薄壁件銑削過程中的可調(diào)阻尼式減振抑顫裝置及減振方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種薄壁件銑削過程中的可調(diào)阻尼式減振抑顫裝置及減振方法。傳統(tǒng)上的薄壁件減振裝置，多是針對加工機(jī)床，工裝夾具及加工刀具上改裝，優(yōu)化或者刀具的定位，加工流程安排等方面以達(dá)到抑制葉片顫振和減振的作用，但是效果大多不理想或者有限，而且經(jīng)濟(jì)投入往往很大。本發(fā)明組成包括：減振抑顫裝置（9），減振抑顫裝置包括密封腔體（8），密封腔體上平面安裝有頂板（1），密封腔體外層是約束層（7），約束層內(nèi)部安裝有阻尼層（6），阻尼層內(nèi)部安裝有阻尼層基板（5），阻尼層基板內(nèi)部裝有磁流變液（3），磁流變液中安裝有6個永久磁鐵（2），永久磁鐵外部纏繞有線圈（4）。本發(fā)明用于薄壁件銑削過程中的可調(diào)阻尼式減振抑顫裝置。
【專利說明】薄壁件鐵削過程中的可調(diào)阻尼式減振抑顫裝置及減振方法
[0001 ]
技術(shù)領(lǐng)域： 本發(fā)明設(shè)及薄壁件數(shù)控加工領(lǐng)域，具體設(shè)及當(dāng)多軸數(shù)控機(jī)床(如五軸數(shù)控機(jī)床)加工薄 壁零件，特別是加工葉輪葉片時，抑制加工過程中顫振的發(fā)生和減少薄壁振動的方法。
[0002]
【背景技術(shù)】： 目前傳統(tǒng)上的薄壁件減振抑顫裝置，大多是針對加工機(jī)床，工裝夾具W及加工刀具上 改裝，優(yōu)化或者刀具的定位，加工流程安排等方面W達(dá)到抑制葉片顫振和減振的作用，但是 效果大多不理想或者有限，而且經(jīng)濟(jì)投入往往很大。隨著近代工業(yè)的快速發(fā)展，作為薄壁零 件的葉片被廣泛應(yīng)用于機(jī)床，車輛，航空航天中等民用或軍工領(lǐng)域，而其葉片型面大多為非 可展直紋面和自由曲面，其加工質(zhì)量的優(yōu)劣直接決定著整機(jī)性能，因此它扮演著重要的角 色，但由于葉片具有壁薄、剛性差、厚度時變、加工余量大等特點(diǎn)，加工過程易產(chǎn)生顫振，運(yùn) 不僅會降低零件的加工精度、影響機(jī)床及刀具使用壽命，還會嚴(yán)重制約切削效率，所W機(jī)床 上葉輪加工的減振問題就十分重要； 另一方面，對于薄壁件，除了考慮顫振外，另一個嚴(yán)重的問題是即使加工中薄壁件不發(fā) 生顫振，但是由于薄壁件壁薄剛性差，加工中振動劇烈，運(yùn)導(dǎo)致加工尺寸，零件的精度大大 降低，制約著薄壁件的高精度加工，所W怎樣抑制薄壁件的振動也是機(jī)械加工領(lǐng)域的一大 課題； 總結(jié)起來，大約有W下幾種:通過機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或者結(jié)構(gòu)優(yōu)化W提高機(jī)床的抗顫和減 振性能，增大機(jī)床加工系統(tǒng)的阻尼，通過改變接觸剛度、改變加工工藝，主動控制方法就是 應(yīng)用控制理論從外部供給能量進(jìn)行主動補(bǔ)償控制等，到目前為止，在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中只 有很少的解決方案行之有效，特別在抑制銳削顫振方面。
[0003]

【發(fā)明內(nèi)容】
： 本發(fā)明的目的是提供一種薄壁件銳削過程中的可調(diào)阻尼式減振抑顫裝置及減振方法。
[0004] 上述的目的通過W下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)： 一種薄壁件銳削過程中的可調(diào)阻尼式減振抑顫裝置，其組成包括:減振抑顫裝置，所述 的減振抑顫裝置包括密封腔體，所述的密封腔體上平面安裝有頂板，所述的密封腔體外層 是約束層，所述的約束層內(nèi)部安裝有阻尼層，所述的阻尼層內(nèi)部安裝有阻尼層基板，所述的 阻尼層基板內(nèi)部裝有磁流變液，所述的磁流變液中安裝有6個永久磁鐵，所述的永久磁鐵外 部纏繞有線圈。
