王蒨

摘要：在金屬切削加工領(lǐng)域，刀桿長徑比較大時(shí)容易導(dǎo)致刀桿剛度不足，使得刀桿產(chǎn)生變形和顫振，影響加工精度，對(duì)此，本文以大長徑比刀桿減振技術(shù)的專利申請(qǐng)作為分析對(duì)象，對(duì)中國和世界范圍內(nèi)的大長徑比刀桿減振專利技術(shù)進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：長徑比;刀桿;振動(dòng)

中圖分類號(hào)：TG71 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2020）09-0111-04

刀具的振動(dòng)是影響工件加工精度的重要因素，為了抑制刀具在切削加工過程中發(fā)生顫振，從二十世紀(jì)七十年代開始，國外已經(jīng)對(duì)刀具的減振技術(shù)有了初步的研究。隨后，越來越多的企業(yè)、科研院所開始研究刀具振動(dòng)對(duì)工件加工精度造成的影響，并從不同角度對(duì)刀桿的減振技術(shù)進(jìn)行了研究，比如美國肯納、瑞典山特維克、瑞典山高、日本東芝。大長徑比刀桿的使用主要集中在鏜、銑、鉆、鉸等切削加工方式中，根據(jù)現(xiàn)有的研究結(jié)論，在刀具的長徑比大于4時(shí)，刀具的剛度已達(dá)不到加工要求，在切削加工過程中容易發(fā)生顫振。刀桿的長徑比越大，刀桿在機(jī)械加工中產(chǎn)生的變形量越大[1]。因此，選擇何種減振措施來減小刀桿在切削加工過程中產(chǎn)生的顫振，成為了刀具切削加工領(lǐng)域中的重要研究方向。

1 數(shù)據(jù)總體情況

本文以CNABS、DWPI作為檢索數(shù)據(jù)庫，檢索時(shí)間截止2020年2月，經(jīng)過檢索式檢索與簡單人工篩選去噪，通過人工標(biāo)引，統(tǒng)計(jì)得出相關(guān)的專利申請(qǐng)總量約為1413項(xiàng)，這些專利申請(qǐng)涉及到480多位申請(qǐng)人，主要分布在世界上的29個(gè)國家和地區(qū)。

2 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析

2.1 申請(qǐng)量年度分布

圖1統(tǒng)計(jì)了以鏜、銑、鉆、鉸為主的切削加工方式中大長徑比刀桿減振技術(shù)在全球和國內(nèi)的申請(qǐng)量年度分布情況，從圖1中反映出，在全球范圍內(nèi)，該類專利申請(qǐng)量總體呈上升趨勢。從二十世紀(jì)七十年代開始，已逐步出現(xiàn)該類專利的申請(qǐng)，但申請(qǐng)量較少，數(shù)量有小幅波動(dòng)，總體趨于定值。隨著工業(yè)的發(fā)展，從九十年代初期開始，德國、日本、美國逐步開始對(duì)刀桿減振技術(shù)進(jìn)行研究，大長徑比刀桿減振技術(shù)的專利申請(qǐng)量開始呈現(xiàn)逐年漸增的形勢，刀桿減振的研究方向逐漸變得多元化。隨著經(jīng)濟(jì)全球化，中國的企業(yè)與科研院所開始參與該領(lǐng)域的研究并申請(qǐng)了專利，從2005年開始中國的申請(qǐng)量有了較穩(wěn)定的增加，并從2010年開始出現(xiàn)大量的該領(lǐng)域的專利申請(qǐng)。需要說明的是，由于2019年后的專利申請(qǐng)有部分尚未公開，使得圖1中的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢，但這并不能說明該類專利申請(qǐng)量在減少。

2.2 區(qū)域分布

從圖2來看，刀桿減振技術(shù)的專利申請(qǐng)量主要分布在中國、日本、蘇聯(lián)、德國、美國和韓國，蘇聯(lián)在刀桿減振技術(shù)的發(fā)展早期申請(qǐng)了不少專利，日本、德國和美國是刀桿減振技術(shù)的主要貢獻(xiàn)力量。隨著中國制造業(yè)的發(fā)展，較高的加工精度逐漸成為切削加工領(lǐng)域的普遍追求，使得刀桿減振技術(shù)的研究得到進(jìn)一步的發(fā)展。

