專利名稱：基于剪切工作模式的外圓車削顫振磁流變減振系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種車削加工減振系統(tǒng)，尤其是一種外圓車削顫振磁流變減振系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
切削顫振是機(jī)床閉環(huán)切削系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定現(xiàn)象，它發(fā)生在切削刀具與工件之間，是制約現(xiàn)代制造業(yè)加工水平提高的重要因素。在車削加工中，對(duì)長(zhǎng)徑比較大的軸類零件，如發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的曲軸、凸輪軸等進(jìn)行外圓車削時(shí)很容易發(fā)生顫振，如何提高該類零件的加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率、降低加工過(guò)程中出現(xiàn)的顫振已成為機(jī)械制造業(yè)亟待解決的重要課題之一。根據(jù)顫振防治理論，在機(jī)械加工系統(tǒng)中附加減振裝置是有效控制切削顫振的主要途徑之一。為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究工作，采用的控制方式可以歸納為三類，即被動(dòng)控制、主動(dòng)控制和半主動(dòng)控制。其中，被動(dòng)控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性好，但由于其結(jié)構(gòu)確定后系統(tǒng)參數(shù)就不能在線調(diào)整而難以適應(yīng)切削狀態(tài)的變化；而主動(dòng)控制則可以根據(jù)不同的工況對(duì)控制系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，但其具有成本高、穩(wěn)定性差及控制算法復(fù)雜等問(wèn)題；半主動(dòng)控制介于主動(dòng)控制和被動(dòng)控制之間，它可以通過(guò)在線實(shí)時(shí)調(diào)整減振裝置的阻尼和剛度等動(dòng)態(tài)參數(shù)來(lái)抑制振動(dòng)，既具有主動(dòng)控制適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，又具有被動(dòng)控制能耗低、可靠性高的優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的智能材料，由于其優(yōu)良的機(jī)電耦合特性，已被越來(lái)越多地作為減振裝置的調(diào)節(jié)執(zhí)行介質(zhì)應(yīng)用于半主動(dòng)控制系統(tǒng)中。智能材料是指一類能夠?qū)ν饨绛h(huán)境變化進(jìn)行瞬時(shí)主動(dòng)響應(yīng)的材料。它們一般可通過(guò)外加的某一刺激信號(hào)(例如電場(chǎng)、溫度等)，改變材料的一些固有特性(例如剛度、阻尼)， 且具有可控性、可逆性、快速響應(yīng)特性及能耗低等特點(diǎn)。1999年《International Journal of Machines Tools and Manufacture》雜志報(bào)道王民等人在鏜刀桿里填充電流變液研制了智能型鏜削刀桿，通過(guò)調(diào)節(jié)施加在電流變液上的電場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)改變整個(gè)鏜桿的動(dòng)態(tài)特性， 從而實(shí)現(xiàn)了鏜削顫振的在線抑制；2000年《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》刊登了王茂華等人研制的銑刀心軸電流變液減振裝置，該裝置安裝在臥式銑床心軸上，當(dāng)發(fā)生銑削顫振時(shí)，在線調(diào)整作用在電流變減振裝置上的電場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)改善銑刀系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，以達(dá)到抑制銑削顫振的目的。