一种磁驱刚度可调式减振镗杆

1.本发明涉及一种镗杆的刚度调节技术，属于金属切削加工领域。


背景技术：

2.在金属切削加工中，内孔加工约占加工总量的33％。20世纪以前，超深孔加工技术多应用于保密的军工领域，且因加工难度大，加工成本高而闻名于整个制造业。进入21世纪后，随着科学技术的飞速发展，超深孔类零件在军用、民用领域得到了广泛的应用，其中多涉及关系国防与民生的军工、航空航天、能源装备等重大领域。
3.镗杆广泛应用于深孔加工。然而，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。且在镗削加工过程中，由于镗杆需要伸入到工件内部进行加工，工作条件封闭无法直接观测到镗杆实时的加工状态，镗杆和工件的接触在振动、切削热和切削力的作用下较为复杂，而镗杆的加工状态较差时，会对工件的表面质量造成损害，对工件的尺寸精度以及镗床的加工效率产生一定的影响。


技术实现要素：

4.针对解决镗杆振动控制的问题，本发明提供一种磁驱刚度可调式减振镗杆。
5.本发明所述一种磁驱刚度可调式减振镗杆，包括镗杆3、刚度调节单元、控制单元11和电源10，电源10为控制单元11和刚度调节单元提供工作电源，控制单元11输出指令给刚度调节单元以实现镗杆的刚度调节；
6.镗杆3设置有前端开口空腔，该空腔的前端开口处设置有刀头连接件2，空腔内设置刚度调节单元；
7.刚度调节单元包括悬臂梁4、一号线圈5、铁芯6、质量块7、二号线圈8和电控夹紧装置9；悬臂梁4的固定端设置于刀头连接件2内壁中心点，悬臂梁4上套设有铁芯6，悬臂梁4的外圆周均布有多个一号线圈槽，一号线圈槽中绕制有一号线圈5，且相邻两个一号线圈5的绕制方向相反；铁芯6的内圆周均布有多个二号线圈槽，二号线圈槽中绕制有二号线圈8，且相邻两个二号线圈8的绕制方向相反；所有一号线圈5通过导线14串联并引出至镗杆3外后与控制单元11连接；所有二号线圈8通过另一根导线14串联并引出至镗杆3外后与控制单元11连接；
8.质量块7采用过盈配合方式设置于铁芯6外部；
9.控制单元11控制铁芯6沿悬臂梁4轴向滑动来调节镗杆刚度，控制单元11通过控制电控夹紧装置9实现将铁芯6刹停在悬臂梁4上。
10.优选地，电控夹紧装置9包括圆环9-1，圆环9-1内圆周上设置有多个凸起9-2，所述圆环9-1下部具有缺口，在缺口两侧设置两个固定柱9-3，所述两个固定柱9-3平行相对设置在圆环9-1外圆周上，两个固定柱9-3各设置一个电磁铁9-5，电磁铁9-5的线圈通过导线14引出至镗杆3外后与控制单元11连接；两个电磁铁9-5在控制单元11控制下吸合时，圆环9-1通过形变夹紧悬臂梁4；
11.圆环9-1上方设置有固定块9-4，利用螺丝13穿过固定块9-4将电控夹紧装置9固定在质量块7的两个端面上。
12.优选地，相邻两个一号线圈槽的间距和相邻两个二号线圈槽的间距相等。
13.优选地，悬臂梁4的外圆周设置有一号轴向线槽4-1，所述一号轴向线槽4-1与所有一号线圈槽垂直且连通，铁芯6的内圆周设置有二号轴向线槽6-1，所述二号轴向线槽6-1与所有二号线圈槽垂直且连通，所述一号轴向线圈4-1和二号轴向线槽6-1均用于容纳串联线圈的导线14。
14.优选地，镗杆3的空腔与镗杆尾端之间设置有进线通孔12，空腔中的刚度调节单元的所有导线14通过进线通孔12引出至镗杆3外。
15.优选地，刚度调节单元的刚度调节过程为：
16.s1、悬臂梁4上的一号线圈5一直通直流电，且电流方向不变，在悬臂梁4上形成交替排布的磁极；
17.s2、控制模块11控制铁芯6上的二号线圈8改变电流方向实现铁芯6在悬臂梁4上的运动，具体为：
18.当二号线圈8位于两个极性相反的两个一号线圈5之间时，在两个磁极一吸一斥的作用下铁芯6向一个方向运动；
19.当铁芯6运动至二号线圈8与一号线圈5位置重合时，控制模块11改变二号线圈8的电流方向，使二号线圈8进入下一组相邻两个一号线圈5中间区域时依旧沿之前方向继续运动；
20.s3、当铁芯6带动质量块7运行至指定位置时，控制模块11控制电磁铁9-5通电，圆环9-1通过形变夹紧悬臂梁4，进而实现改变质量块7在悬臂梁4上的位置，实现刚度的调节。
21.优选地，二号线圈8与一号线圈5位置重合通过位置传感器实现监测，并反馈至控制模块11中。
22.优选地，还包括加速度传感器14，所述加速度传感器14贴设于靠近于刀头连接件2的镗杆3外侧壁，加速度传感器14用于监测镗杆3的振动情况，并结合刚度调节过程实现镗杆最优位置选择。
