一种粘弹性约束阻尼结构减振车刀杆的制作方法

本发明涉及一种切削加工刀具，尤其涉及一种粘弹性约束阻尼结构减振车刀杆。

背景技术：

车削颤振主要来源于工件和刀杆，例如车削薄壁件或使用长悬伸车刀杆时极易出现振动。车削加工过程中，弱刚性的工件或车刀杆受到动态切削力的作用而产生弯曲振动，加工稳定性变差，并在工件表面留下振纹，严重影响加工质量和加工精度，降低了刀具寿命。一般地，当刀杆的长径比超过四时，刀杆本身的刚度就已无法满足加工要求，因此需要采用一定的减振控制策略减小切削加工过程中的振动。

目前，普遍使用三种策略减小车削颤振，一是调整切削参数，比如减小主轴转速或切削深度，但这样必然导致加工效率降低；二是施加外界激励，直接抵消切削加工过程中产生的振动，常用有压电陶瓷激振器、惯性阻尼器等，这类方法减振效果较好，然而其系统及结构较复杂，自动检测装置、控制器和执行器均需要精确的控制，可靠性较差，因此应用较为局限；三是提高车刀杆的减振性能，比如使用新型材料提高刀杆的静刚度，设计冲击或摩擦减振器等，该方法所设计刀杆的结构简单，可起到一定的减振作用，然而该类结构一经设计制造成型后其模态参数不能改变，无法适应复杂多变的切削环境，存在一定的局限性。

约束阻尼结构具有较强的振动损耗能力，主要利用粘弹性阻尼层的剪切变形耗能，粘弹性阻尼材料是应用较为广泛的一种高分子聚合物材料，其阻尼性能主要源于聚合物的内耗。当振动力作用于阻尼层时，聚合物内部产生拉伸、弯曲或剪切变形，作用于聚合物弹性成分的机械能被储存起来，外力除去后又释放出去，重新返回外界，变形恢复；而作用于粘性成分的机械能转化为热能而被耗散掉，变形不能恢复，振动幅值随时间迅速衰减。粘弹性阻尼材料具有动态力学性能，其阻尼性能受温度和频率的影响较大，因此粘弹性约束阻尼结构具有较强的适应能力。

综上所述，现有技术中对于减小车削过程中车刀颤振的问题，尚缺乏有效的解决方案。约束阻尼结构为车刀减振提供了新的思路。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种在弱刚性长悬伸车削加工中耗散振动能量，并提高加工稳定性的粘弹性约束阻尼结构减振车刀杆，利用粘弹性材料阻尼特性的频变特点，在高速切削条件下能发挥更好的减振效果，可提高加工效率、加工质量和加工精度，且其结构可靠、经济性强。

本发明采用下述技术方案：

一种粘弹性约束阻尼结构减振车刀杆，包括基体和刀头，在车刀杆的基体上利用阻尼胶粘剂形成的阻尼胶粘层粘接一层粘弹性阻尼层，并在粘弹性阻尼层上粘接一层约束层形成约束阻尼结构；车削加工过程中刀头处产生的振动能量首先传递到基体，随后从基体传递到粘弹性阻尼层和约束层，由于粘弹性阻尼层的拉伸和压缩变形受到约束层的抑制，因此在粘弹性阻尼层中将产生剪切变形，并通过剪切耗能将振动能量转化为热能耗散，可减小弱刚性长悬伸车刀杆的弯曲振动，由此实现抑制车削颤振，提高车削稳定性的目的。

进一步的，所述的基体采用合金钢材料。

进一步的，所述的阻尼胶粘剂为环氧树脂型胶粘剂。

进一步的，所述的阻尼胶粘层的厚度小于0.5mm。

进一步的，所述的阻尼胶粘层的粘接方向为车刀杆进给方向。

进一步的，所述的阻尼胶粘层粘接后采用无加压方式放置48小时。

进一步的，所述的粘弹性阻尼层采用具有高阻尼粘弹性的材料，如聚氨酯橡胶，其阻尼性能用剪切模量和剪切损耗因子表征，二者都具有较强的温度依赖性和频率依赖性；在阻尼减振车刀杆切削加工过程中，粘弹性阻尼材料的工作温度基本不变，而受时变切削力的影响，粘弹性阻尼材料的工作频率不断变化，在一定范围内，其阻尼性能随着主轴转速(工作频率)的增大而增大，即主轴转速越高，所述阻尼减振车刀杆的振动损耗能力越强，减振效果越好。