利用上述電流變減振裝置雖可對(duì)切削顫振進(jìn)行有效控制，但目前研制出的大多數(shù)電流變液的剪切屈服強(qiáng)度均較低，2003年香港科技大學(xué)和中科院物理所聯(lián)合研制的巨電流變液是已有報(bào)道中電致屈服強(qiáng)度最高的，但該材料仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，離成批量的商業(yè)生產(chǎn)尚有一段距離。而與電流變材料工作原理類似的磁流變材料由于具有屈服應(yīng)力較高(50 lOOkPa)、控制電壓較低等優(yōu)點(diǎn)，目前被認(rèn)為是該類減振裝置中較為理想的調(diào)節(jié)介質(zhì)。2006 年浙江大學(xué)的梅德慶等人申請(qǐng)的發(fā)明專利將磁流變效應(yīng)引入鏜削加工中，研制了基于磁流變液的自抑振智能鏜桿系統(tǒng)；針對(duì)車削加工，2007年徐平等人在常規(guī)的磁流變液中添加泡沫金屬，研制了可用于抑制切斷車削顫振的磁流變——泡沫金屬阻尼器，然而對(duì)于車削過(guò)程中加工量較大且容易發(fā)生顫振的細(xì)長(zhǎng)軸類零件的外圓車削顫振，該減振器則無(wú)能為力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是要提供一種基于剪切工作模式的外圓車削顫振磁流變減振系統(tǒng)，該系統(tǒng)根據(jù)磁流變液在外加磁場(chǎng)下可在液、固態(tài)之間連續(xù)、快速、可逆轉(zhuǎn)化的特性，將其應(yīng)用于車床橫拖板上，通過(guò)改變施加在磁流變液上的磁感應(yīng)強(qiáng)度，對(duì)車床橫拖板的動(dòng)力學(xué)參數(shù)(如阻尼、剛度等)進(jìn)行在線實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，從而有效地抑制外圓車削顫振的發(fā)生。本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種基于剪切工作模式的外圓車削顫振磁流變減振系統(tǒng)，由固定在車床橫拖板上的滑動(dòng)磁極組件，固定在床鞍側(cè)平面上的固定磁極組件，加速度傳感器，電荷放大器和程控直流電源和計(jì)算機(jī)組成，其特點(diǎn)是滑動(dòng)磁極組件包括上限位槽、連接板、上隔板、上磁極，連接板下面可調(diào)連接上限位槽，上限位槽下面通過(guò)上隔板固定連接兩塊上磁極；固定磁極組件包括下限位槽、兩個(gè)側(cè)面下磁極、中間下磁極、下底板和下箱體，下限位槽與下箱體定位固定連接，下限位槽內(nèi)過(guò)盈配合連接中間下磁極，箱體的內(nèi)側(cè)面上分別固定連接兩個(gè)側(cè)面下磁極；在側(cè)面下磁極和中間下磁極外表面上的方形凹槽內(nèi)橫向纏繞有勵(lì)磁線圈，在上磁極、側(cè)面下磁極和中間下磁極之間注入磁流變液；加速度傳感器安裝在車床橫拖板的前端，并通過(guò)電纜線依次與電荷放大器、計(jì)算機(jī)及程控直流電源連接，直流電源與勵(lì)磁線圈相連。上磁極、側(cè)面下磁極和中間下磁極均為長(zhǎng)方體。上磁極、側(cè)面下磁極和中間下磁極為軟鐵磁性材料，上限位槽、上隔板、連接板、下箱體、下底板均為非導(dǎo)磁材料。折疊式防塵罩用螺釘分別固定在上限位槽與下箱體上。固定在車床刀架前端的加速度傳感器的信號(hào)輸出端與電荷放大器的信號(hào)輸入端連接，電荷放大器的信號(hào)輸出端與通過(guò)PCI插槽內(nèi)置在計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)采集控制卡的A/D 端口連接，而數(shù)據(jù)采集控制卡的D/A端口則與程控直流電源的信號(hào)輸入端連接，程控直流電源的信號(hào)輸出端與磁流變減振裝置中的勵(lì)磁線圈連接。本發(fā)明具有的有益之處在于
