一种基于磁流变液剪切式阻尼减振镗杆及其控制方法

1.本发明涉及一种基于磁流变液剪切式阻尼减振镗杆及其控制方法，属于切削加工技术领域。


背景技术：

2.金属切削是金属成形工艺中的材料去除加成形方法，在当今的机械制造中占有很大的比例。内孔是机械零件的重要组成之一，在机械零件中，带孔零件一般要占零件总数的50％-80％。内孔加工一般分为一般孔加工和深孔加工。
3.在深孔加工中，最常用到的工具是镗杆。镗杆是镗床、深孔钻镗床与相应的钻头、镗头、滚压头及组合镗滚头的联接杆。但是，在加工过程中，现有镗杆存在如下问题：
4.由于镗杆悬臂梁结构的刚度较低，当镗杆长径比较大时，经常会发生振动。在金属的切削加工中，振动是一种危害很大的现象，在加工中如果产生了振动，刀具与工件间将会产生相对位移，加工表面会形成振痕，严重影响零件的表面质量和性能。并且，在切削振动时，工艺系统将持续承受动态交变载荷的作用，刀具极易磨损，甚至崩刃，机床连接特性受到破坏，严重时甚至使切削加工无法继续进行。


技术实现要素：

5.本发明目的是为了解决镗杆易发生振动，进而对工件表面造成损害、影响工件精度和加工效率的问题，提供了一种基于磁流变液剪切式阻尼减振镗杆及其加工方法。
6.本发明提出的一种基于磁流变液剪切式阻尼减振镗杆，它包括镗杆、质量块、发条弹簧、粗轴、电磁铁、细轴、挡油机构、导线、控制模块、磁流变液和加速度传感器；
7.细轴的中部套装有电磁铁，细轴的两端分别固连有质量块，细轴上位于质量块的内侧套装有粗轴，粗轴的外圈套装有发条弹簧，发条弹簧上固连有挡油机构，构成质量块组件；
8.将质量块组件置于镗杆的空腔中，镗杆的内壁与发条弹簧的外圈相接；
9.两侧挡油机构形成的空腔中注入磁流变液；
10.镗杆上质量块组件的外侧通过刀头连接件与刀头连接；
11.镗杆上质量块组件内侧的镗杆中部开有导线通道，连接电磁铁和控制模块的导线置于导线通道内；
12.镗杆的外侧壁上位于刀头一侧安装有加速度传感器。
13.优选的，所述电磁铁的数量为六个，六个电磁铁等间隔固定排列，六个电磁铁之间通过导线进行连接，且导线穿过挡油机构引至导线通道。
14.优选的，所述六个电磁铁的磁极排布相同。
15.优选的，所述发条弹簧包括片式螺旋弹簧、弹簧外圈和弹簧内圈，片式螺旋弹簧置于弹簧外圈和弹簧内圈之间，粗轴的外圈与弹簧内圈套接，镗杆的内壁与弹簧外圈套接，挡油机构固连在弹簧外圈上。
16.优选的，它还包括电源，电源为控制模块提供电能。
17.本发明提出的一种基于磁流变液剪切式阻尼减振镗杆的控制方法，该控制方法的具体过程为：
18.步骤一、将减振镗杆安装在镗床上，设置转速、切深和进给量；
19.步骤二、加速度传感器实时检测加速度数据，并将实时检测的加速度数据发送至控制模块；
20.步骤三、控制模块接收到的加速度数据呈周期性变化时，控制模块实时输出电磁铁的控制电压，并调节控制电压，使得控制电压从最小值上增大到最大值；
21.同时，控制模块根据接收到的加速度数据筛选出刀头尖端加速度数据的最小值，该刀头尖端加速度数据最小值对应的控制电压为最优电压值；
22.步骤四、控制模块调节控制电压至最优电压值，使磁流变液剪切式阻尼达到最优值，对工件进行镗削加工。
23.优选的，所述对工件进行镗削加工的加工方法包括：
24.旋转工件、镗杆进给、多次走刀。
25.本发明提出的一种基于磁流变液剪切式阻尼减振镗杆及其加工方法，具有如下优点：本发明采用加速度传感器实时采集获取的加速度数据，控制模块根据加速度数据控制电磁铁的电压变化，当镗杆发生振动时，细轴带动电磁铁垂直于磁感线方向的振动，磁流变液在电磁铁的磁场作用下发生“液-固”转变，磁流变液产生剪切阻尼效应，磁流变液给电磁铁施加阻尼力，改变了固有频率，实现了镗杆的减振。
附图说明
26.图1是本发明所述一种基于磁流变液剪切式阻尼减振镗杆的结构示意图；
27.图2是图1中a部细节图；
28.图3是本发明所述一种基于磁流变液剪切式阻尼减振镗杆的外部结构示意图；
29.图4是本发明所述发条弹簧的结构示意图；
30.图5是本发明所述粗轴和细轴的位置关系示意图；
31.图6是本发明所述电磁铁通电时磁感线示意图；
32.图7是切削振动方向的示意图。
具体实施方式
33.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
35.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
36.实施例1：
37.下面结合图1-图5说明本实施方式，本实施方式所述一种基于电涡流阻尼的减振