[0005] 所述的薄壁件銳削過程中的可調(diào)阻尼式減振抑顫裝置，所述的永久磁鐵分成2排 平行布置并且每排3個，所述的永久磁鐵上平面與所述的頂板貼合。
[0006] 所述的薄壁件銳削過程中的可調(diào)阻尼式減振抑顫裝置，所述的減振抑顫裝置通過 強(qiáng)力吸附雙面膠與葉片的一個側(cè)面粘接，所述的葉片另一個側(cè)面是待加工面(采用球頭銳 刀加工）。
[0007] -種薄壁件銳削過程中的可調(diào)阻尼式減振抑顫裝置及減振方法。該方法包括如下 步驟:首先是將減振抑顫裝置通過強(qiáng)力吸附雙面膠直接貼附于待加工葉片的背面，貼附后 的減振抑顫裝置在葉片加工時不發(fā)生位移錯動，所述的減振抑顫裝置內(nèi)的磁流變液體和外 層的阻尼層共同發(fā)生作用來抑制葉片的顫振、減少切削振動； 所述的薄壁件銳削過程中的可調(diào)阻尼式減振抑顫裝置的阻尼層，是一種約束阻尼結(jié) 構(gòu)，由Ξ部分構(gòu)成，約束層，阻尼層和阻尼層基板，阻尼層位于約束層和基板之間，約束阻尼 結(jié)構(gòu)使用較薄的阻尼層就可得到較大的結(jié)構(gòu)損耗因子，所W可W損耗更多的振動能量，阻 尼層基板也就是密封腔體外層，安裝方式就是將阻尼層粘貼在阻尼層基板的表面，約束層 粘貼在阻尼層的表面，約束層的表面還有吸收能量的裝置，在銳削薄壁件時葉片產(chǎn)生的彎 曲變形將會拉伸阻尼層，但約束層的伸長遠(yuǎn)小于阻尼層的伸長，所W約束層將抑制阻尼層 的伸長； 當(dāng)阻尼層壓縮時，阻尼層的縮短遠(yuǎn)大于約束層的縮短，此時約束層將抑制阻尼層的壓 縮，由于阻尼層的拉伸和壓縮收到約束層的限制，因此，阻尼層可W承受拉伸和壓縮交變載 荷，振動能量被阻尼層大量耗散，即可實(shí)現(xiàn)切削時抑制顫振及減小振動的目的，同時貼附在 型腔外部底側(cè)的阻尼層可W有效地減少振動、破壞共振的發(fā)生，其原理是阻尼層的彈性可 W破壞共振機(jī)制； 所述的減振抑顫裝置中的磁流變液體與6個線圈中通過的可變電流發(fā)生作用，從而改 變磁流變液體的粘度、密度，也就改變了磁流變液體的剛度，產(chǎn)生阻尼力，W此達(dá)到吸收薄 壁件銳削過程中的產(chǎn)生的振動和顫振的作用，磁流變液體介質(zhì)的濃度和密度直接影響著顫 振效果和頻率的調(diào)巧化圍； 所述的減振抑顫裝置中的磁流變液體，在葉片加工時，其振動方向絕大部分平行于磁 極方向，運(yùn)保證了磁力線與腔體內(nèi)的磁流變液體的流動方向和振動方向都垂直，運(yùn)就會使 磁流變液體的剪切屈服強(qiáng)度發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)對阻尼力矩的控制，W此來改變減振抑顫 裝置的阻尼力。
[000引有益效果： 1.本發(fā)明是一種薄壁件銳削過程中的可調(diào)阻尼式減振抑顫裝置，本發(fā)明主要采用可調(diào) 阻尼抑制葉片顫振的裝置，直接貼附于被加工葉片的背面，減振抑顫裝置內(nèi)的磁流變液體 和外層的阻尼層發(fā)生作用來抑制葉片的顫振。
[0009] 本發(fā)明采用密封腔體是絕緣的非金屬型腔，里面充有磁流變液體，并且在型腔里 面上側(cè)均勻的布置了6個永久磁鐵，密致線圈纏繞在永久磁鐵上，同時型腔底側(cè)W及四周貼 附著阻尼層，通過上述結(jié)構(gòu)，將裝置布置在葉片加工背側(cè)，當(dāng)?shù)毒呒庸と~片而引起葉片的強(qiáng) 烈顫振，可變電流通過線圈，而引起磁流變液體粘度、密度的改變，從而引起剛度的改變，從 而產(chǎn)生強(qiáng)烈的阻尼力加之阻尼層產(chǎn)生的阻尼力來共同抑制葉片的振動。
[0010] 本發(fā)明的密封腔體依據(jù)葉片的曲面外形而定，體積小，非金屬軟質(zhì)塑料板有一定 的變形空間，所W可W吻合的貼附于加工葉片上。
