專利名稱：一種電流變液雙電極復(fù)合結(jié)構(gòu)件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于電流變智能材料的結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
振動(dòng)現(xiàn)象普遍存在于各種機(jī)械結(jié)構(gòu)及設(shè)備當(dāng)中，由此而帶來的操作準(zhǔn)確率低，加工精度差及安全性不好等一直是該領(lǐng)域棘手的問題。增加阻尼、減小振動(dòng)是解決這一問題的關(guān)鍵性技術(shù)。傳統(tǒng)的做法是采用在振源上附以大剛度材料的方法以增加被動(dòng)阻尼力，這種方法一是造成多余負(fù)載，二是阻尼力小，效果不明顯，三是減振結(jié)構(gòu)一旦設(shè)計(jì)出來，各種結(jié)構(gòu)參數(shù)就不可調(diào)，因而適應(yīng)性較差。近來年，隨著智能材料與結(jié)構(gòu)的發(fā)展，將電流變體等功能材料與結(jié)構(gòu)件復(fù)合而成的智能結(jié)構(gòu)，能夠?qū)φ駝?dòng)狀態(tài)實(shí)施主動(dòng)監(jiān)控和振動(dòng)抑制。
作為一種新型智能材料，電流變液材料的應(yīng)用研究近年來受到很大重視。電流變液材料在外加電場(chǎng)作用下，它的流動(dòng)性能發(fā)生突變，由易流動(dòng)的低粘度液體變?yōu)殡y流動(dòng)的高粘塑性類固體，而當(dāng)撤去外電場(chǎng)后，又可在瞬間內(nèi)恢復(fù)到液體，利用這一特有的液-固轉(zhuǎn)變特性，將電流變體與結(jié)構(gòu)件復(fù)合制成復(fù)合結(jié)構(gòu)，能夠使整個(gè)復(fù)合結(jié)構(gòu)的剛度和阻尼由小到大發(fā)生連續(xù)變化，從而對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)狀態(tài)實(shí)施主動(dòng)控制。而且從這一特點(diǎn)出發(fā)人們可以將這種結(jié)構(gòu)埋入或者嵌入其他的需要控制振動(dòng)的系統(tǒng)，通過用計(jì)算機(jī)等設(shè)備對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)的物理性能進(jìn)行控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)含有這種智能材料結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)的主動(dòng)控制。
當(dāng)前國內(nèi)外對(duì)電流變液復(fù)合結(jié)構(gòu)的研究主要集中于圖1所示的電流變液(三明治)復(fù)合結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性研究和振動(dòng)控制，以及將此種結(jié)構(gòu)埋入其它結(jié)構(gòu)件中制成的自適應(yīng)結(jié)構(gòu)，以改變電極上的電壓值來改變電流變體材料的屈服應(yīng)力，達(dá)到結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度的自適應(yīng)控制，起到減振、降噪作用。2001年第239卷第1期的《噪聲與振動(dòng)》(J.of Sound andVibration)的第178至185頁報(bào)導(dǎo)了美國的可衛(wèi)(Choi)等人將“電流變液(三明治)復(fù)合結(jié)構(gòu)”做成的平板用于噪音控制，并用模糊邏輯在時(shí)域與頻域進(jìn)行了控制實(shí)驗(yàn)與理論研究。電流變液(三明治)復(fù)合結(jié)構(gòu)是將電流變液封裝于兩條平行鋁質(zhì)電極板之中，可以將它作成復(fù)合三明治懸臂梁和層合板結(jié)構(gòu)，利用電流變液在外加電場(chǎng)作用下電流變學(xué)性能和力學(xué)性能如表觀粘度，彈性模量尤其是剪切貯存模量和剪切耗散模量發(fā)生很大變化，而且可控的性質(zhì)(即模態(tài)剛度和模態(tài)阻尼可控的性質(zhì))，從而可以改變這種結(jié)構(gòu)制成的懸臂梁結(jié)構(gòu)和層合板結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，因而可以用于減振、降噪消聲等的計(jì)算機(jī)控制。但這種結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)控制性能范圍比較窄，具有一定的局限性。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服上述電流變液復(fù)合結(jié)構(gòu)的不足，設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，控制范圍寬的三平行板電流變液雙電極復(fù)合結(jié)構(gòu)件。