1.本發(fā)明的上限位槽、上隔板、連接板、下箱體、下底板均采用非導(dǎo)磁材料，使磁力線在減振裝置內(nèi)形成閉環(huán)回路，減少了漏磁現(xiàn)象的發(fā)生，提高了磁流變液的工作效率。2.本發(fā)明提供了一種針對(duì)外圓車削顫振的半主動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了磁流變液作為減振系統(tǒng)的調(diào)節(jié)執(zhí)行介質(zhì)，通過(guò)調(diào)整作用在磁流變液上的磁感應(yīng)強(qiáng)度，即可實(shí)時(shí)在線地改變車床刀架系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，從而有效地抑制外圓車削顫振的發(fā)生。該減振系統(tǒng)對(duì)于有效提高外圓車削，尤其是細(xì)長(zhǎng)軸類零件的外圓車削加工質(zhì)量及生產(chǎn)效率、延長(zhǎng)刀具壽命、降低車削噪聲均具有重要的應(yīng)用價(jià)值。


圖1是本發(fā)明的主剖視圖2是圖1中沿A-A的階梯剖視圖； 圖3是圖2的K向視圖； 圖4是圖3中沿B-B的剖視圖； 圖5是本發(fā)明的工作原理圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。如圖1至圖4所示，本發(fā)明由滑動(dòng)磁極組件及固定磁極組件兩大部分組成，其中滑動(dòng)磁極組件主要包括上限位槽15、連接板16、上隔板17、上磁極19等零件，并且整個(gè)滑動(dòng)磁極組件通過(guò)連接板16用螺釘固定在車床橫拖板上；而固定磁極組件主要包括下限位槽 7、兩個(gè)側(cè)面下磁極13、中間下磁極22、下底板11和下箱體14等零件，并且它通過(guò)下箱體14 用螺釘固定在床鞍側(cè)平面上。在外圓車削振動(dòng)過(guò)程中，車刀的振動(dòng)會(huì)通過(guò)橫拖板傳遞給滑動(dòng)磁極組件，而固定磁極組件由于安裝在機(jī)床床鞍上則被看做是固定不振動(dòng)的，由此，滑動(dòng)磁極組件和固定磁極組件之間就形成了相對(duì)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)對(duì)外圓車削背吃刀量進(jìn)行調(diào)整時(shí)，滑動(dòng)磁極組件將隨橫拖板同步移動(dòng)，為保證上磁極與下磁極之間間隙固定不變，故本發(fā)明基于磁流變液的剪切工作模式進(jìn)行設(shè)計(jì)。為保證減振裝置30中上、下磁極的間隙均勻，本發(fā)明首先通過(guò)工藝處理使固定磁極組件和滑動(dòng)磁極組件的安裝基面——床鞍和橫拖板的側(cè)面在一個(gè)鉛垂平面上。基于此， 對(duì)固定磁極組件采用的措施是由于其安裝在機(jī)床上之后不便于配鉆，中間下磁極22在下箱體14中的位置由下限位槽7來(lái)確定，而下限位槽7在下箱體14中的位置則依據(jù)尺寸鏈計(jì)算結(jié)果由兩個(gè)定位銷6來(lái)保證，并由螺釘8將下限位槽7和下箱體14固定，而中間下磁極22則利用過(guò)盈配合與下限位槽7裝配，這樣就確定了中間下磁極22在χ方向上的位置。 兩個(gè)側(cè)面下磁極13在χ方向上的定位則采用下箱體14的內(nèi)側(cè)面來(lái)實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)螺釘20將側(cè)面下磁極13固定在下箱體14的內(nèi)側(cè)面。下底板11和密封墊片12通過(guò)螺釘10連接在下箱體14的底面上。上述零件的裝配形成固定磁極組件，整個(gè)固定磁極組件通過(guò)下箱體 14的左側(cè)安裝定位面E用螺釘固定在床鞍側(cè)平面上；對(duì)滑動(dòng)磁極組件采用的措施是以連接板16的左側(cè)面F做為滑動(dòng)磁極組件的安裝基面，在連接板16上開(kāi)有長(zhǎng)圓形通孔5，通過(guò)該孔可調(diào)節(jié)上磁極19在χ方向的相對(duì)位置。裝配時(shí)，先將上磁極19和上隔板17通過(guò)螺釘 18與上限位槽15固定連接，再將它們形成的部件插入下箱體14內(nèi)，當(dāng)連接板16以左側(cè)安裝面F與橫拖板定位連接后，在長(zhǎng)圓形通孔5的長(zhǎng)度范圍內(nèi)調(diào)整好上磁極19與各下磁極之間的間隙，然后用螺釘1將上限位槽15與連接板16通過(guò)長(zhǎng)圓形通孔5連接，由此就確定了上磁極19在χ方向上的位置。為節(jié)省重新裝配的調(diào)整時(shí)間，最后再在連接板16與上限位槽15之間進(jìn)行配鉆，安裝定位銷2對(duì)兩者進(jìn)行定位，至此完成了滑動(dòng)磁極組件的裝配。上述措施相結(jié)合，可保證上下磁極之間的間隙公差在士0. Imm的范圍內(nèi)。