CN104607704B - 一种冲击减振式铣刀刀杆 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种冲击减振式铣刀刀杆，包括刀座、减振托盘、质量块、心轴组件、刀体；刀体头部设有空腔，尾部设有内孔和接口，中部轴向设有内孔；心轴穿过刀体中部轴向内孔，由尾部内孔定位；质量块置入刀头空腔内，位于心轴的小端与刀座外圆之间；减振托盘与刀体头部空腔固定连接，减振托盘一侧设有弧形凹槽，弧形凹槽用于放置质量块，另一侧设有盲孔，盲孔中填充强永磁铁，永磁铁将质量块吸附于减振托盘上；刀座与刀体的空腔固定连接，刀座顶端设有端键，用于铣刀盘的安装以及铣刀盘切削力矩的传递。本发明能有效抑制长悬伸刀具的颤振现象，适用于深孔、深腔结构件的加工。

Description

一种冲击减振式铣刀刀杆

技术领域

本发明涉及一种冲击减振式铣刀刀杆，具体涉及一种金属铣削加工过程中的减振刀杆，属于机械加工技术领域。

背景技术

金属切削加工过程中，刀具与工件间常常会出现颤振现象。颤振影响加工精度，降低机床和刀具的使用寿命，同时，颤振还伴随着噪音，污染加工环境。颤振的消除除了选用合适的切削参数，还可以通过提高刀具***或者机床的刚度、阻尼实现。将阻尼器应用于铣刀是一种很好的颤振消除方案。

阻尼器主要分为主动、半主动、被动三种形式。主动和半主动形式的阻尼器通常需要外部能源的供给、复杂的控制算法和较大的空间，而铣刀由于运动状态和空间限制使得被动阻尼器相较主动、半主动更容易在铣刀上实现。

被动阻尼器又分为调谐式、冲击式、涡流式、电磁式、摩擦式等。其中冲击式相对于其他几种被动阻尼器具有结构简单，调整方便等特点。冲击式阻尼减振装置常常具有较大的质量比，因而减振效果良好，但由于铣刀处于高速旋转状态，质量块的偏心会产生巨大的离心力，从而使铣刀失稳，使得阻尼器丧失减振效果，造成安全隐患。解决质量块的偏心问题是冲击式阻尼器在长悬伸减振铣削刀具应用中的技术难点之一。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种冲击减振式铣刀刀杆，以消除铣削加工中的颤振现象，提高金属切削质量。本发明利用冲击原理耗散振动能量来提高金属去除效率，降低被加工零件表面粗糙度。

一种冲击减振式铣刀刀杆，包括刀座、减振托盘、质量块、心轴组件、刀体；

刀体头部设有空腔，尾部设有接口，中部轴向设有内孔，刀体内孔后端还设有刀尾内孔，刀尾内孔与接口连通；

心轴组件包括心轴，心轴的一端为小端，另一端为大端，心轴的小端位于刀体头部空腔中，心轴的大端固定在刀尾内孔中，心轴穿过刀体中部轴向内孔；

质量块置入刀头内腔内，位于心轴的小端与刀座外圆之间；

减振托盘与刀体头部空腔固定连接，减振托盘一侧设有弧形凹槽，弧形凹槽用于放置质量块，另一侧设有盲孔，盲孔用于填充强永磁铁，永磁铁将铁磁质质量块吸附于减振托盘之上；

刀座与刀体的空腔通过螺纹固定连接，刀座顶端设有端键，用于安装刀盘。

本发明的优点在于：

(1)本发明一种冲击式减振铣刀刀杆无论刀具转速高低，都可以有效抑制铣削加工中的刀具颤振现象，适用于各种深腔，深孔零件的加工；

(2)本发明一种冲击式减振铣刀刀杆结构简单，无需调谐，减振效果的优化主要依靠更换配套的减振底座和质量块实现；

(3)本发明一种冲击式减振铣刀刀杆使用寿命长，阻尼机构由廉价材料构成，无需密封结构，使用维护成本低廉。

附图说明

图1为本发明轴向剖视图；

图2为本发明的主视图；

图3为本发明的左视图；

图4为本发明的右视图；

图5为本发明的减振托盘轴向剖视图；

图6为本发明的减振托盘左视图。

图中：

1-刀座 2-减振托盘 3-质量块

4-心轴组件 5-刀体 101-刀座内螺纹孔

102-座底外圆 103-端键

201-永磁铁 202-六角沉头孔 203-托盘外螺纹

204-弧形凹槽

401-六角螺母 402-防松垫片 403-心轴小端

404-心轴大端 405-六角沉头孔 406-心轴

501-刀头空腔 502-刀尾内孔 503-Capto接口

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种冲击减振式铣刀刀杆，轴向剖视如图1所示，主视图、左视图、右视图分别如图2、3、4所示；

