一种自激振动钻孔刀柄装置
阅读说明：本技术 一种自激振动钻孔刀柄装置 (Self-excited vibration drilling cutter handle device ) 是由 彭小敢 李红 李亮 于 2021-09-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种自激振动钻孔刀柄装置,涉及机械制造钻削小直径深孔技术领域,包括刀柄体、刀杆、压电陶瓷块和信号转换传输模块,所述刀柄体内设有安装孔,所述安装孔的开口位于所述刀柄体的右端面,所述刀杆安装在所述安装孔内,所述刀杆可沿所述安装孔的轴向运动；所述的压电陶瓷块安装在所述安装孔的底面；所述压电陶瓷块与所述刀杆的左端面之间设有弹簧；所述信号转换传输模块安装在所述刀柄体的外侧,所述信号转换传输模块与所述压电陶瓷块之间通过信号接线连接。本发明通过将钻削中的再生型颤振调整为刀杆相对于刀柄体的具有一定规律的周期性持续振动,实现自激振动钻削,从而提高钻削加工效率,本发明还能实时监测自激振动钻削过程。(The invention discloses a self-excited vibration drilling cutter handle device, which relates to the technical field of mechanical manufacturing and drilling of small-diameter deep holes and comprises a cutter handle body, a cutter rod, a piezoelectric ceramic block and a signal conversion transmission module, wherein a mounting hole is formed in the cutter handle body, an opening of the mounting hole is positioned on the right end face of the cutter handle body, the cutter rod is mounted in the mounting hole, and the cutter rod can move along the axial direction of the mounting hole; the piezoelectric ceramic block is arranged on the bottom surface of the mounting hole; a spring is arranged between the piezoelectric ceramic block and the left end face of the cutter bar; the signal conversion transmission module is installed on the outer side of the cutter handle body, and the signal conversion transmission module is connected with the piezoelectric ceramic block through a signal wiring. The invention realizes self-excited vibration drilling by adjusting the regenerative vibration in drilling into the periodic continuous vibration of the cutter bar relative to the cutter handle body with a certain rule, thereby improving the drilling efficiency.)
技术领域