23.优选地，镗杆最优位置选择的过程为：
24.步骤一、将镗杆3安装在镗床上，在设置好转速、切深和进给量后，采用工件旋转、镗杆进给、多次走刀的加工方式对工件进行镗削加工；
25.步骤二、在走刀的同时进行刚度调节，令质量块7在铁芯6的带动下从悬臂梁4的一端移动至另一端；
26.步骤三、加速度传感器14接收到周期性变化的加速度数据，加速度最小值对应的位置为最优位置，并记录该值对应的时间数据；
27.步骤四、重新按原路线进行刚度调节，质量块7移动步骤三所获取时间后停止，通过电控夹紧装置9夹紧悬臂梁4，实现最优位置的确定。
28.本发明的有益效果：本发明在镗杆内部设置磁驱式刚度调节结构，通过调节质量块在悬臂梁上的位置来调节刚度的大小，并能寻求最优位置来兼顾刚度与振动两类因素。
附图说明
29.图1是本发明所述一种磁驱刚度可调式减振镗杆的结构示意图；
30.图2是图1的剖视图；
31.图3是图2中刚度调节单元的结构示意图；
32.图4是图3的a-a剖视图；
33.图5是夹紧装置的结构示意图；
34.图6是铁芯的侧视图；
35.图7是悬臂梁的侧视图。
具体实施方式
36.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它实施例，都属于本发明保护的范围。
37.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。
38.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。
39.具体实施方式一：下面结合图1至7说明本实施方式，本实施方式所述一种磁驱刚度可调式减振镗杆包括镗杆3、刚度调节单元、控制单元11和电源10，电源10为控制单元11和刚度调节单元提供工作电源，控制单元11输出指令给刚度调节单元以实现镗杆的刚度调节；
40.镗杆3设置有前端开口空腔，该空腔的前端开口处设置有刀头连接件2，空腔内设置刚度调节单元；
41.刚度调节单元包括悬臂梁4、一号线圈5、铁芯6、质量块7、二号线圈8和电控夹紧装置9；悬臂梁4的固定端设置于刀头连接件2内壁中心点，悬臂梁4上套设有铁芯6，悬臂梁4的外圆周均布有多个一号线圈槽，一号线圈槽中绕制有一号线圈5，且相邻两个一号线圈5的绕制方向相反；铁芯6的内圆周均布有多个二号线圈槽，二号线圈槽中绕制有二号线圈8，且相邻两个二号线圈8的绕制方向相反；所有一号线圈5通过导线14串联并引出至镗杆3外后与控制单元11连接；所有二号线圈8通过另一根导线14串联并引出至镗杆3外后与控制单元11连接；
42.质量块7采用过盈配合方式设置于铁芯6外部；
43.控制单元11控制铁芯6沿悬臂梁4轴向滑动来调节镗杆刚度，控制单元11通过控制电控夹紧装置9实现将铁芯6刹停在悬臂梁4上。
44.电控夹紧装置9包括圆环9-1，圆环9-1内圆周上设置有多个凸起9-2，所述圆环9-1下部具有缺口，在缺口两侧设置两个固定柱9-3，所述两个固定柱9-3平行相对设置在圆环9-1外圆周上，两个固定柱9-3各设置一个电磁铁9-5，电磁铁9-5的线圈通过导线14引出至镗杆3外后与控制单元11连接；两个电磁铁9-5在控制单元11控制下吸合时，圆环9-1通过形变夹紧悬臂梁4；
45.圆环9-1上方设置有固定块9-4，利用螺丝13穿过固定块9-4将电控夹紧装置9固定
在质量块7的两个端面上。
46.悬臂梁4的外圆周设置有一号轴向线槽4-1，所述一号轴向线槽4-1与所有一号线圈槽垂直且连通，铁芯6的内圆周设置有二号轴向线槽6-1，所述二号轴向线槽6-1与所有二号线圈槽垂直且连通，所述一号轴向线圈4-1和二号轴向线槽6-1均用于容纳串联线圈的导线14。
47.镗杆3的空腔与镗杆尾端之间设置有进线通孔12，空腔中的刚度调节单元的所有导线14通过进线通孔12引出至镗杆3外。
48.安装流程：
49.在镗杆3空腔中，悬臂梁4与刀头连接件2固连，在悬臂梁4和铁芯6上从左到右相等间距依次绕制一号线圈5和二号线圈8，所有一号线圈5由导线14依次串联连结，且将导线14分别置于一号轴向线槽4-1中，所有二号线圈8由另一根导线14依次串联连结，且将导线14置于二号轴向线槽6-1中，防止质量块7在悬臂梁4左右移动时与导线14相碰导致导线14断裂，影响线圈的正常工作。