車削加工之前，往下箱體14中注入磁流變液21直至液面超過(guò)各下磁極的上表面為止，然后將折疊式防塵罩3用螺釘分別固定安裝在上限位槽15和下箱體14上，既可防止鐵屑及灰塵落入減振裝置中影響其性能，又可保證調(diào)整背吃刀量時(shí)車刀的運(yùn)動(dòng)不受阻礙。根據(jù)車床橫拖板的結(jié)構(gòu)及工作特點(diǎn)，本發(fā)明中的上、下磁極均為長(zhǎng)方體。勵(lì)磁線圈 9橫向纏繞在各長(zhǎng)方形下磁極外表面上的方形凹槽內(nèi)，且分別纏繞至與下磁極的外表面等高，每個(gè)下磁極上分別纏繞上、下兩組勵(lì)磁線圈9，整個(gè)裝置中共六組線圈，其導(dǎo)線由下箱體 14上的通孔4引到外部與直流程控電源接線柱相連。本發(fā)明中的加速度傳感器32、電荷放大器、計(jì)算機(jī)、程控直流穩(wěn)壓電源和勵(lì)磁線圈順次連接，組成半主動(dòng)閉環(huán)控制系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)處理模塊通過(guò)數(shù)據(jù)采集控制卡接收經(jīng)加速度傳感器采集的車削信號(hào)后，根據(jù)信號(hào)特征及減振要求對(duì)其進(jìn)行分析計(jì)算，經(jīng)數(shù)據(jù)采集控制卡及程控直流穩(wěn)壓電源對(duì)勵(lì)磁線圈中的電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制減振裝置30中上、下
5磁極之間的磁感應(yīng)強(qiáng)度，進(jìn)而改變磁流變液的剪切屈服強(qiáng)度及阻尼等力學(xué)特性。如圖5所示，固定在車床刀架31前端的加速度傳感器32的信號(hào)輸出端與電荷放大器的信號(hào)輸入端連接，電荷放大器的信號(hào)輸出端與通過(guò)PCI插槽內(nèi)置在計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)采集控制卡的A/D端口連接，而數(shù)據(jù)采集控制卡的D/A端口則與程控直流電源的信號(hào)輸入端連接，程控直流電源的信號(hào)輸出端與磁流變減振裝置30中的勵(lì)磁線圈連接。該磁流變減振系統(tǒng)的工作原理為在進(jìn)行外圓車削加工時(shí)，一旦刀具發(fā)生振動(dòng)，將帶動(dòng)車床的橫拖板及固定在其上的滑動(dòng)磁極組件隨之同步振動(dòng)，從而使得上磁極19，側(cè)面下磁級(jí)13和中間下磁級(jí)22之間產(chǎn)生往復(fù)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并對(duì)其間的磁流變液21施加剪應(yīng)力的作用；與此同時(shí)，該動(dòng)態(tài)切削信號(hào)將被安裝在橫拖板前端的加速度傳感器32感知，并經(jīng)電荷放大器放大、數(shù)據(jù)采集卡采集后傳入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)處理模塊將根據(jù)振動(dòng)信號(hào)的特征及減振要求進(jìn)行分析計(jì)算，再經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡控制端口輸出電流至程控直流穩(wěn)壓電源，對(duì)側(cè)面下磁極13和中間下磁極22上勵(lì)磁線圈9中的電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制減振裝置30 中上磁極19和側(cè)面下磁級(jí)13、中間下磁級(jí)22間隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度以產(chǎn)生磁流變效應(yīng)，進(jìn)而使得磁流變液呈現(xiàn)類似固體的性質(zhì)，導(dǎo)致減振裝置30的結(jié)構(gòu)剛度及阻尼發(fā)生改變。隨著線圈電流的增加，磁流變液體的剪切屈服強(qiáng)度將增大，其對(duì)上、下磁極間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用也將增大，從而抑制了隨上磁極一起運(yùn)動(dòng)的車刀的振動(dòng)，達(dá)到了削減及抑制車削振動(dòng)的目的。
權(quán)利要求