本发明属于机械制造钻削小直径深孔
技术领域
,具体涉及一种自激振动钻孔刀柄装置。背景技术
小直径深孔加工是机械加工的一项技术难题，受钻头的结构特征、断屑、排屑和切削速度等问题制约，采用常规方法钻削小直径深孔时存在加工精度低、孔壁表面质量较差以及加工效率低等问题。目前，小直径深孔加工一般采用分级进给钻削、低频或超声振动钻削以及其他特种加工等方法，但是该类方法存在效率低或使用成本高的问题。
通用刀柄装置，一般包括刀柄体、弹簧夹头和螺母，刀柄体的一端插入机床主轴孔内，另一端安装有弹簧夹头和螺母，并与麻花钻等钻头连接，钻削加工时，如参数选取的不合理，钻削过程中将产生颤振现象。
再生型颤振是切削加工中较为常见的颤振现象。通常认为再生型颤振是有害的，是需要避免和抑制的。在一般的加工系统中，再生型颤振产生的激振力将使加工系统的薄弱环节产生振动，如得不到抑制，再生型颤振的持续加强，将会造成工件的加工质量劣化，或者不能加工出合格零件，更甚会造成加工系统的破坏。
发明内容
发明目的：本发明目的在于针对现有技术中的问题，提供一种自激振动钻孔刀柄装置。
技术方案：一种自激振动钻孔刀柄装置，包括刀柄体和刀杆，所述刀柄体内设有安装孔，所述安装孔的开口位于所述刀柄体的右端面，所述刀杆安装在所述安装孔内，所述刀杆可沿所述安装孔的轴向运动；所述安装孔的底面与所述刀杆的左端面之间设有弹簧；所述弹簧的一端与所述安装孔的底面接触，一端与所述刀杆的左端面接触。
进一步的，所述安装孔从左至右依次包括同轴设置盲孔、花键孔和第一螺纹孔，且所述盲孔、花键孔和螺纹孔的孔径依次增加；所述第一螺纹孔内安装有调节螺盖和锁紧螺盖；
所述刀杆为空心阶梯轴，包括第一刀杆轴段和第二刀杆轴段，所述第一刀杆轴段的直径大于所述第二刀杆轴段的直径；所述第二刀杆轴段右端与麻花钻的尾部连接；所述锁紧螺盖和调节螺盖的内孔与所述第二刀杆轴段间隙配合；所述调节螺盖的左侧面与所述第一刀杆轴段的右端面接触，所述调节螺盖的右侧面与所述锁紧螺盖接触；所述第一刀杆轴段通过花键与所述花键孔相配合；
所述弹簧的第一端与所述盲孔的底面接触，所述弹簧的第二端与所述第一刀杆轴段的左端面接触。
进一步的，所述盲孔的底部设有压电陶瓷块，所述弹簧的第一端与所述压电陶瓷块接触；所述压电陶瓷块的信号接线从刀柄体上的工艺孔穿出与信号转换传输模块连接；所述信号转换传输模块安装在所述刀柄体外侧的模块支架上。
进一步的，所述刀柄体的右端套设有观测环，所述观测环为筒状结构，所述观测环的右端为带中心螺纹孔的封闭端面，所述封闭端面与所述第二刀杆轴段螺纹连接，所述观测环的内侧面和封闭端面的左侧面始终不与所述刀柄体接触。
进一步的，所述第二刀杆轴段的右端设有弹簧夹头，所述麻花钻的尾部安装在所述弹簧夹头内并通过所述弹簧夹头外侧的螺母固定；所述观测环的封闭端面的右侧面与所述螺母接触。
进一步的，所述压电陶瓷块与所述弹簧之间设有垫片，所述垫片的一侧与压电陶瓷块接触，另一侧与弹簧接触；
所述压电陶瓷块和垫片通过螺钉固定在盲孔的底面，所述盲孔的底面设有与所述安装孔同轴的第二螺纹孔，所述螺钉穿过所述垫片和压电陶瓷块上的通孔与所述第二螺纹孔连接；所述第一刀杆轴段的左端面上设有沉孔，所述弹簧的第一端套设在所述螺钉的头部，所述弹簧的第二端设置在所述沉孔内，所述螺钉与所述沉孔的轴线与所述安装孔的轴线重合。
进一步的，所述刀柄体的外侧设有卡刀槽台肩，所述模块支架为环状结构，所述模块支架卡接在所述卡刀槽台肩右侧的刀柄体上；所述模块支架的左端面与所述卡刀槽台肩的右侧面接触。
进一步的，所述卡刀槽台肩位于所述盲孔的外侧，所述卡刀槽台肩的外环面设有V型环槽，所述工艺孔包括第一工艺孔和第二工艺孔；
所述第一工艺孔与所述盲孔的轴线垂直，所述第一工艺孔的第一端与所述盲孔连通，所述第一工艺孔的第二端位于所述V型环槽的槽底部，，所述第二工艺孔的第一端位于所述卡刀槽台肩的右端面上，所述第二工艺孔的第二端与所述第一工艺孔的中部连通；所述压电陶瓷块的信号接线从所述第一工艺孔的第一端穿进后，从所述第二工艺孔的第一端穿出与所述信号转换传输模块连接；所述第一工艺孔的第二端用堵头封堵。
