表面粘滯阻力高分子顆粒4的粘滯阻力的耦合耗能將傳遞來的機械能迅速逐級耗散，起到提高刀杆穩定性和加工精度的作用。
[0038]對圓形截面刀杆進行穩定性分析，刀杆長2200mm,外徑240mm,內徑170mm,圖8為傳統刀杆與採用本實用新型的方法後頻響函數對比曲線。在I?300Hz中低頻帶內，本實用新型比傳統刀杆的第I共振峰峰值下降約50%，第2共振峰及後續共振峰被大幅抑制，下降幅值可達1400%?5800%。在300?600Hz中頻帶內，本實用新型將傳統刀杆連續的高值譜峰減弱成兩個很平緩的譜峰。由此可以看出，採用本實用新型的方法後，通過表面低恢復係數顆粒5的低恢復係數非彈性碰撞和高表面粘滯阻力高分子顆粒4的粘滯阻力的耦合耗能將傳遞來的機械能迅速逐級耗散，刀杆的穩定性大幅提升。
[0039]按離散元計算的結果，在每層耦合耗能板2上用高聚合物薄膜6將高表面粘滯阻力的高分子高表面粘滯阻力高分子顆粒4包覆住，按一定深度放置在耦合耗能板2排布顆粒的凹槽3內，在凹槽上放置表面低恢復係數顆粒5，每個表面低恢復係數顆粒5之間間隙為S。在刀具切削加工時，切削力引起刀杆的振動將通過耦合耗能板2將振動傳遞到排布好的表面低恢復係數顆粒5，通過表面低恢復係數顆粒5的低恢復係數非彈性碰撞和高表面粘滯阻力高分子顆粒4的粘滯阻力的耦合耗能將傳遞來的機械能迅速逐級耗散，起到提高刀杆穩定性和加工精度的作用。
[0040]根據刀杆截面的幾何形狀、刀杆的長徑比、刀具的切削量範圍、被加工件的轉速範圍等條件，經離散元計算，耦合耗能板2上的凹槽3的排布與上述條件相關，耦合耗能板2上凹槽3的安裝如圖2?4所示，在振動傳遞到表面低恢復係數顆粒5後，速度的衰減如下式所示:

Y~t /-lPlnI I [I+Q/ I)/:]
[0041 ] Vn =[

/-2 /H,+/H,.1
[0042]式中，Hii為表面低恢復係數顆粒的質量，ej為表面低恢復係數顆粒的恢復係數，V1為表面低恢復係數顆粒初速度，Vn為第η個表面低恢復係數顆粒初速度，μ ρ為動力學粘滯係數。
[0043]每個表面低恢復係數顆粒周圍都有分布均勻的6個表面低恢復係數顆粒，每次非彈性碰撞都有3?4個表面低恢復係數顆粒參與，通過6?8個表面低恢復係數顆粒低恢復係數的非彈性碰撞和高表面粘滯阻力高分子顆粒的粘滯阻力的耦合耗能後，速度可降低85%以上,能迅速抑制振動能量。
【權利要求】
1.一種非彈性碰撞和滾動粘滯阻力顆粒耦合耗能刀杆，其特徵在於設有刀杆本體、刀杆連接件、刀頭、耦合耗能板；在耦合耗能板上設有凹槽陣列，在凹槽陣列的每一凹槽內設有I粒表面低恢復係數顆粒和至少2粒高表面粘滯阻力高分子顆粒，在高表面粘滯阻力高分子顆粒表面包覆聚對苯二甲酸乙二醇酯薄膜，在耦合耗能板上設有用於安裝耦合耗能板的固定槽。
2.如權利要求1所述一種非彈性碰撞和滾動粘滯阻力顆粒耦合耗能刀杆，其特徵在於所述凹槽陣列設為mXn凹槽陣列，m為耦合耗能板的長度方向顆粒凹槽數，η為耦合耗能板的寬度方向顆粒凹槽數。
3.如權利要求1所述一種非彈性碰撞和滾動粘滯阻力顆粒耦合耗能刀杆，其特徵在於所述高表面粘滯阻力高分子顆粒採用互穿網絡型聚合物，互穿網絡型聚合物通過雙網絡之間相互交叉滲透、機械纏結而產生強迫互容和協同效應的甲基苯基聚矽氧烷與丙烯酸酯互穿聚合物高分子材料，高表面粘滯阻力高分子顆粒的粒徑為0.2?0.5mm ;每個凹槽內放置成千粒高表面粘滯阻力高分子顆粒。
4.如權利要求1所述一種非彈性碰撞和滾動粘滯阻力顆粒耦合耗能刀杆，其特徵在於所述聚對苯二甲酸乙二醇酯薄膜的厚度為0.2?0.6mm。
5.如權利要求1所述一種非彈性碰撞和滾動粘滯阻力顆粒耦合耗能刀杆，其特徵在於所述表面低恢復係數顆粒採用金屬顆粒外面包覆甲基苯基聚矽氧烷與丙烯酸酯互穿網絡型聚合物，金屬顆粒的密度為5?18.3g/cm3。
6.如權利要求1所述一種非彈性碰撞和滾動粘滯阻力顆粒耦合耗能刀杆，其特徵在於若刀杆截面為矩形，刀杆高度為H，刀杆上部放置的金屬顆粒的粒徑為0.095?0.013H，包覆的聚合物厚度為0.2?0.4mm，刀杆下部放置的金屬顆粒的粒徑為0.058?0.071H，包覆的聚合物厚度為0.2?0.3mm ;若刀杆截面為圓形，直徑為R，刀杆上部放置的金屬顆粒的粒徑為0.092?0.014R，包覆的聚合物厚度為0.2?0.4mm，刀杆下部放置的金屬顆粒的粒徑為0.055?0.069R，包覆的聚合物厚度為0.2?0.3mm。
7.如權利要求1所述一種非彈性碰撞和滾動粘滯阻力顆粒耦合耗能刀杆，其特徵在於所述耦合耗能板為表面設有mXn凹槽陣列的金屬板，在刀杆內部加工出安裝耦合耗能板的固定槽。
8.如權利要求1或7所述一種非彈性碰撞和滾動粘滯阻力顆粒耦合耗能刀杆，其特徵在於所述稱合耗能板設有3?7層。
9.如權利要求1所述一種非彈性碰撞和滾動粘滯阻力顆粒耦合耗能刀杆，其特徵在於所述耦合耗能板的凹槽直徑Cl1為0.91?0.95d，d為表面低恢復係數顆粒的直徑，凹槽深度Ii1為0.19?0.24d，凹槽內填放的高表面粘滯阻力高分子顆粒距耦合耗能板表面的深度h2 為 0.075 ?0.083d。
10.如權利要求1所述一種非彈性碰撞和滾動粘滯阻力顆粒耦合耗能刀杆，其特徵在於相鄰表面低恢復係數顆粒之間保留間隙δ，間隙δ為0.14?0.19d。
【文檔編號】B23B29/02GK204052977SQ201420450571
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2014年8月11日 優先權日:2014年8月11日
【發明者】肖望強 申請人:廈門大學