本發(fā)明涉及數(shù)控刀具領(lǐng)域，特別地涉及一種點陣-顆粒阻尼雙重減振刀具及其設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

1、隨著航空航天、汽車制造等領(lǐng)域的發(fā)展，零部件的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，對關(guān)鍵零部件加工質(zhì)量和加工精度的要求也越來越高。高質(zhì)高效加工切削技術(shù)作為現(xiàn)代先進(jìn)制造工藝技術(shù)，是機械加工技術(shù)發(fā)展的重要發(fā)展方向。隨著被加工材料力學(xué)性能的不斷提高，高強和超高強度材料、高韌性、難加工(如高強高韌鈦合金tc18、tc21和高溫合金gh4169等)材料層出不窮，對切削刀具材料和結(jié)構(gòu)的可靠性提出了更加苛刻的技術(shù)要求。采用新刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)難加工材料的高質(zhì)高效加工是提高切削效率，提升生產(chǎn)經(jīng)濟效益的重要途經(jīng)。

2、現(xiàn)有技術(shù)中，摩擦阻尼原理被應(yīng)用在減振銑刀桿的設(shè)計中，令減振銑刀桿的極限軸向切削深度與相同尺寸的普通銑刀桿相比提高，但摩擦阻尼器對材料耐磨性要求很高，且一定程度上降低了銑刀桿的剛度和使用壽命。

3、現(xiàn)有技術(shù)中，在刀具中加入由泡沫鋁、環(huán)氧橡膠、聚甲基丙烯酸甲酯、和聚氨酯橡膠制成的約束阻尼層，并對阻尼層材料厚度進(jìn)行尺寸優(yōu)化設(shè)計，增大了鏜桿的靜剛度和結(jié)構(gòu)損耗因子，提高了鏜孔的加工質(zhì)量。但由高分子材料構(gòu)成的阻尼層會在刀腔內(nèi)占用較大的空間，只能用在沒有空間限制的場合，如大外伸長度和直徑的切削刀具。

4、專利號為202310390928.4的中國專利公開的點陣刀具的設(shè)計方法，在刀具內(nèi)部填充點陣結(jié)構(gòu)，通過改變點陣結(jié)構(gòu)參數(shù)使刀具的頻率與機床主軸的固有頻率一致，從而降低刀尖處的頻響，提高了切削的穩(wěn)定性。

5、以上現(xiàn)有技術(shù)雖然都一定程度的實現(xiàn)了刀具的減振，提高了加工質(zhì)量，但仍然存在刀具壽命縮減，與刀具適用性不強等問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了提高加工效率與加工質(zhì)量，本發(fā)明設(shè)計了一種點陣-顆粒阻尼雙重減振刀具，通過在刀具內(nèi)腔適當(dāng)?shù)奈恢锰畛浜线m構(gòu)型的點陣結(jié)構(gòu)，使刀具的固有頻率與機床主軸的固有頻率相接近，使在切削時發(fā)生動力吸振，降低整個系統(tǒng)的振動幅值。再與阻尼顆粒結(jié)合，將顆粒加入點陣結(jié)構(gòu)中，提高阻尼顆粒與刀具內(nèi)腔碰撞的概率，為刀具提供雙重減振途徑，從而達(dá)到提升加工效率與加工質(zhì)量的目的。

2、一種點陣-顆粒阻尼雙重減振刀具的設(shè)計方法，其過程包括下述步驟：

3、(a)利用刀具的固有頻率接近機床主軸-刀柄的主頻率，在切削加工時會發(fā)生動力吸振從而降低整個系統(tǒng)的振動幅值的原理，在刀具內(nèi)部填充點陣結(jié)構(gòu)。

4、首先設(shè)計或選擇出阻尼比較大的點陣單胞結(jié)構(gòu)，然后以刀具整體靜剛度最大為優(yōu)化目標(biāo)，以刀具固有頻率接近與所使用的機床主軸的固有頻率為約束，以填充的點陣結(jié)構(gòu)的桿徑和單胞大小為設(shè)計變量，對填充點陣結(jié)構(gòu)的刀具進(jìn)行點陣優(yōu)化得到點陣結(jié)構(gòu)的單胞體分比、填充直徑和填充長度。

5、(b)顆粒阻尼的能量耗散包括碰撞能量耗散和摩擦能量耗散。

6、eloss＝ecollision+efriction

7、其中ecollision為碰撞耗散的能量，efriction為摩擦耗散的能量，eloss為阻尼顆粒耗散的總能量。

8、碰撞能量耗散分為法向能量耗散和切向能量耗散，碰撞能量耗散是發(fā)生在顆粒與顆粒接觸或顆粒與壁面接觸的過程時間段內(nèi)。通過將阻尼力與接觸時間內(nèi)的重疊量積分，即可得到顆粒碰撞的能量耗散。對顆粒接觸對數(shù)求和即可得到給定時刻的顆粒碰撞能量耗散。

9、

10、其中c是顆粒接觸對的數(shù)目，tcontact是顆粒接觸時間，是法向碰撞力，是切向碰撞力，δni是顆粒法向碰撞的重疊量，δti是顆粒切向碰撞的重疊量。同樣由于切向摩擦力的存在，發(fā)生滑動摩擦力時的顆粒摩擦能量耗散為：