进一步的，所述的约束层采用硬质合金等高密度金属材料、高刚性材料。

进一步的，所述的车刀杆的截面为方形或圆形。

进一步的，所述的车刀杆适用于普通车床和数控车床。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明将约束阻尼结构减振技术应用在车刀杆中，可在造价相对较低的情况下制造悬伸较长、减振效果好的车刀杆；长悬伸车刀杆允许设计较长的粘弹性阻尼层，在一定范围内，主轴转速越高，粘弹性阻尼材料的阻尼性能越好，更能充分发挥其剪切耗能能力；

(2)本发明的阻尼减振车刀杆可以提高加工质量和加工精度，延长刀具使用寿命；

(3)本发明的阻尼减振车刀杆能够提高生产效率，实现高效、稳定、无颤振车削加工，尤其适用于在汽车生产线，航空航天器生产线以及其他一些特殊的生产现场。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明的阻尼减振车刀杆整体结构的全剖视图；

图2为本发明的约束阻尼结构的剪切变形模型；

图3为本发明的方形车刀杆的截面图；

图4为本发明的圆形车刀杆的截面图；

图5为本发明的聚氨酯粘弹性阻尼材料的动态力学性能曲线；

图6为本发明的两种车刀杆的加速度频率响应曲线；

图7为本发明的普通车刀杆的加工表面示意图；

图8为本发明的阻尼减振车刀杆的加工表面示意图；

其中，1-约束层，2-基体，3-粘弹性阻尼层，4-阻尼胶粘层，5-刀头。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中在车削加工过程中存在车刀颤振的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种粘弹性约束阻尼结构减振车刀杆。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，提供了一种粘弹性约束阻尼结构减振车刀杆，包括基体2和刀头5，在车刀杆的基体2上利用阻尼胶粘剂形成的阻尼胶粘层4粘接一层粘弹性阻尼层3，并在粘弹性阻尼层3上粘接一层约束层1形成约束阻尼结构；车削加工过程中刀头5处产生的振动能量首先传递到基体2，随后从基体2传递到粘弹性阻尼层3和约束层1，粘弹性阻尼层3通过剪切耗能将振动能量转化为热能耗散，可减小弱刚性长悬伸车刀杆的弯曲振动，由此实现抑制车削颤振，提高车削稳定性的目的。

上述的基体2采用42crmo材料；所述的阻尼胶粘剂为环氧树脂型胶粘剂，所述的阻尼胶粘层4的厚度小于0.5mm，阻尼胶粘层4的粘接方向为车刀杆进给方向。

上述的粘弹性阻尼层3采用聚氨酯橡胶材料，粘弹性阻尼层3的阻尼性能用剪切模量和剪切损耗因子表征，二者都具有较强的温度依赖性和频率依赖性；在阻尼减振车刀杆切削加工过程中，粘弹性阻尼层3的工作温度基本不变，而受时变切削力的影响，粘弹性阻尼层3的工作频率不断变化，在一定范围内，其阻尼性能随着主轴转速(工作频率)的增大而增大，即主轴转速越高，所述阻尼减振车刀杆的振动损耗能力越强，减振效果越好。

上述的约束阻尼结构的阻尼减振性能用阻尼比来表示，由于约束阻尼结构主要靠粘弹性阻尼层3的剪切变形耗能，因此可用剪切应变能法计算其阻尼比。约束阻尼结构的剪切变形模型如图2所示，建模过程忽略了阻尼胶粘层4的影响，约束阻尼结构可视为均匀的线性复合阻尼结构，当其在激振力作用下产生谐振动之后，可用复数形式表示其应变和位移，表达式为：

式中，εn(x)和δn(x)分别表示各层的平均轴向应变和平均轴向位移。

谐振动时基体2、粘弹性阻尼层3和约束层1上单位长度的拉伸变形能、弯曲变形能和剪切变形能为：

其中，k'n＝e'nsn为各层单位长度复拉伸刚度的实部，e'n为各层材料的复弹性模量的实部，sn为各层结构截面积；b'n＝e'nin为各层单位长度复弯曲刚度的实部，θ为平均角位移；g'n为各层材料的复剪切模量的实部，γn为各层结构的平均剪切应变。