本發(fā)明提供了一種電流變液雙電極復(fù)合結(jié)構(gòu)件，包括有正電極板2、負(fù)電極板5、密封板4、電流變材料1和連接材料3，其特征在于負(fù)電極板5設(shè)置在正電極板2的兩側(cè)，密封板4設(shè)置在正電極板2與負(fù)電極板5的兩端，并通過連接材料3與正電極板2和負(fù)電極板5連接，電流變材料1分別置入正電極板2和負(fù)電極板5、密封板4圍成的空腔中。其中連接材料3為粘接材料，如丙烯酸、硅橡膠，或者采用其他機(jī)械連接結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的正電極板2和負(fù)電極板5采用雙面覆銅板或者銅板、鋁板，雙面覆銅板表面光潔度很高，平面度很好，厚度薄且導(dǎo)電性好，用它作電極，可以承受高電壓作用。
密封板4是由有一定硬度的硬橡膠制成，或者是其他的有較好彈性的塑料等絕緣材料，作用是定位和保證電流變材料不被外界污染。
正電板2和負(fù)電極板5之間的距離要設(shè)計(jì)合理，可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)，可以小到幾個(gè)微米，大到幾個(gè)毫米，間距過小電流變液容易擊穿而短路；間距過大則產(chǎn)生電流變效應(yīng)所需電壓也相應(yīng)的增大，本發(fā)明取間距為0-5毫米。
由于電流變液體的工作電壓高達(dá)幾千伏，電流變液復(fù)合結(jié)構(gòu)件的所有電極必須與外部絕緣，因此在兩個(gè)負(fù)電極板5的外側(cè)表面設(shè)置有云母片6，在云母片6外側(cè)設(shè)置有機(jī)玻璃隔離板7，起絕緣作用，將正負(fù)極與機(jī)床和車刀以及傳感器隔離開。其中有機(jī)玻璃隔離板7還起到消除電流變液復(fù)合結(jié)構(gòu)件與刀座之間的間隙，保持電極以及結(jié)構(gòu)與刀座保持平行，與刀桿保持垂直的作用。
本發(fā)明的復(fù)合結(jié)構(gòu)件在實(shí)際的車削顫振抑制應(yīng)用中表明，其顫振抑制效果明顯，控制方便靈活，動(dòng)態(tài)控制范圍大。


圖1電流變液(三明治)復(fù)合結(jié)構(gòu)圖中1.電流變材料；2.正電極鋁板；3.丙烯酸材料；4.硅橡膠密封板；5.負(fù)電極鋁板；
圖2電流變液雙電極復(fù)合結(jié)構(gòu)件圖中1.電流變材料；2.正電極板；3.連接材料；4.密封板；5.負(fù)電極板；圖3電流變液雙電極復(fù)合結(jié)構(gòu)切削顫振抑制裝置圖中10.電流變液雙電極復(fù)合結(jié)構(gòu)件；11.切削刀具；13.普通刀座；16.三向加速度傳感器；圖4電流變液雙電極復(fù)合結(jié)構(gòu)件的剖面中1.電流變材料；2.正電極板；3.連接材料；4.密封板；5.負(fù)電極板；6.云母片；7.有機(jī)玻璃隔離板；圖5切削顫振抑制系統(tǒng)圖中16.三向加速度傳感器；17.電荷放大器；18.通道盒；19.計(jì)算機(jī)；20.高壓直流電源變換器；21.電流變液雙電極復(fù)合結(jié)構(gòu)切削顫振抑制裝置；22.工件；23.CA6140車床；圖6顫振抑制裝置系統(tǒng)的振動(dòng)信號(hào)時(shí)域圖和功率譜中(a)為對(duì)電流變液雙電極復(fù)合結(jié)構(gòu)件施加電場(chǎng)強(qiáng)度E＝0kV/mm時(shí)的顫振抑制裝置系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)時(shí)域和功率譜圖，(b)為對(duì)電流變液雙電極復(fù)合結(jié)構(gòu)施加電場(chǎng)強(qiáng)度E＝4kV/mm時(shí)的顫振抑制裝置系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)時(shí)域和功率譜圖。