[0011] 本發(fā)明可依據(jù)待加工葉片的大小來布局裝置，W及對可變電流的調(diào)節(jié)，改變磁場 的強(qiáng)弱，來相應(yīng)調(diào)整裝置的適用范圍W及效果，抑制葉片顫振的效果非常明顯。
[0012] 本發(fā)明的阻尼層，為約束阻尼結(jié)構(gòu)，其由Ξ部分構(gòu)成:約束層，阻尼層和阻尼基板， 阻尼層位于約束層和阻尼基板之間，約束阻尼結(jié)構(gòu)使用較薄的阻尼層就可得到較大的結(jié)構(gòu) 損耗因子，可W耗散更多的振動能量，其減振效果也非常好，基板也就是密封腔體外層，安 裝方式就是將阻尼層粘貼在基板的表面，約束層粘貼在阻尼層的表面，約束層的表面還有 吸收能量的裝置，在銳削薄壁件時葉片產(chǎn)生的彎曲變形將拉伸阻尼層，而約束層的伸長遠(yuǎn) 小于阻尼層的伸長，此時約束層將抑制阻尼層的伸長，當(dāng)阻尼層壓縮時，阻尼層的縮短遠(yuǎn)大 于約束層的縮短，此時約束層將抑制阻尼層的壓縮，由于阻尼層的拉伸和壓縮收到約束層 的限制，因此，阻尼層可W承受拉伸和壓縮交變載荷，振動能量被阻尼層大量耗散，因此可 實(shí)現(xiàn)切削時減少振動、抑制顫振的目的，從而提高切削時的穩(wěn)定性。
[0013] 本發(fā)明貼附在型腔外部底側(cè)的阻尼層可W有效地吸收振動能量、破壞共振的發(fā) 生，其原理是阻尼層的彈性可W破壞共振機(jī)制。
[0014] 本發(fā)明的減振抑顫裝置能夠使待加工的工件顫振得W明顯改善，加工質(zhì)量及加工 精度大幅提局，效果明顯。
[0015] 本發(fā)明的減振抑顫裝置中的密封腔體外層的阻尼層也產(chǎn)生強(qiáng)大的阻尼力來抑制 顫振，該產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，而阻尼力較大可控，能夠很好地滿足葉片不同振動條件 下的需要。
[0016]
【附圖說明】： 附圖1是本發(fā)明的左視圖。
[0017] 附圖2是本發(fā)明的主視圖。
[001引附圖3是附圖1的A-A剖視圖。
[0019]附圖4是附圖帥B-B剖視圖。
[0020]附圖5是本發(fā)明的安裝位置圖之一。
[0021 ]附圖6是本發(fā)明的安裝位置圖之二。
[0022] 附圖7是本發(fā)明的葉片使用減振抑顫裝置前振幅圖。
[0023] 附圖8是本發(fā)明的葉片使用減振抑顫裝置后振幅圖。
[0024]
【具體實(shí)施方式】： 實(shí)施例1: 一種薄壁件銳削過程中的可調(diào)阻尼式減振抑顫裝置，其組成包括:減振抑顫裝置9,所 述的減振抑顫裝置包括密封腔體8,所述的密封腔體上平面安裝有頂板1，所述的密封腔體 外層是約束層7,所述的約束層內(nèi)部安裝有阻尼層6,所述的阻尼層內(nèi)部安裝有阻尼層基板 5,所述的阻尼層基板內(nèi)部裝有磁流變液3,所述的磁流變液中安裝有6個永久磁鐵2,所述的 永久磁鐵外部纏繞有線圈4。
[0025] 實(shí)施例2: 根據(jù)實(shí)施例1所述的薄壁件銳削過程中的可調(diào)阻尼式減振抑顫裝置，所述的永久磁鐵 分成2排平行布置并且每排3個，所述的永久磁鐵上平面與所述的頂板貼合。
[0026] 實(shí)施例3: 根據(jù)實(shí)施例1或2所述的薄壁件銳削過程中的可調(diào)阻尼式減振抑顫裝置，所述的減振抑 顫裝置通過強(qiáng)力吸附雙面膠與葉片10的一個側(cè)面粘接，所述的葉片另一個側(cè)面是待加工面 (采用球頭銳刀加工）。