2.3 重點(diǎn)專利技術(shù)領(lǐng)域

為了了解大長徑比刀桿減振技術(shù)的分布情況，本文采用IPC作為分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析，對(duì)檢索到的1413項(xiàng)全球?qū)＠暾?qǐng)的分類情況進(jìn)行了摸底，得到關(guān)于該技術(shù)的IPC分類餅狀圖，見圖3。從圖中可知，大長徑比刀桿減振技術(shù)的專利申請(qǐng)56%集中在IPC小類F16F中，剩下的主要集中在B23B、B23Q、B23C中;其中，分類號(hào)為F16F15/02、B23B29/02、B23Q11/00、F16F15/02、F16F15/08的專利申請(qǐng)數(shù)量最多?？梢?，大長徑比刀桿減振技術(shù)主要分布在F16F小類中關(guān)于振動(dòng)的抑制領(lǐng)域、B23B小類中鉆、鏜領(lǐng)域、B23Q小類中保持刀具良好的工作狀態(tài)以及B23C小類中的銑刀領(lǐng)域。

2.4 專利技術(shù)分支和特點(diǎn)

通過對(duì)檢索到的專利分析發(fā)現(xiàn)，刀具的減振方式主要包括被動(dòng)減振、主動(dòng)減振與半主動(dòng)減振。被動(dòng)減振方法主要有：

（1）采用新型材料制作刀桿來提高刀桿的剛度，比如采用彈性模量高的材料制造刀具本體（JP特開平11-19838A）;或者改進(jìn)刀桿的結(jié)構(gòu)來提高刀桿的剛度，比如在刀具本體外沿軸線焊接硬度高的部件來提高刀具的剛度（JP特開平9-94706A）。

（2）通過耗能吸振的方式來減振，常見的耗能吸振方法有在刀桿內(nèi)填充阻尼顆粒（如CN102275086A），或者采用阻尼套摩擦減振（如JP特開平6-31505A）。

（3）在刀桿上附加動(dòng)力減振器，動(dòng)力減振器分為內(nèi)裝式動(dòng)力減振器與外裝式動(dòng)力減振器。內(nèi)裝式動(dòng)力減振器安裝在刀桿空腔內(nèi)，雖然抑制了刀桿的振動(dòng)，但是降低了刀桿的整體剛度;另外，內(nèi)裝式動(dòng)力減振器的尺寸受到空腔尺寸的限制。

雖然被動(dòng)減振在使用上比較簡單方便，但由于減振器固有頻率一般不可調(diào)，因此被動(dòng)減振只適用于擾頻基本固定的情況，如果擾頻在較大范圍內(nèi)變動(dòng)，則效果不佳[2]。

主動(dòng)減振系統(tǒng)的工作原理主要是基于反饋信號(hào)對(duì)減振器的固有頻率進(jìn)行連續(xù)的調(diào)節(jié)，以避開振動(dòng)頻率區(qū)間，但是主動(dòng)減振存在能耗高、成本高的問題[3]。半主動(dòng)減振主要是通過改變減振設(shè)備的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)來改善系統(tǒng)的響應(yīng)，比如利用磁流變液原理來改變刀桿的固有頻率。在選擇刀桿的減振方式時(shí)，應(yīng)綜合考慮成本、使用環(huán)境、工件的加工精度要求等因素，選擇最優(yōu)的減振方式。

2.5 刀桿減振技術(shù)的專利申請(qǐng)分析

刀桿減振技術(shù)從早期的改變刀桿的材料、結(jié)構(gòu)，到后期的主動(dòng)減振、半主動(dòng)減振，減振方式呈現(xiàn)多元化發(fā)展，下面對(duì)幾種具有代表性的刀桿減振技術(shù)的專利申請(qǐng)進(jìn)行介紹。

圖4為一種阻尼減振刀桿（CN102275086A），結(jié)合附圖4可知，該阻尼減振刀桿包括刀柄2，刀柄2的內(nèi)腔填充有阻尼顆粒5，在刀具進(jìn)行切削加工時(shí)，刀柄腔體內(nèi)的顆粒隨之運(yùn)動(dòng)，顆粒與顆粒之間以及顆粒與腔體內(nèi)壁之間發(fā)生碰撞與摩擦，通過碰撞和摩擦消耗能量，實(shí)現(xiàn)刀桿的減振。