50.一号线圈5和二号线圈8的绕制方法是在相邻的槽中顺时针与逆时针交替缠绕，一号线圈5在铁芯6的槽中用顺时针与逆时针交替缠绕，相邻两线圈均有导线14相连，悬臂梁4的一号线圈5由一整根导线14缠绕完成，铁芯6的二号线圈8同理由另一整根导线14按相同方式缠绕完成。
51.夹紧装置9上固连两个电磁铁13。质量块7与铁芯6过盈配合，在铁芯6的左右两侧分别用螺钉连接安装上夹紧装置9，铁芯6在悬臂梁4上滑动。当铁芯6滑动到悬臂梁预想位置时，夹紧装置9上的电磁铁13相互吸引使夹紧装置9发生形变从而夹紧悬臂梁4，用摩擦力实现铁芯6运动时刹停在悬臂梁4上。
52.线圈5的导线14和电磁铁13上的导线14从杆体空腔12引出镗杆外部，与控制模块11相连接，实现对电磁铁13的控制以及对线圈5的电流方向和断电通电的控制。刀头连接件2与镗杆3螺纹连接。
53.刚度调节单元的刚度调节时，控制模块11控制铁芯6上的二号线圈8通断电实现铁芯6在悬臂梁4上的启停，控制模块11控制铁芯6上的一号线圈5改变电流方向实现铁芯6在悬臂梁4上的运动，过程为：
54.s1、悬臂梁4上的一号线圈5一直通直流电，且电流方向不变，在悬臂梁4上形成交替排布的磁极；此时每个在悬臂梁4上的一号线圈5的左右两侧都会形成n级或s级。
55.s2、控制模块11控制铁芯6上的二号线圈8改变电流方向实现铁芯6在悬臂梁4上的运动，具体为：
56.当二号线圈8位于两个极性相反的两个一号线圈5之间时，在两个磁极一吸一斥的作用下铁芯6向一个方向运动；
57.当铁芯6运动至二号线圈8与一号线圈5位置重合时，控制模块11改变二号线圈8的电流方向，使二号线圈8进入下一组相邻两个一号线圈5中间区域时依旧沿之前方向继续运动；
58.s3、当铁芯6带动质量块7运行至指定位置时，令质量块7停止，同时，控制模块11控制电磁铁9-5通电，圆环9-1通过形变夹紧悬臂梁4，进而实现改变质量块7在悬臂梁4上的位置，实现刚度的调节。
59.控制模块11控制夹紧装置9的工作状态，其原理是控制模块11控制电磁铁9-5的通断电，实现电磁铁之间的相互吸引或释放，使夹紧装置9发生形变从而夹紧悬臂梁4实现铁芯6运动时的停止。
60.当控制模块11控制铁芯6上的二号线圈8通电时，二号线圈8的左右侧都会分别形成s级或n级的不同的磁级，此时在图示位置铁芯6的左1的二号线圈8的左侧会产生n级磁场，右侧会产生s级磁场，左1的二号线圈8位于悬臂梁4上的左7、8两个一号线圈5之间，而悬臂梁4上的左7一号线圈5的右侧会产生s级磁场，悬臂梁4上的左8一号线圈5的左侧会产生s级磁场，所以铁芯6左1二号线圈8受到左7一号线圈5的吸力，受到左8一号线圈5的斥力的同时作用力，进而铁芯6带动质量块7会向左运动。当铁芯6的左1二号线圈8运动到与悬臂梁4左7一号线圈5重合时，控制模块11会改变铁芯6上二号线圈8的电流方向，此时铁芯6的左1二号线圈8的左侧会产生s级磁场，右侧会产生n级磁场，而悬臂梁4上的左6一号线圈5的右侧会产生n级磁场，根据惯性以及磁力的作用，铁芯6会继续向左运动，并同时受到左吸右斥的共同作用力继续向左运动，直至停止。要想控制铁芯6向右运动同理。当铁芯6运动到预想位置时，控制模块11控制铁芯6上的二号线圈8断电所以没有了磁力作用，并且控制夹紧装置9上的电磁铁9-5通电，实现电磁铁之间的相互吸引，使夹紧装置9发生形变从而夹紧悬臂梁4实现铁芯6运动时的停止。
61.二号线圈8与一号线圈5位置重合通过位置传感器实现监测，并反馈至控制模块11中。
62.进一步的，还包括加速度传感器14，所述加速度传感器14贴设于靠近于刀头连接件2的镗杆3外侧壁，加速度传感器14用于监测镗杆3的振动情况，并结合刚度调节过程实现镗杆最优位置选择。
63.镗杆最优位置选择的过程为：
64.步骤一、将镗杆3安装在镗床上，在设置好转速、切深和进给量后，采用工件旋转、镗杆进给、多次走刀的加工方式对工件进行镗削加工；
65.步骤二、在走刀的同时进行刚度调节，令质量块7在铁芯6的带动下从悬臂梁4的一端移动至另一端；
66.步骤三、加速度传感器14接收到周期性变化的加速度数据，加速度最小值对应的位置为最优位置，并记录该值对应的时间数据；
67.步骤四、重新按原路线进行刚度调节，质量块7移动步骤三所获取时间后停止，通过电控夹紧装置9夹紧悬臂梁4，实现最优位置的确定。
68.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它所述实施例中。