[0027] 實(shí)施例4: 一種利用實(shí)施例1-3所述的薄壁件銳削過程中的可調(diào)阻尼式減振抑顫裝置的減振方 法，本方法是:首先是將減振抑顫裝置通過強(qiáng)力吸附雙面膠直接貼附于待加工葉片的背面， 貼附后的減振抑顫裝置在葉片加工時不發(fā)生位移錯動，所述的減振抑顫裝置內(nèi)的磁流變液 體和外層的阻尼層發(fā)生作用來抑制葉片的顫振、減少切削振動； 所述的薄壁件銳削過程中的可調(diào)阻尼式減振抑顫裝置的阻尼層，是一種約束阻尼結(jié) 構(gòu)，由Ξ部分構(gòu)成，約束層，阻尼層和阻尼層基板，阻尼層位于約束層和基板之間，約束阻尼 結(jié)構(gòu)使用較薄的阻尼層就可得到較大的結(jié)構(gòu)損耗因子，所W可W損耗更多的振動能量，阻 尼層基板也就是密封腔體外層，安裝方式就是將阻尼層粘貼在阻尼層基板的表面，約束層 粘貼在阻尼層的表面，約束層的表面還有吸收能量的裝置，在銳削薄壁件時葉片產(chǎn)生的彎 曲變形將會拉伸阻尼層，但約束層的伸長遠(yuǎn)小于阻尼層的伸長，所W約束層將抑制阻尼層 的伸長； 當(dāng)阻尼層壓縮時，阻尼層的縮短遠(yuǎn)大于約束層的縮短，此時約束層將抑制阻尼層的壓 縮，由于阻尼層的拉伸和壓縮收到約束層的限制，因此，阻尼層可W承受拉伸和壓縮交變載 荷，振動能量被阻尼層大量耗散，即可實(shí)現(xiàn)切削時抑制顫振及減小振動的目的，同時貼附在 型腔外部底側(cè)的阻尼層可W有效地減少振動、破壞共振的發(fā)生，其原理是阻尼層的彈性可 W破壞共振機(jī)制； 所述的減振抑顫裝置中的磁流變液體與6個線圈中通過的可變電流發(fā)生作用，從而改 變磁流變液體的粘度、密度，也就改變了磁流變液體的剛度，產(chǎn)生阻尼力，W此達(dá)到吸收薄 壁件銳削過程中的產(chǎn)生的振動和顫振的作用，磁流變液體介質(zhì)的濃度和密度直接影響著顫 振效果和頻率的調(diào)巧化圍； 所述的減振抑顫裝置中的磁流變液體，在葉片加工時，其振動方向絕大部分平行于磁 極方向，運(yùn)保證了磁力線與腔體內(nèi)的磁流變液體的流動方向和振動方向都垂直，運(yùn)就會使 磁流變液體的剪切屈服強(qiáng)度發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)對阻尼力矩的控制，W此來改變減振抑顫 裝置的阻尼力。
[002引實(shí)施例5: 根據(jù)實(shí)施例1-4所述的薄壁件銳削過程中的可調(diào)阻尼式減振抑顫裝置的安裝，所述的 腔體為非金屬軟質(zhì)塑料板，選擇好可調(diào)阻尼抑制葉片顫振的裝置后，打開強(qiáng)力吸附雙面膠， 先輕輕順次貼附在被加工葉片的背側(cè)，再用力敲打使其牢固，保證強(qiáng)力吸附雙面膠和葉片 之間不留縫隙；機(jī)床開啟后，球頭銳刀加工葉片，可變電流通過型腔內(nèi)的線圈，與磁流變液 體發(fā)生作用，可調(diào)阻尼抑制葉片振動的裝置即開始抑制葉片的顫振、減少振動，發(fā)揮效果， 提高加工質(zhì)量;使用前要檢查減振抑顫裝置的規(guī)格，根據(jù)葉片的厚度W及加工面積，加工條 件W此合理布置可調(diào)阻尼減振抑顫裝置，為達(dá)到更好地抑制顫振和減少振動效果，可W疊 加選擇使用裝置，布局W分散布局貼附為好； 所述的頂板是硬質(zhì)塑料板，起到絕緣作用，可W作為導(dǎo)線的零線，所有的導(dǎo)線都匯聚于 硬質(zhì)塑料板內(nèi)，作為導(dǎo)線電流的輸入及控制場所，其是密封腔體，所述的導(dǎo)線即線圈，線圈 密致纏繞在磁極上，所述的磁極，由永久磁鐵組成，其依據(jù)頂板的大小和產(chǎn)生的阻尼效果， 采用分成2排平行并且每排3個布置方式，滿足最大的磁場布置，使其磁場的均勻性達(dá)到最 優(yōu)效果； 所述的密封腔體主要框架結(jié)構(gòu)，儲存所有的磁流變液體，密封非常好，液體不會因?yàn)闇p 振抑顫裝置的劇烈掙動而遺漏，采用軟質(zhì)塑料板，其非金屬性能保證不導(dǎo)電，避免與磁流變 液體發(fā)生作用而降低抑制顫振效果，其本身有一定的變形空間，腔體四周的支撐高度分別 為6畑1、6畑1、6畑1、7畑1，即底面多出1(3111的變形量，加之有一定的厚度變形，實(shí)際可控變形量多 于1cm，其本身體積小，所W滿足葉片的變形設(shè)計(jì)要求;所述的減振抑顫裝置通過強(qiáng)力吸附 