假设平均角位移θ＝θ0cospx谐和变化，则平均轴向位移和平均剪切应变也是谐和变化，可表示为：

式中，rn为各层的平均拉伸系数，pn为各层的平均剪切系数。

将单位长度能量在全波长2π/p上积分，得到平均拉伸、弯曲和剪切应变能为：

约束阻尼结构的阻尼比用振动损耗能力与总变性能之比表示：

式中，αn为各层材料的拉伸损耗因子，βn为各层材料的剪切损耗因子。

粘弹性阻尼层3在x方向上的平均轴向位移为：

其中：δa＝δc+yatanθ≈δc+θya，δb＝δs-ybtanθ≈δs-θyb。

将粘弹性阻尼层3横截面中线s上的各点位移在全长b上取平均值，得平均拉伸系数和平均剪切系数的第一独立方程为：

粘弹性阻尼层3在y方向上的相对剪切应变为：

作用于粘弹性阻尼层3的平均剪切应力为：

联立式(8)(9)可得：

式中，kn＝k'n(1+iαn)为复拉伸刚度。gd＝g'd(1+iβn)为粘弹性阻尼层3的复剪切模量。

将式(10)中粘弹性阻尼层3横截面中线全长b上积分得第二独立方程为：

第三独立方程为力的平衡方程：

将δn＝θrn，代入独立方程式(7)(11)(12)，化简整理得平均拉伸系数求解方程组为：

式中，阵型波数ω＝2πf为角频率。基体2和约束层1的材料为42crmo，其拉伸及剪切损耗因子可忽略不计(αs＝αc＝βs＝βc＝0)；粘弹性阻尼层3的拉伸损耗因子等于剪切损耗因子(αd＝βd)，对于各层刚度参数有：ks＝k′s，kc＝k′c，bs＝b′s，bc＝b′c。

约束阻尼结构主要利用粘弹性阻尼层3的剪切变形耗散振动能量，基体2和约束层1的平均剪切系数忽略不计。将解得的基体2、粘弹性阻尼层3及约束层1的各层平均拉伸系数和公式γd＝θpd代入式(6)，求得粘弹性阻尼层3的平均剪切系数。根据能量法的定义，粘弹性约束阻尼结构的阻尼比为：

利用粘弹性约束阻尼结构阻尼比计算模型，以阻尼比最大化为优化目标，对阻尼减振车刀杆的各层结构尺寸和粘弹性阻尼材料进行优化和优选，最终选择聚氨酯橡胶作为优化的粘弹性阻尼层3，聚氨酯橡胶的动态力学性能如图5所示，图中实线为剪切储能模量，虚线为剪切损耗因子。

如图1所示为本申请阻尼减振车刀杆的结构示意图，约束阻尼结构有两种设计方案，即如图3所示的板类约束阻尼结构和如图4所示的轴类约束阻尼结构，可分别应用在长悬伸外圆车刀杆和内孔车刀杆的减振处理中。

根据结构设计优化的结果，首先将车刀杆毛坯通过铣削加工成阻尼减振车刀杆的基体和刀头部分，粘弹性阻尼层和约束层也通过铣削加工成型备用。

借助阻尼胶粘剂将金属与阻尼材料粘接，粘接剂选用环氧树脂胶，特点是固化时间长，贴合后位置可以调整，固化后粘接强度极高，且其模量比阻尼层高，有利于将振动从基体2传递到粘弹性阻尼层3和约束层1。粘接前使用丙酮除去金属和阻尼材料表面的油污和油脂，提高金属和阻尼材料的粘结强度和使用寿命。粘接过程中将胶粘剂均匀涂刷到各层表面，用滚轮反复滚压使其紧密贴合，排除胶中气泡，保证胶粘层厚度小于0.5mm，贴合后采用无加压方式放置48小时。

图6为本发明阻尼减振车刀杆与普通车刀杆模态测试结果对比，阻尼减振车刀杆的阻尼比同比增大了95％，减振性能大大提升。

图7为本普通车刀杆的加工表面示意图，图8为阻尼减振车刀杆的加工表面示意图，通过阻尼减振车刀杆与普通车刀杆在相同切削加工参数下的加工表面对比，可见在进给方向上普通车刀杆的加工表面出现明显振纹，而阻尼减振车刀杆的加工表面只有进给痕迹，没有振纹，表面粗糙度同比降低50％。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。