具體實(shí)施例方式
首先將正電極板2和負(fù)電極板5與硅橡膠密封板4、連接材料3按照?qǐng)D4所示采用常規(guī)工藝安裝調(diào)試組成雙層腔體結(jié)構(gòu)，然后將電流變材料1采用常規(guī)工藝封裝于雙層腔體中組成電流變液雙電極復(fù)合結(jié)構(gòu)；然后按照?qǐng)D3所示采用常規(guī)工藝將電流變液雙電極復(fù)合結(jié)構(gòu)件10通過粘接或其他機(jī)械連接方式連接于切削刀具11下方和普通刀座13前方之間，構(gòu)成電流變液雙電極復(fù)合結(jié)構(gòu)切削顫振抑制裝置；最后按照?qǐng)D5所示采用常規(guī)電氣連接方式依次將加速度傳感器16，電荷放大器17，通道盒18，計(jì)算機(jī)19，高壓直流電源變換器20，電流變液雙電極復(fù)合結(jié)構(gòu)切削顫振抑制裝置21依次連接，構(gòu)成電流變液雙電極復(fù)合結(jié)構(gòu)切削顫振抑制系統(tǒng)，其中工件22懸臂卡置在CA6140車床23的主軸上，監(jiān)控系統(tǒng)為一個(gè)配有HY6070數(shù)據(jù)采集卡的PII233計(jì)算機(jī)19。
當(dāng)切削顫振發(fā)生時(shí)，加速度傳感器16獲得顫振信號(hào)，高壓直流電源變換器20根據(jù)計(jì)算機(jī)19的控制信號(hào)將一定大小電場(chǎng)強(qiáng)度的電場(chǎng)施加在電流變液雙電極復(fù)合結(jié)構(gòu)10的正負(fù)極間，以此通過改變正負(fù)極間電流變材料性能來調(diào)控電流變液雙電極復(fù)合結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。在對(duì)切削顫振抑制裝置的電流變液雙電極復(fù)合結(jié)構(gòu)施加一定的電場(chǎng)后，電流變材料的粘度、模量和屈服應(yīng)力等流變特性會(huì)發(fā)生一系列的變化(毫秒級(jí))，一方面通過改變切削系統(tǒng)阻尼和剛度的辦法來限制和控制顫振的幅度和頻率，從而起到抑制顫振的目的；另一方面使得電流變液雙電極復(fù)合結(jié)構(gòu)的阻尼和剛度發(fā)生改變，消耗顫振發(fā)展需要的能量，從而起到限制和控制車刀顫振的幅度和頻率作用，達(dá)到抑制顫振的目的。撤去電場(chǎng)后，電流變液體在毫秒的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)原來未施加電場(chǎng)時(shí)具有的特性。這樣的配置可以保證很方便的根據(jù)切削振動(dòng)信號(hào)來調(diào)整電源輸出電壓以控制刀桿的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行切削顫振的在線抑制。
利用圖5所示切削顫振抑制系統(tǒng)可以進(jìn)行工件的端面車削和切斷等的顫振抑制。圖6(a)、(b)分別為對(duì)電流變液雙電極復(fù)合結(jié)構(gòu)施加電場(chǎng)強(qiáng)度E＝0kV/mm和電場(chǎng)強(qiáng)度E＝4kV/mm(由于電極間距為0.9mm，因此所施加電壓值為3.6kV)時(shí)的顫振抑制裝置系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)時(shí)域和功率譜圖。具體實(shí)驗(yàn)條件如下車刀類型機(jī)夾切斷刀4Q25刀體材料45鋼調(diào)質(zhì)刀片材料KT15試件材料45鋼試件直徑30mm試件懸伸長度124mm切削轉(zhuǎn)速n＝370r/min進(jìn)給速度f＝0.027mm/r切削寬度b＝4mm切斷位置試件懸伸120mm處進(jìn)給方式機(jī)床自動(dòng)走刀分析圖6實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度從0kV/mm增大到4kV/mm后，顫振抑制裝置系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)幅值明顯下降，在整個(gè)切削過程中振動(dòng)幅值的絕對(duì)平均電壓值的大小由平均0.98V下降到0.51V，下降幅度在1/2左右。功率譜峰值在電場(chǎng)強(qiáng)度為3kV/mm時(shí)也只是0kV/mm時(shí)的1/3左右。在沒有施加電場(chǎng)前，智能顫振抑制裝置的切斷刀和普通切斷刀沒有什么區(qū)別，但在施加電場(chǎng)后，電流變材料粘度變大，電流變復(fù)合結(jié)構(gòu)由“空心結(jié)構(gòu)”變成彈性模量、阻尼和剛度可變的“實(shí)心結(jié)構(gòu)”，實(shí)際上顫振抑制裝置的電流變液雙電極復(fù)合結(jié)構(gòu)變成了切斷刀刀桿的一個(gè)彈性模量、阻尼和剛度可變部分，由切斷刀刀片傳到刀體的振動(dòng)能量被電流變液雙電極復(fù)合結(jié)構(gòu)消耗掉一部分，顫振的主頻率(最高頻率)也從212Hz左右減小到195Hz左右，并且沒有明顯的共振峰，起到了顫振抑制作用，取得了較好的應(yīng)用效果。