雙面膠直接貼附在加工葉片上，保證貼附后的減振抑顫裝置在葉片加工時不發(fā)生位移錯 動，固定效果非常好； 所述的減振抑顫裝置是基于磁流變液體的性質(zhì)運(yùn)用而設(shè)計(jì)，磁流變流體是一種將飽和 磁感應(yīng)強(qiáng)度非常高，但磁矯頑力卻非常小的優(yōu)質(zhì)軟磁材料均勻分布在不導(dǎo)磁的母液中得液 體，一般情況下磁流變流體是自由流動液體，當(dāng)磁流變流體處于磁場環(huán)境中時，它的懸浮顆 粒被會被磁化，由磁中性變?yōu)閺?qiáng)磁性，因而相互發(fā)生作用，形成一種"鏈"狀結(jié)構(gòu)，平行于外 加磁場，從而固化了懸浮體，限制了流體的流動，磁流變液體屬可控流體，可實(shí)現(xiàn)裝置的阻 尼改變和剛度改變； 實(shí)施例6: 根據(jù)實(shí)施例1-5所述的薄壁件銳削過程中的可調(diào)阻尼式減振抑顫裝置的減振方法，基 于可調(diào)阻尼抑制葉片顫振的裝置磁流變液體與電流W及磁場產(chǎn)生的作用力計(jì)算如下:該減 振抑顫裝置長寬為40mm :則4mm，腔體四周的支撐高度分別為6皿、6皿、6皿、7皿，用磁流變液 體大約共計(jì)5.8mL，其作用力由內(nèi)部的電磁線圈產(chǎn)生的磁場與周圍磁流變液體發(fā)生作用產(chǎn) 生，在0~3 V的電壓下，內(nèi)部線圈可W產(chǎn)生0~1 A的可變電流，此時可變電流在線圈周圍產(chǎn) 生變化的磁場，其發(fā)生作用后使磁流變液逐步變粘直至固化，從而改變磁流變液的流通，也 就是改變了阻尼力的大小和剛度值。
[0029] 所述的基于可調(diào)阻尼抑制葉片顫振的裝置為葉片式磁流變液減振抑顫裝置，其阻 尼力矩為剪切阻尼力矩。根據(jù)磁流變液的本構(gòu)關(guān)系模型可求得上下板之間的剪切阻尼力/ W及剪切阻尼力矩M; 設(shè)磁流變液體是不可壓縮的，其進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，系統(tǒng)處于等溫，磁流變液體呈層流狀態(tài)， 在垂直于磁極的平面上，液體的流線是圓形。選取W磁極圓柱坐標(biāo)軸的極坐標(biāo)系，設(shè)Z軸與 轉(zhuǎn)動軸線重合。在上述假設(shè)條件下，磁流變液體的各速度分量為：
其中，轉(zhuǎn);康示徑向流速，晦表示軸向流速，而麵孩=績5義讀即為磁流變液體環(huán)繞 磁極的流速。
[0030] 根據(jù)磁流變液體的連續(xù)性方程
由于僅剩一個應(yīng)力分量，剪應(yīng)力/的下標(biāo)可略去。剪應(yīng)力可從磁流變液體產(chǎn)生的反扭 矩得到，扭矩Μ與剪切應(yīng)力穿的關(guān)系為
式中，r為磁極作用范圍內(nèi)的半徑，h為磁極的高度。在穩(wěn)態(tài)條件下，實(shí)測扭矩是常數(shù)，并 且磁流變液體環(huán)繞磁極流動產(chǎn)生的反扭矩都相等。由式(3)得到剪應(yīng)力，也就是由磁流變剪 切引起的阻尼力為
所述的基于可調(diào)阻尼抑制葉片顫振的裝置，線圈繞制在磁極上，電流通過磁極上的導(dǎo) 線傳輸。在直流電壓下，線圈流過電流，然后在磁極的線圈周圍產(chǎn)生磁場，使線圈周圍的磁 流變液體慢慢變粘直至固化，從而控制磁流變液的流通，也就是改變了阻尼力的大小和剛 度值。
[0031] 磁流變液體的剪切剛度《:可由式巧)來控制： 愛一狡棄戸趕 （5) 式中，G為磁流變液體的剪切模量，A為單個磁極周圍磁流變液體的作用的環(huán)形面積，h 為磁極的局度。
[0032] 其中，其磁流變液體的剪切模量可由下式表達(dá)：
當(dāng)選用的磁流變液體材料確定時，為了使其可控剛度有一個較大的變化范圍，可從W 下兩方面優(yōu)化結(jié)構(gòu)： 1、磁流變液體的剪切面積:增大磁流變液體的剪切面積有利于擴(kuò)大磁流變液體的剪切 剛度范圍。