进一步的，所述自激振动钻孔刀柄装置在自激振动钻削小直径深孔时，模态方程公式如下：
模态方程公式中的参数(m,c,k)是由自激振动钻孔刀柄装置确定，刀杆及安装在其上的观测环、弹簧夹头、螺母和麻花钻组成的振动体A，m代表振动体A的质量，c代表振动体A与刀柄体之间的阻尼，k代表弹簧的刚度，t代表时间，Z(t)代表振动体A的瞬时轴向位置；
公式右侧的动态钻推力F由工件材料、切削参数、麻花钻材质以及麻花钻的结构几何参数确定，所述切削参数包括麻花钻的转速和进给量，通过模态方程公式推导计算，可得出钻削特定材料的特定直径深孔时能够产生稳定自激振动的稳态域图，从稳态域图上可初选麻花钻的转速和弹簧的刚度k，进而在钻孔操作时选择合适的弹簧及麻花钻转速。
有益效果：
1、本发明通过将刀柄设计为包含弱刚性元件(弹簧)的结构，将切削中的再生型颤振调整为刀杆相对于刀柄的具有一定规律的周期性持续振动，形成具有特定规律的自激振动切削方法，则可将有害的再生型颤振转化为有益于切削加工的振动。将这种自激振动应用于小直径深孔加工则可提高加工效率，降低使用成本。
2、压电陶瓷块的电压信号通过信号接线传输到信号转换传输模块，然后转换为无线信号输出，下位机接受无线信号，实现实时监测自激振动钻孔的振动状态的功能。
3、本发明设有观测环，通过观测环相对于刀柄体的位置变化，可以直观的初步判断钻孔时是否出现自激振动。
4、本发明在钻孔前通过模态方程公式可针对所需钻孔的工件材料及孔大小计算出弹簧的刚度需求和麻花钻的转速，进而在钻孔操作时选择合适的弹簧及麻花钻转速，提高钻孔的效率。
5、螺钉与沉孔的轴线与安装孔的轴线重合，使弹簧的轴线始终与安装孔的轴向位于同一直线上，避免弹簧的轴线偏移使压电陶瓷块受力点改变，影响监测结果。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明刀柄体的结构示意图；
图3为本发明振动体A的结构示意图；
图中标号：1、刀柄体；2、堵头；3、信号接线；4、信号转换传输模块；5、压电陶瓷块；6、垫片；7、模块支架；8、螺钉；9、弹簧；101、第一刀杆轴段；102、第二刀杆轴段；11、观测环；12、调节螺盖；13、锁紧螺盖；14、第一螺纹孔；15、螺母；16、麻花钻；17、盲孔；18、花键孔；19、第二螺纹孔；20、弹簧夹头。
具体实施方式
下面通过附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于实施例。
如图1和3所示，一种自激振动钻孔刀柄装置，包括刀柄体1和刀杆，所述刀柄体1内设有安装孔，所述安装孔的开口位于所述刀柄体1的右端面，所述安装孔从左至右依次包括同轴设置的第二螺纹孔19、盲孔17、花键孔18和第一螺纹孔14，且所述第二螺纹孔19、盲孔17、花键孔18和第一螺纹孔14的孔径依次增加。
所述刀杆安装在所述安装孔内，所述第一螺纹孔14内安装有锁紧螺盖13和调节螺盖12；所述刀杆为空心阶梯轴，包括第一刀杆轴段101和第二刀杆轴段102，所述第一刀杆轴段101的直径大于所述第二刀杆轴段102的直径；所述第二刀杆102的右端与麻花钻16的尾部连接，所述锁紧螺盖13和调节螺盖12的内孔与所述第二刀杆102间隙配合；所述第一刀杆轴段101通过花键与所述花键孔18相配合，所述刀杆可沿安装孔的轴向运动。
所述调节螺盖12的左侧面与所述第一刀杆轴段101的右端面接触，所述调节螺盖12的右侧面与所述锁紧螺盖13接触。所述调节螺盖12用于调节刀杆的初始轴向位置。
所述盲孔17的底部设有压电陶瓷块5，所述压电陶瓷块5与所述第一刀杆轴段101之间设有弹簧9，所述压电陶瓷块5与所述弹簧9之间还设有垫片6，所述垫片6的一侧与压电陶瓷块5接触，另一侧与弹簧9接触；
所述压电陶瓷块5和垫片6通过螺钉8固定在盲孔17的底面，所述螺钉8穿过所述垫片6和压电陶瓷块5上的通孔与所述第二螺纹孔19连接；所述第一刀杆轴段101的左端面上设有沉孔，所述弹簧9的第一端套设在所述螺钉8的头部，所述弹簧9的第二端设置在所述沉孔内。所述螺钉8与沉孔的轴线与所述安装孔的轴线重合。