11、

12、其中us是顆粒的靜摩擦系數(shù)。顆粒阻尼器在一個振動周期內(nèi)的損耗功率為：

13、

14、其中p是顆粒阻尼器在一個振動周期內(nèi)的損耗功率，t是振動周期。

15、基于步驟(a)中確定的點陣刀具構(gòu)型，先任選一種粒徑小于點陣空隙的阻尼顆粒，設(shè)置不同的顆粒填充率。利用離散元方法，仿真計算的出顆粒接觸對的數(shù)目、接觸時間、法向碰撞力、切向碰撞力、法向碰撞的重疊量、切向碰撞的重疊量等參數(shù)，將參數(shù)代入上述公式中計算出不同填充率下的損耗功率，選出損耗功率最大的顆粒填充率。

16、(c)在步驟(b)中確定的填充率的基礎(chǔ)上，選擇一種材料的顆粒，顆粒阻尼減振材料有鉛、不銹鋼、鎢、鋁合金、非金屬聚合物等。設(shè)置不同的粒徑大小，粒徑大小的設(shè)置要適合點陣結(jié)構(gòu)的空隙大小。將不同粒徑大小的顆粒填入點陣刀具，利用離散元方法，仿真計算的出顆粒接觸對的數(shù)目、接觸時間、法向碰撞力、切向碰撞力、法向碰撞的重疊量、切向碰撞的重疊量等參數(shù)，將參數(shù)代入上述公式中計算出不同顆粒粒徑下的損耗功率，選出損耗功率最大的顆粒粒徑。

17、(d)在步驟(b)與步驟(c)的基礎(chǔ)上，選擇合適的顆粒填充率與顆粒粒徑，設(shè)置不同的顆粒材料，一般來說，高密度的顆粒材料可能更適合用于減振顆粒阻尼器。將不同材料的顆粒填入點陣刀具，仿真計算的出顆粒接觸對的數(shù)目、接觸時間、法向碰撞力、切向碰撞力、法向碰撞的重疊量、切向碰撞的重疊量等參數(shù)，將參數(shù)代入上述公式中計算出不同顆粒材料下的損耗功率，選出損耗功率最大的顆粒材料。

18、本發(fā)明的有益效果是：在普通的可轉(zhuǎn)位銑刀的基礎(chǔ)上引入了點陣結(jié)構(gòu)，使刀具的固有頻率與機床主軸的固有頻率相接近，發(fā)生動力吸振，降低切削過程的振動。另外在點陣刀具的基礎(chǔ)上加入阻尼顆粒，在刀具切削過程中，阻尼顆粒與點陣結(jié)構(gòu)與阻尼顆粒之間發(fā)生碰撞，進(jìn)而消耗能量，進(jìn)一步減小刀具的振動。

19、采用本發(fā)明產(chǎn)品與方法，設(shè)計出的一款點陣-顆粒阻尼雙重減振刀具與實心可轉(zhuǎn)位刀具相比，x方向一階固有頻率提升8.5％，二階固有頻率提升4.7％；y方向一階固有頻率提升4％，二階固有頻率提升3.8％，三階固有頻率提升3.1％；阻尼比方面，x方向阻尼比平均提升15.8％，y方向阻尼比平均提升63.8％；頻響函數(shù)幅值方面，x方向頻響函數(shù)幅值降低40.35％，y方向頻響函數(shù)幅值降低67.1％。同時點陣-顆粒阻尼雙重減振刀具對于難加工材料的切削穩(wěn)定性具有極大的改善，相比較于傳統(tǒng)實心刀具，臨界極限切深提升2倍，穩(wěn)定加工區(qū)域增大3倍，穩(wěn)定切削工況下加速度峰值下降22％，平均切削力峰值下降22.9％。

技術(shù)特征：

1.一種點陣-顆粒阻尼雙重減振刀具設(shè)計方法，其特征在于，包括下述步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的點陣-顆粒阻尼雙重減振刀具設(shè)計方法，其特征在于，計算損耗功率的步驟包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的點陣-顆粒阻尼雙重減振刀具設(shè)計方法，其特征在于，使用模態(tài)敲擊法測得機床主軸的固有頻率。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的點陣-顆粒阻尼雙重減振刀具設(shè)計方法，其特征在于，點陣刀具構(gòu)型為面心立方點陣結(jié)構(gòu)。

5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項所述的點陣-顆粒阻尼雙重減振刀具設(shè)計方法設(shè)計的刀具。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種點陣?顆粒阻尼雙重減振刀具及其設(shè)計方法，在普通的可轉(zhuǎn)位銑刀的基礎(chǔ)上引入了點陣結(jié)構(gòu)，使刀具的固有頻率與機床主軸的固有頻率相接近，發(fā)生動力吸振，降低切削過程的振動。另外在點陣刀具的基礎(chǔ)上加入阻尼顆粒，在刀具切削過程中，阻尼顆粒與點陣結(jié)構(gòu)與阻尼顆粒之間發(fā)生碰撞，進(jìn)而消耗能量，進(jìn)一步減小刀具的振動。

技術(shù)研發(fā)人員：楊昀,孔偉龍,劉昊林,張衛(wèi)紅
受保護(hù)的技術(shù)使用者：四川天府新區(qū)西工大先進(jìn)動力研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/9/9