[0033] 、磁流變液體的厚度:減小磁流變液體的厚度有利于擴(kuò)大磁流變液體的剪切剛度 范圍。減小磁流變液體的厚度將使顆粒鏈的長度與顆粒數(shù)減少，即η減小，導(dǎo)致磁流變液體 的磁致剪切模量減小。
[0034] 因此，要擴(kuò)大磁流變液體的剪切剛度變化范圍，應(yīng)綜合考慮磁流變液體的剪切面 積和厚度等因素。
[00巧]由可變電流產(chǎn)生的磁場：
式中，炎為線圈扎數(shù)，轉(zhuǎn)為磁場系數(shù)，?《為輸出控制力變阻尼變剛度加權(quán)系數(shù)，0 <?Κ 1;穩(wěn);。，轅《為磁流變阻尼器最小最大可變阻尼系數(shù);潔^。，鳥《為磁流變液體最小最大可變 剛度系數(shù)，Β為電流產(chǎn)生的磁通量，/為阻尼力。
[0036] 減振效果的評定方法采用位移幅值減小的百分比，其計(jì)算公式如下：
式中為為無電流輸入時上加工葉片的位移幅值，為。、,:《:為實(shí)施開關(guān)控制后上加工葉片 的位移幅值。
[0037] 阻尼層的吸振方法： 目前阻尼的結(jié)構(gòu)形式主要有兩種：自由阻尼結(jié)構(gòu)和約束阻尼結(jié)構(gòu)，自由阻尼結(jié)構(gòu)有基 板和阻尼層構(gòu)成，基板和阻尼層之間通過膠粘的方式粘在一起:約束阻尼結(jié)構(gòu)有Ξ部分構(gòu) 成：約束層，阻尼層和基板。阻尼層位于約束層和基板之間，自由阻尼結(jié)構(gòu)主要靠阻尼層的 厚度來實(shí)現(xiàn)其減振目的，而約束阻尼結(jié)構(gòu)使用較薄的阻尼層就可得到較大的結(jié)構(gòu)損耗因 子，與自由阻尼結(jié)構(gòu)相比，約束阻尼結(jié)構(gòu)可W耗散更多的振動能量，其減振效果也更好。
[0038] 在本發(fā)明中采用約束阻尼結(jié)構(gòu)，基板也就是密封腔體外層，安裝方式就是將阻尼 層粘貼在基板的表面，約束層粘貼在阻尼層的表面，約束層的表面還有吸收能量的裝置，在 切削時基板產(chǎn)生的彎曲變形將帶動阻尼層拉伸，而約束層的伸長遠(yuǎn)小于阻尼層的伸長，此 時約束層將抑制阻尼層的伸長；當(dāng)阻尼層壓縮時，阻尼層的縮短遠(yuǎn)大于約束層的縮短，此時 約束層將抑制阻尼層的壓縮，由于阻尼層的拉伸和壓縮收到約束層的限制，因此，阻尼層可 W承受拉伸和壓縮交變載荷，振動能量被阻尼層大量耗散，因此可實(shí)現(xiàn)切削時減少振動、抑 制顫振的目的，從而提高切削時的穩(wěn)定性； 約束阻尼結(jié)構(gòu)的動力學(xué)模型分析，約束阻尼結(jié)構(gòu)的Ξ維模型是長方體形式，長為L，寬 為b，基板厚度為孫，阻尼層厚度為磚，約束層厚度為Wg。在切削加工過程中，約束阻尼結(jié)構(gòu) 和薄壁件可W分別等效為質(zhì)量和的質(zhì)量塊。
[0039] 設(shè)％為研究點(diǎn)處的等效質(zhì)量；％為減振塊的質(zhì)量;為研究點(diǎn)處的等效彈性系數(shù)； 養(yǎng)為阻尼部分的等效剛度系數(shù)，??.蘭?Η焉^為等效阻尼系數(shù);F為激振力的幅值;錢為激振頻 率。
[0040] 為了簡化模型和計(jì)算，只考慮作用在等效質(zhì)量雌上的激振力探對每一部 分應(yīng)用牛頓運(yùn)動定律，得出W下運(yùn)動方程：
根據(jù)粘彈性力學(xué)模型，約束阻尼結(jié)構(gòu)的等效靜剛度和阻尼為：
式中：k為等效靜剛度;C為等效阻尼。
[0041] 根據(jù)振動力學(xué)理論可知，約束阻尼結(jié)構(gòu)的阻尼系數(shù)C可表示為：
(12) 式中:巧為結(jié)構(gòu)損耗因子。
[0042] 求解方程，可W解得垂直于阻尼結(jié)構(gòu)方向的在激振力作用下的減振位移為：
從上式可W看出影響振動量的因素為剛度k和結(jié)構(gòu)損耗因子C;，由材料力學(xué)理論知，約 束阻尼結(jié)構(gòu)的靜剛度與材料的彎曲剛度成正比，表示如下：