一种冲击减振式铣刀刀杆，包括刀座1、减振托盘2、质量块3、心轴组件4、刀体5。

刀体5头部设有刀头空腔501，尾部设有Capto接口503，中部轴向设有内孔，用于安装心轴406；刀体5内孔后端还设有带螺纹的刀尾内孔502，刀尾内孔502与Capto接口503连通；空腔501用于安装减振托盘2、质量块3、六角螺母401和防松垫片402；刀尾内孔502用于心轴组件4的安装。

心轴组件4包括六角螺母401、防松垫片402、六角沉头孔405、心轴406；

心轴406的一端为心轴小端403，另一端为心轴大端404，心轴406尾部设有六角沉头孔405，心轴406的心轴小端403由Capto接口503的内孔***，使用外六角扳手通过六角沉头孔405将心轴406的心轴大端404旋入刀尾内孔502底端，心轴406穿过刀体5中部轴向内孔，心轴406的心轴小端403进入刀体5头部空腔501，心轴406的心轴小端403通过六角螺母401固定，六角螺母401与刀体5之间设有防松垫片402，心轴406的心轴大端404通过刀尾内孔502固定；六角螺母401可以为刀体5提供合适压应力，合适的压应力可以显著提高刀体刚度，降低刀体的振动幅度。

心轴组件4安装完毕之后，将质量块3置入刀头内腔501；

如图5、图6所示，减振托盘2包括永磁铁201、六角沉头孔202、托盘外螺纹203、弧形凹槽204，减振托盘2一侧设有弧形凹槽204，弧形凹槽204用于放置质量块3，另一侧设有圆形盲孔，盲孔底端有内六角沉头孔202，周向设有托盘外螺纹203，盲孔用于永磁铁201的安装，盲孔底端的内六角沉头孔202，将减振托盘2使用外六角扳手通过六角沉头孔202旋入刀体5头部内孔，托盘外螺纹203与刀座内螺纹孔101进行配合，从而封住质量块3。永磁铁201在此之后压入减振托盘以将质量块3吸附于减振托盘2之上。永磁铁201用于给质量块3提供适当回复力，防止质量块3长时间偏心影响铣刀接杆的稳定性；

刀座1与刀体5以底座外圆102紧配合连接。刀座1顶端有用于刀盘固定的端键103和刀座内螺纹孔101，刀座1底端设有用于连接刀体5的外圆，刀座1以端面在刀体5上定位。

所述刀座1由钢或者硬质合金制成，在其上端端键103的传动部分依据GB/T613-93选用。刀座1座底外圆直径为刀体5头部直径的65％～70％，外圆与刀体头部由螺纹紧配合连接。

所述刀体5由工具钢或硬质合金制成，设有3°锥角。刀体5头部内孔与刀座1底部外圆由螺纹连接，刀体5尾部Capto接口503执行ISO26623-1标准。刀体5内部空腔设有内孔用于心轴406的安装，刀体5内孔尾部设有刀尾内孔502用于心轴406的轴向固定。

所述减振托盘2由铜或铝等非铁磁质材料制成，减振托盘2在其一端面设有弧形凹槽204，用于圆形质量块3的径向定位，弧形凹槽204的倾角依据质量块3的重心调整。减振托盘2另一端有圆形盲孔用于永磁铁201的安装，盲孔用于质量块3径向回复力的提供。盲孔底端有内六角沉头孔202，用于减振托盘2在心轴406中的安装。

所述质量块3为圆形金属球，材料为钨钢。质量块3由减振托盘2的永磁铁201吸附，由弧形凹槽204定位。质量块3与心轴406的心轴小端403留有约2mm的间隙，质量块3与刀体5内壁最小间隙约为0.1mm，具体间隙的数值依据锤击实验确定。间隙数值测定的目的在于调整冲击阻尼器减振效果，最大化铣刀刀杆的振动衰减率。

所述心轴组件4中，六角螺母401材料为钢，安装于心轴406的心轴小端403，用于刀体5预紧力的提供；心轴406材料为钢，有心轴大端404和心轴小端403，两端均设有螺纹，心轴小端403螺纹与预紧六角螺母401配合，心轴大端404螺纹用于心轴406在刀体5中的定位、配合。

铣刀杆安装铣刀盘进行铣削加工时，刀盘上的刀片轮流切入被加工材料，由于刀片与材料的相互作用，铣刀杆因而受到周期性横向冲击干扰力作用。因为高长径比刀具是典型的弱刚度、低阻尼部件，刀杆难以依靠自身材料阻尼在短时间内衰减振动，从而产生较大幅度的振动。所述冲击式减振刀杆可以在8倍长径比条件下依然保证较高的刚度和阻尼特性，从而实现深腔结构件的高效稳定切削。