1.一種基于剪切工作模式的外圓車削顫振磁流變減振系統(tǒng)，由固定在車床橫拖板上的滑動(dòng)磁極組件，固定在床鞍側(cè)平面上的固定磁極組件，加速度傳感器(32)，電荷放大器和程控直流電源和計(jì)算機(jī)組成，其特征在于所述滑動(dòng)磁極組件包括上限位槽(15)、連接板 (16)、上隔板(17)、上磁極(19)，連接板(16)下面可調(diào)連接上限位槽(15)，上限位槽(15)下面通過(guò)上隔板(17)固定連接兩塊上磁極(19)；固定磁極組件包括下限位槽(7)、兩個(gè)側(cè)面下磁極(13 )、中間下磁極(22 )、下底板(11)和下箱體(14 )，下限位槽(7 )與下箱體(14 )定位固定連接，下限位槽(7)內(nèi)過(guò)盈配合連接中間下磁極(22)，箱體(14)的內(nèi)側(cè)面上固定連接兩個(gè)側(cè)面下磁極(13)；在側(cè)面下磁極(13)和中間下磁極(22)外表面上的方形凹槽內(nèi)橫向纏繞有勵(lì)磁線圈(9 )，在上磁極(19 )、側(cè)面下磁極(13 )和中間下磁極(22 )之間注入磁流變液(21);加速度傳感器(32)安裝在車床橫拖板的前端，并通過(guò)電纜線依次與電荷放大器、 計(jì)算機(jī)及程控直流電源連接，直流電源與勵(lì)磁線圈(9 )相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于剪切工作模式的外圓車削顫振磁流變減振系統(tǒng)，其特征在于所述上磁極(19)、側(cè)面下磁極(13)、中間下磁極(22)均為長(zhǎng)方體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于剪切工作模式的外圓車削顫振磁流變減振系統(tǒng)，其特征在于所述上磁極(19)、側(cè)面下磁極(13)、中間下磁極(22)為軟鐵磁性材料，所述上限位槽 (15)、上隔板(17)、連接板(16)、下箱體(14)、下底板(11)均為非導(dǎo)磁材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于剪切工作模式的外圓車削顫振磁流變減振系統(tǒng)，其特征在于所述上限位槽(15)與下箱體(14)上用螺釘分別固定折疊式防塵罩(3)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于剪切工作模式的外圓車削顫振磁流變減振系統(tǒng)，其特征是，固定在車床刀架(31)前端的加速度傳感器(32)的信號(hào)輸出端與電荷放大器的信號(hào)輸入端連接，電荷放大器的信號(hào)輸出端與通過(guò)PCI插槽內(nèi)置在計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)采集控制卡的 A/D端口連接，而數(shù)據(jù)采集控制卡的D/A端口則與程控直流電源的信號(hào)輸入端連接，程控直流電源的信號(hào)輸出端與磁流變減振裝置(30)中的勵(lì)磁線圈連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于剪切工作模式的外圓車削顫振磁流變減振系統(tǒng)，滑動(dòng)磁極組件中的連接板下面可調(diào)連接上限位槽，上限位槽下面通過(guò)上隔板固定連接兩塊上磁極；固定磁極組件中的下限位槽與下箱體定位固定連接，下限位槽內(nèi)過(guò)盈配合連接中間下磁極，箱體的內(nèi)側(cè)面上固定連接兩個(gè)側(cè)面下磁極；在側(cè)面下磁極和中間下磁極外表面上的方形凹槽內(nèi)橫向纏繞有勵(lì)磁線圈，在上、下磁極之間注入磁流變液；加速度傳感器安裝在車床橫拖板的前端，并通過(guò)電纜線依次與電荷放大器、計(jì)算機(jī)及程控直流電源連接，直流電源與勵(lì)磁線圈相連。該減振系統(tǒng)對(duì)于有效提高外圓車削，尤其是細(xì)長(zhǎng)軸類零件的外圓車削加工質(zhì)量及生產(chǎn)效率、延長(zhǎng)刀具壽命、降低車削噪聲均具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號(hào)B23B25/00GK102179534SQ20111009736
公開(kāi)日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2011年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月19日
發(fā)明者劉軍, 周淵, 張永亮 申請(qǐng)人:上海理工大學(xué)