式中：k為阻尼結(jié)構(gòu)靜剛度；為彎曲剛度;E為彈性模量，I為慣性矩，L為阻尼結(jié)構(gòu) 的長度。
[0043] 所W約束阻尼結(jié)構(gòu)的彎曲剛度可表示為： 巧艱：:化(扮Ml汾.;； (15) 式中：強(qiáng)穩(wěn)，(鱗^，辨^分別為基板，阻尼層和約束層的彎曲剛度。
[0044] 由變形能法和粘彈性力學(xué)模型可W得出結(jié)構(gòu)損耗因子如下：
(16) 式中篆為阻尼層的材料損耗因子
^阻尼層的剪切參數(shù)，
，綜3為阻尼層的剪切模量，馬為約束層的彎曲剛度，鞍基板的彎曲剛 度
為剛度參數(shù)：
，S;，S,分別是約束層和基板繞的剛度，可W看 出影響結(jié)構(gòu)損耗因子的主要因素為阻尼結(jié)構(gòu)本身的尺寸和阻尼材料本身的特性。
[0045] 阻尼層材料選擇為粘彈性材料，因?yàn)榇瞬牧霞瓤蒞消耗能量也可W儲存能量，當(dāng) 產(chǎn)生振動時可W把一部分能量W熱能的形式耗散掉也可勢能的形式儲存起來，所W特 別適合作為約束阻尼結(jié)構(gòu)的阻尼層。在影響結(jié)構(gòu)損耗因子的阻尼參數(shù)中，材料損耗因子的 影響最大，故選擇損耗因子較大的高阻尼性材料。阻尼層的厚度定為2.2mm，約束層的厚度 為1.3mm，在此情況下選擇阻尼層材料為PMMA的有機(jī)材料，約束層采用侶材料，結(jié)構(gòu)損耗因 子可W增大一倍，因此選擇此材料的約束阻尼結(jié)構(gòu)可W有效減小振動，對加工穩(wěn)定性有很 大幫助。
[0046] 實(shí)施例7: 所述的可調(diào)阻尼式減振抑顫裝置，使用在如圖5的五軸銳削機(jī)床加工的薄壁件上，通過 測試振動傳感器測試薄壁件在坐標(biāo)系x、y、z方向的振動幅值，取1-lOs的數(shù)據(jù)，計(jì)算獲取每 秒間隔葉片的振動幅值的有效值，列表如下，對比發(fā)現(xiàn)，所述的可調(diào)阻尼式減振抑顫裝置減 振效果保持在75 %左右，效果良好，數(shù)據(jù)如下表：
基于可調(diào)阻尼抑制葉片顫振的裝置具有w下優(yōu)點(diǎn)： 1、 可調(diào)阻尼抑制葉片顫振的裝置，結(jié)構(gòu)簡單，性價比高，隨著加工葉片的顫振，相應(yīng)的 線圈的可變電流引起型腔內(nèi)磁流變液的粘度和密度的變化，從而改變液體的剛度，吸收顫 振，W此達(dá)到抑制葉片顫振的效果。運(yùn)種被動控制的裝置直接作用在顫振的葉片上起作用， 比起傳統(tǒng)上在刀具，機(jī)床或者夾具上的間接的抑制顫振效果要好； 2、 裝置的阻尼可調(diào)，抑制葉片顫振在一定的顫振頻率范圍內(nèi)有效。通過設(shè)計(jì)裝置的可 調(diào)范圍就能夠調(diào)控被加工葉片顫振的顫振頻率； 3、 裝置為了更好地抑制葉片顫振，需要合理的布置在葉片的數(shù)量和位置，W此達(dá)到抑 制效果的最優(yōu)效果； 4、 裝置的密封腔體依據(jù)葉片的曲面外形有一定的變形空間，可W吻合的貼附于加工葉 片上； 5、 貼附在型腔內(nèi)部底側(cè)的阻尼層可W有效地吸收振動的能量、破壞共振機(jī)制，從而減 少振動、避免共振現(xiàn)象的發(fā)生； 6、 磁流變液在磁場作用下，液體的流變性能發(fā)生了明顯的變化，液體的粘度增大并漸 漸缺乏流動性，當(dāng)磁場強(qiáng)度大到一定值時，磁流變液由液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)化。運(yùn)是磁流變液最吸 引人的特征，而且運(yùn)種過程快速可逆，所需電能很小，非常適用于實(shí)時控制； 7、 裝置內(nèi)布置了 6個永久磁鐵，大大增加了磁場密度，強(qiáng)化了磁場的磁力； 8、 該阻尼器特有的可控性，能實(shí)現(xiàn)迅速的無級阻尼力調(diào)節(jié)； 9、 裝置由磁流變液和阻尼層共同發(fā)揮作用減少葉片加工過程振動、抑制顫振。