所述冲击减振刀杆收到横向冲击力时，由于刀杆一阶模态为弯模态，刀体5的振动主要由横向形变引起的。提高刀体5的刚度，降低刀体5的横向变形是抑制刀体切削振动的有效途径之一。所述冲击减振刀杆的创新之处在于刀体内部心轴406应用，心轴406既可提供用于提升刀体5刚度的压应力，亦可通过与刀体中心孔内壁之间的摩擦产生库伦摩擦阻尼。所述冲击减振刀杆在使用前首先给心轴组件4施加合适的预紧力，心轴组件4收到拉应力的作用反过来对刀体5施加一定的压应力，刀体产生微量的压缩变形，依据材料力学原理，压应力的作用可以较大的强化刀体静态刚度，并可提高刀体的疲劳强度，从而有效降低单位横向冲击载荷作用下刀体5的相对振动形变量。

刀体5的振动幅值主要受刚度和阻尼两个条件影响，提高刀体5的阻尼是降低长悬伸铣刀振动的另一有效途径，刀体5与心轴组件4同轴安装，刀体5的形变必然导致心轴406的同步形变，由于心轴406大端受螺纹约束，心轴形变量相对刀杆较小，因而心轴406相对刀体5内孔产生轴向滑移，又因为压应力的影响，二者之间产生巨大的库伦摩擦阻尼，从而能够在较短的时间耗散巨大的振动能量，提升刀体5的动态刚度。

冲击阻尼器属于被动阻尼器的一种，冲击阻尼器利用碰撞原理消耗振动能量，冲击阻尼器具有结构简单、无需调谐、质量大等特点。利用冲击阻尼器可以降低刀杆的固有频率，防止刀具高速旋转过程中切削力引发的周期性共振现象。由于传统的冲击阻尼器冲击质量块位置的随机性，冲击质量块容易引起刀具的偏心，在高速旋转时造成较大的偏心力，导致刀具失稳，造成安全隐患，故难以在高速旋转刀具中应用。所述冲击减振铣刀刀杆的创新之处在于内置一种特别设计的自定心冲击阻尼器(减振托盘2、质量块3形成阻尼器)，该冲击阻尼器通过特定形状减振托盘2产生的转矩与电磁力的联合作用，可以有效防止刀具旋转过程中冲击质量块的长时间偏心。当刀杆收到冲击载荷作用时，球形质量块3由于自身惯性作用沿弧形凹槽204滚动，并与刀头空腔501的内壁发生连续非弹性碰撞，当质量块4的球心偏离刀杆轴线时，在重力和永磁铁201施加的磁场力的联合作用下，通过力学分析可知质量块3受到一附加力矩的作用，该力矩的作用效果恰使得质量块回归刀杆轴线位置，回复力矩的大小可以通过改变弧形凹槽204的曲率自由改变。永磁铁201的使用可以保证该回复力矩不因刀杆的空间位置改变而丧失，即使是在刀杆转轴垂直于水平面时。

Claims (9)

1.一种冲击减振式铣刀刀杆，包括刀座、减振托盘、质量块、心轴组件、刀体；

刀体头部设有空腔，尾部设有接口，中部设有轴向内孔，刀体内孔后端还设有刀尾内孔，刀尾内孔与接口连通；

心轴组件包括心轴，心轴的一端为小端，另一端为大端，心轴的小端位于刀体头部空腔中，心轴的大端固定在刀尾内孔中，心轴穿过刀体中部轴向内孔；

质量块置入刀头内腔内，位于心轴的小端与刀座外圆之间；

减振托盘与刀体头部空腔固定连接，减振托盘一侧设有弧形凹槽，弧形凹槽用于放置质量块，另一侧设有盲孔，盲孔用于填充强永磁铁，永磁铁将铁磁质质量块吸附于减振托盘之上；

刀座与刀体的空腔通过螺纹固定连接，刀座顶端设有端键，用于刀盘安装。

2.根据权利要求1所述的一种冲击减振式铣刀刀杆，所述的心轴的小端通过六角螺母固定，六角螺母与刀体之间设有防松垫片。

3.根据权利要求1所述的一种冲击减振式铣刀刀杆，所述的刀座由工具钢或者硬质合金制成，在其上端端键的传动部分依据GB/T6132-1993选用。

4.根据权利要求1所述的一种冲击减振式铣刀刀杆，所述的刀座底座外圆直径为刀体头部直径的65％～70％，外圆与刀体头部空腔连接。

5.根据权利要求1所述的一种冲击减振式铣刀刀杆，所述的刀体由工具钢或硬质合金制成，设有3°锥角。

6.根据权利要求1所述的一种冲击减振式铣刀刀杆，所述的刀体的尾部接口执行ISO26623-1标准。

7.根据权利要求1所述的一种冲击减振式铣刀刀杆，所述的减振托盘由非铁磁质材料制成。

8.根据权利要求1所述的一种冲击减振式铣刀刀杆，所述的永磁铁采用钕铁硼材料制成。

9.根据权利要求1所述的一种冲击减振式铣刀刀杆，所述的质量块为圆形金属球，材料为钨钢，金属球与刀体内壁最小间隙为0.1mm。