镗杆，它包括镗杆3、质量块4、发条弹簧5、粗轴6、电磁铁7、细轴8、挡油机构9、导线10、控制模块12、磁流变液14和加速度传感器15；
38.细轴8的中部套装有电磁铁7，细轴8的两端分别固连有质量块4，细轴8上位于质量块4的内侧套装有粗轴6，粗轴6的外圈套装有发条弹簧5，发条弹簧5上固连有挡油机构9，构成质量块组件；
39.将质量块组件置于镗杆3的空腔中，镗杆3的内壁与发条弹簧5的外圈相接；
40.两侧挡油机构9形成的空腔中注入磁流变液14；
41.镗杆3上质量块组件的外侧通过刀头连接件2与刀头1连接；
42.镗杆3上质量块组件内侧的镗杆3中部开有导线通道11，连接电磁铁7和控制模块12的导线10置于导线通道11内；
43.镗杆3的外侧壁上位于刀头1一侧安装有加速度传感器15。
44.进一步的，所述电磁铁7的数量为六个，六个电磁铁7等间隔固定排列，六个电磁铁7之间通过导线10进行连接，且导线10穿过挡油机构9引至导线通道11。
45.再进一步的，所述六个电磁铁7的磁极排布相同。
46.本实施方式中，六个电磁铁7的磁极排布左右完全相同，这可以保证电磁铁7通电时，两两电磁铁之间的磁感线均为水平线。该磁感线的水平布置为接下来用到磁流变液的剪切阻尼性质打下基础。
47.再进一步的，所述发条弹簧5包括片式螺旋弹簧16、弹簧外圈17和弹簧内圈18，片式螺旋弹簧16置于弹簧外圈17和弹簧内圈18之间，粗轴6的外圈与弹簧内圈18套接，镗杆3的内壁与弹簧外圈17套接，挡油机构9固连在弹簧外圈17上。
48.再进一步的，它还包括电源13，电源13为控制模块12提供电能。
49.实施例2：
50.下面结合图1-图3说明本实施方式，本实施方式所述一种基于磁流变液剪切式阻尼减振镗杆的加工方法，该加工方法的具体过程为：
51.将减振镗杆安装在镗床上，设置转速、切深和进给量；
52.加速度传感器15实时检测加速度数据，并将实时检测的加速度数据发送至控制模块12；
53.控制模块12接收到的加速度数据呈周期性变化时，控制模块12实时输出电磁铁(11)的控制电压，并调节控制电压，使得控制电压从最小值上增大到最大值；
54.同时，控制模块12根据接收到的加速度数据筛选出刀头1尖端加速度数据的最小值，该刀头1尖端加速度数据最小值对应的控制电压为最优电压值；
55.控制模块12调节控制电压至最优电压值，使磁流变液剪切式阻尼达到最优值，对工件进行镗削加工。
56.本发明中，下面结合图1-图7说明本发明的工作原理：
57.在镗杆内部空腔的前端安装有动力吸振器(动力吸振器能够利用共振系统吸收物体的振动能量，以减小物体振动)，动力吸振器能够吸收切削振动时产生的能量。通过改变动力吸振器的参数(动力吸振器的质量m、刚度k、阻尼c)可以改变动力吸振器的减振效果，但是动力吸振器的质量m很难改变，通常改变刚度k和阻尼c，本技术通过改变阻尼c来实现动力吸振器的减振的改变。
58.典型的磁流变液14是由微米级磁性颗粒分散于载液(油或水)中形成的悬浮液，其物理状态和流变特性能够随外加磁场的变化而发生变化：在无外磁场作用下表现为流动良好的液体状态，而在磁场作用下，黏度可瞬间增加两个数量级以上，并呈现类似固体的力学特性，去掉磁场后，又变成自由流动的流体。所以磁场强度的变化会使磁流变液14的粘滞阻尼发生变化。
59.磁流变液一共有三种工作模式：流动模式、剪切模式和挤压模式。目前，对磁流变液力学性能的研究主要集中在剪切性能上，原因在于相对于其他的力学量，磁流变液的剪切模量(储能模量和损耗模量)随外加磁场的变化更加明显。
60.磁流变液14的阻尼力主要由磁流变液14的剪切应力提供，但是可以通过调节电磁铁7的磁感应强度大小，间接调节阻尼力的大小。
61.电磁铁7通过控制模块12进行通电/断电控制，通过控制电磁铁7的电压大小来控制其磁感应强度的大小。
62.当电磁铁7通电时，磁感线方向如图6所示，在两两电磁铁7之间的空隙中，磁感线始终是垂直于电磁铁7的左右端面上，而这些端面恰恰是磁流变液14剪切阻尼力的主要工作位置。而微观上看，磁流变液14内的磁性颗粒在磁场的作用下会成链状排布，并且成链方向与磁感线方向一致。所以图6中的电磁铁7通电时，磁性颗粒的成链方向一定是水平的，并与电磁铁7的端面垂直。电磁铁7通电时，当镗杆3发生振动(切削振动方向是在x,z平面上，如图7所示)，镗杆3的振动使发条弹簧5振动，从而使细轴8振动，细轴8会带动电磁铁7垂直于其磁感线方向振动，磁流变液14与电磁铁7的表面产生剪切应力，从而使磁流变液14对电磁铁7产生阻尼力。
63.虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。