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種薄壁件銑削過程中的可調(diào)阻尼式減振抑顫裝置，其組成包括:減振抑顫裝置，其 特征是:所述的減振抑顫裝置包括密封腔體，所述的密封腔體上平面安裝有頂板，所述的密 封腔體外層是約束層，所述的約束層內(nèi)部安裝有阻尼層，所述的阻尼層內(nèi)部安裝有阻尼層 基板，所述的阻尼層基板內(nèi)部裝有磁流變液，所述的磁流變液中安裝有6個永久磁鐵，所述 的永久磁鐵外部纏繞有線圈。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄壁件銑削過程中的可調(diào)阻尼式減振抑顫裝置，其特征是:所 述的永久磁鐵分成2排平行布置并且每排3個，所述的永久磁鐵上平面與所述的頂板貼合。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的薄壁件銑削過程中的可調(diào)阻尼式減振抑顫裝置，其特征是:所 述的減振抑顫裝置通過強(qiáng)力吸附雙面膠與葉片的一個側(cè)面粘接，所述的葉片另一個側(cè)面是 待加工面(采用球頭銑刀加工）。4. 一種利用權(quán)利要求1-3所述的薄壁件銑削過程中的可調(diào)阻尼式減振抑顫裝置的減振 方法，其特征是:該方法包括如下步驟： 首先是將減振抑顫裝置通過強(qiáng)力吸附雙面膠直接貼附于待加工葉片的背面，貼附后的 減振抑顫裝置在葉片加工時不發(fā)生位移錯動，所述的減振抑顫裝置內(nèi)的磁流變液體和外 層的阻尼層共同發(fā)生作用來抑制葉片的顫振、減少切削振動； 所述的薄壁件銑削過程中的可調(diào)阻尼式減振抑顫裝置的阻尼層，是一種約束阻尼結(jié) 構(gòu)，由三部分構(gòu)成，約束層，阻尼層和阻尼層基板，阻尼層位于約束層和基板之間，約束阻尼 結(jié)構(gòu)使用較薄的阻尼層就可得到較大的結(jié)構(gòu)損耗因子，所以可以損耗更多的振動能量，阻 尼層基板也就是密封腔體外層，安裝方式就是將阻尼層粘貼在阻尼層基板的表面，約束層 粘貼在阻尼層的表面，約束層的表面還有吸收能量的裝置，在銑削薄壁件時葉片產(chǎn)生的彎 曲變形將會拉伸阻尼層，但約束層的伸長遠(yuǎn)小于阻尼層的伸長，所以約束層將抑制阻尼層 的伸長； 當(dāng)阻尼層壓縮時，阻尼層的縮短遠(yuǎn)大于約束層的縮短，此時約束層將抑制阻尼層的壓 縮，由于阻尼層的拉伸和壓縮收到約束層的限制，因此，阻尼層可以承受拉伸和壓縮交變載 荷，振動能量被阻尼層大量耗散，即可實(shí)現(xiàn)切削時抑制顫振及減小振動的目的，同時貼附在 型腔外部底側(cè)的阻尼層可以有效地減少振動、破壞共振的發(fā)生，其原理是阻尼層的彈性可 以破壞共振機(jī)制； 所述的減振抑顫裝置中的磁流變液體與6個線圈中通過的可變電流發(fā)生作用，從而改 變磁流變液體的粘度、密度，也就改變了磁流變液體的剛度，產(chǎn)生阻尼力，以此達(dá)到吸收薄 壁件銑削過程中的產(chǎn)生的振動和顫振的作用，磁流變液體介質(zhì)的濃度和密度直接影響著顫 振效果和頻率的調(diào)控范圍； 所述的減振抑顫裝置中的磁流變液體，在葉片加工時，其振動方向絕大部分平行于磁 極方向，這保證了磁力線與腔體內(nèi)的磁流變液體的流動方向和振動方向都垂直，這就會使 磁流變液體的剪切屈服強(qiáng)度發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)對阻尼力矩的控制，以此來改變減振抑顫 裝置的阻尼力。
【文檔編號】B23Q11/00GK105935795SQ201610415471
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年6月12日
【發(fā)明人】吳石, 劉治京, 王延福, 劉獻(xiàn)禮, 李中華
【申請人】哈爾濱理工大學(xué)