權(quán)利要求
1.一種電流變液雙電極復(fù)合結(jié)構(gòu)件，包括有正電極板(2)、負(fù)電極板(5)、密封板(4)、電流變材料(1)和連接材料(3)，其特征在于負(fù)電極板(5)設(shè)置在正電極板(2)的兩側(cè)，密封板(4)設(shè)置在正電極板(2)與負(fù)電極板(5)的兩端，并通過連接材料(3)與正電極板(2)和負(fù)電極板(5)粘接，電流變材料(1)分別置入正電極板(2)和負(fù)電極板(5)、密封板(4)圍成的空腔中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流變液雙電極復(fù)合結(jié)構(gòu)件，其特征在于連接材料(3)是粘接材料，如丙烯酸、硅橡膠，或者采用其他機(jī)械連接結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流變液雙電極復(fù)合結(jié)構(gòu)件，其特征在于正電極板(2)和負(fù)電極板(5)采用雙面覆銅板或者是銅板、鋁板制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流變液雙電極復(fù)合結(jié)構(gòu)件，其特征在于密封板(4)為硬橡膠或者是其他絕緣材料做成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流變液雙電極復(fù)合結(jié)構(gòu)件，其特征在于在負(fù)電極(5)的外側(cè)設(shè)置有云母片(6)，云母片(6)的外側(cè)設(shè)置有機(jī)玻璃隔離板(7)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流變液雙電極復(fù)合結(jié)構(gòu)件，其特征在于正電極板(2)與負(fù)電極板(5)之間的距離為0-5毫米的任意值。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流變液雙電極復(fù)合結(jié)構(gòu)件，其特征在于該結(jié)構(gòu)件以常規(guī)連接方式連接于普通刀座(13)前方和切削刀具(11)的刀桿下方之間，形成電流變液雙電極復(fù)合結(jié)構(gòu)切削顫振抑制裝置，用于車削顫振抑制。
全文摘要
一種電流變液雙電極復(fù)合結(jié)構(gòu)件，屬于機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于智能材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)，可用于噪音與顫振抑制等方面。本發(fā)明包括中間一個(gè)正電極板(2)、兩側(cè)有兩個(gè)負(fù)電極板(5)，密封板(4)和電流變材料(1)。利用電流變材料(1)在外加電場(chǎng)作用下電流變學(xué)性能和力學(xué)性能如表觀粘度、彈性模量尤其是剪切貯存模量和剪切耗散模量發(fā)生很大變化，而且可控的性質(zhì)(即模態(tài)剛度和模態(tài)阻尼可控的性質(zhì))，從而可以改變安裝用這種結(jié)構(gòu)制成的懸臂梁和層合板等的動(dòng)態(tài)特性，因而可以用于減振、降噪消聲等的計(jì)算機(jī)控制。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，動(dòng)態(tài)特性好，控制范圍寬。
文檔編號(hào)F16F9/53GK1540181SQ20031010224
公開日2004年10月27日 申請(qǐng)日期2003年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月29日
發(fā)明者費(fèi)仁元, 王民, 楊道斌 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)