所述刀柄体1外侧安装有模块支架7。所述模块支架7上装有信号转换传输模块4；所述压电陶瓷块5的信号接线3穿过刀柄体1上的工艺孔与信号转换传输模块4连接。
所述刀柄体1的外侧设有卡刀槽台肩，所述卡刀槽台肩的外环面设有V型环槽，所述模块支架7为环状结构，所述模块支架7卡接在所述卡刀槽台肩右侧的刀柄体1上；所述模块支架7的左端面与所述卡刀槽台肩的右侧面接触。所述卡刀槽台肩位于所述盲孔17的外侧，所述工艺孔包括第一工艺孔和第二工艺孔；所述第一工艺孔与所述盲孔17的轴线垂直，所述第一工艺孔的第一端与所述盲孔17连通，所述第一工艺孔的第二端位于所述V型环槽的槽底部，所述第二工艺孔的第一端位于所述卡刀槽台肩的右端面上，所述第二工艺孔的第二端与所述第一工艺孔的中部连通；所述压电陶瓷块5的信号接线3从所述第一工艺孔的第一端穿进后，从所述第二工艺孔的第一端穿出与所述信号转换传输模块4连接；所述第一工艺孔的第二端用堵头2封堵。
所述刀柄体1的右端套设有观测环11，所述观测环11为筒状结构，所述观测环11的右端为带中心螺纹孔的封闭端面，所述封闭端面与所述第二刀杆轴段102螺纹连接，所述观测环11的内侧面和封闭端面的左侧面始终不与所述刀柄体1接触。所述第二刀杆轴段102的右端设有弹簧夹头20；所述麻花钻16的尾部安装在所述弹簧夹头20内，并通过所述弹簧夹头20外侧的螺母15固定；所述观测环11的封闭端面的右侧面与所述螺母15接触。
所述刀柄体1的锥柄采用BT40标准，可以适用于任何一台主轴为BT40接口的机床，可立式钻孔，亦可卧式钻孔。
所述调节螺盖用于调节刀杆的初始轴向位置，一方面调整麻花钻的尖部到刀柄安装基准的位置；另一方面对弹簧施加一定的预紧力，提高初始钻推力。
螺钉与沉孔的轴线与安装孔的轴线重合，使弹簧的轴线始终与安装孔的轴向位于同一直线上，避免弹簧的轴线偏移使压电陶瓷块受力点改变，影响监测结果。
使用本发明装置自激振动钻削小直径深孔时，模态方程如下式：
模态方程公式左侧的参数(m,c,k)是由本发明装置确定，刀杆及安装在其上的观测环、弹簧夹头、螺母和麻花钻组成的振动体A，m代表振动体A的质量，c代表振动体A与刀柄体之间的阻尼，k代表弹簧的刚度，t代表时间，Z(t)代表振动体A的瞬时轴向位置。
公式右侧的动态钻推力F由工件材料、切削参数、麻花钻材质以及麻花钻的结构几何参数确定，切削参数包括麻花钻的转速和进给量，通过所述模态方程公式推导计算，可得出钻削特定材料的特定直径深孔时能够产生稳定自激振动的稳态域图，从稳态域图上可初选麻花钻的转速和本自激振动钻孔刀柄装置内弹簧的刚度k，进而在钻孔操作时选择合适的弹簧及麻花钻转速。
使用本发明装置自激振动钻削小直径深孔时，从麻花钻接触工件表面开始，到麻花钻的两条主切削刃完全钻入工件的过程中，刀杆及安装在其上的观测环、弹簧夹头、螺母和麻花钻组成的振动体A，在钻推力作用下压缩弹簧，第一刀杆的右端面与调节螺盖的左侧面逐渐脱开。此时该振动体A在钻推力和弹簧力作用下，处于动态平衡状态。当钻孔中必然存在的扰动，破坏了此种平衡，使振动体A产生振动，在钻进的切削面上产生具有一定规则的波纹面。在选定的转速条件下，后一次切削产生的波纹面与前一次切削产生的波纹面之间存在特定的相位差，从而产生较为规则的间断切削。该间断切削使得振动体A的振动变得更为有序，形成自激振动钻削，直至达到钻孔深度要求。由于振动体A有序的振动，使得振动体A作用到弹簧上的作用力也具有规律性，而弹簧将有规律的作用力通过垫片作用到压电陶瓷块上，使得压电陶瓷块输出的电压信号呈现出特定规律，压电陶瓷块的电压信号通过信号接线传输到信号转换传输模块，然后转换为无线信号输出，下位机接受无线信号，实现实时监测自激振动钻孔的振动状态的功能。此外，还可通过观测环相对于刀柄体的位置变化，初步判断钻孔时是否出现自激振动。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。
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