圖5為一種減振機(jī)構(gòu)（CN103154563A），結(jié)合附圖5可知，在工具保持架1的內(nèi)部設(shè)置有中空部6，減振用的配重11等間隔地分割成橫向剖面形狀為扇形的多個(gè)配重構(gòu)件14，這些配重構(gòu)件14呈圓筒狀地設(shè)置于中空部6中，在刀具對(duì)工件進(jìn)行切削加工時(shí)，中空部6中相鄰的配重構(gòu)件14彼此相對(duì)滑動(dòng)，將切削加工中產(chǎn)生的振動(dòng)轉(zhuǎn)化為摩擦與碰撞，從而實(shí)現(xiàn)刀具的減振。

圖6為一種具有外部安裝動(dòng)態(tài)減震器的刀架（US8734070B2），結(jié)合附圖6可知，動(dòng)力消振器30以一種環(huán)形圈的形式被安裝在刀架10的外部表面上，動(dòng)力消振器30包括剛性支撐構(gòu)件32、覆蓋構(gòu)件34和消振塊40，消振塊40置于由剛性支撐構(gòu)件32和覆蓋構(gòu)件34所形成的空腔內(nèi)。該動(dòng)力消振器30可以應(yīng)用于不同的刀架類型，將動(dòng)力消振器安裝在刀架的外表面上，而不是將消振塊安裝在刀柄的內(nèi)腔中，能夠抑制刀架的振動(dòng)，而不會(huì)減小刀架的整體剛度。理想情況下，該動(dòng)力消振器被安裝在刀架的振動(dòng)幅值最大之處。

圖7為一種用于銑削材料的裝置（US8956092B2），該發(fā)明不是通過阻尼器質(zhì)量體來衰減銑削過程中引起的振動(dòng)或調(diào)節(jié)這種衰減，而是通過軸向調(diào)整和軸向鎖定質(zhì)量元件來調(diào)節(jié)裝置的自然頻率。結(jié)合附圖7可知，在銑刀主體602的軸向孔616中設(shè)置了質(zhì)量元件618，調(diào)整構(gòu)件包括加壓單元622，加壓單元622用于對(duì)軸向孔616內(nèi)第一端部604和質(zhì)量元件618之間的空間623加壓，以驅(qū)動(dòng)質(zhì)量元件618朝向第二端部606移動(dòng)，從而調(diào)整質(zhì)量元件618相對(duì)于銑刀主體的軸向位置，并將質(zhì)量元件618鎖定在調(diào)整位置中，以調(diào)整裝置的自然頻率，使銑削操作的自然頻率最優(yōu)，從而避免振動(dòng)問題。

圖8為，結(jié)合附圖8可知，該自抑振智能鏜桿系統(tǒng)包括鏜桿、傳感裝置、信號(hào)處理元件、控制器和磁流變抑振單元，傳感裝置設(shè)置在鏜桿的加工端，用于檢測鏜桿加工端的振動(dòng)情況，并將振動(dòng)信號(hào)經(jīng)過放大處理后反饋給控制器，控制器作出相應(yīng)地控制，并發(fā)送控制信號(hào)至磁流變抑振單元，磁流變抑振單元接收到控制信號(hào)后，磁流變液發(fā)生磁流變效應(yīng)使其本身特性發(fā)生改變，從而改變鏜桿的動(dòng)態(tài)特性，使鏜桿的固有頻率能及時(shí)避開振動(dòng)頻率區(qū)，以此來抑制鏜桿的振動(dòng)。

3 結(jié)語

目前，大長徑比刀桿的減振技術(shù)正朝著智能化、多元化的方向發(fā)展，從最初的改變刀桿的材料、結(jié)構(gòu)來提高刀桿的剛度，到如今將反饋控制、磁流變效應(yīng)應(yīng)用到刀桿的減振技術(shù)中，刀桿減振技術(shù)得到了較好地發(fā)展，長遠(yuǎn)來看，大長徑比刀桿減振技術(shù)仍具有廣闊的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)：

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[3]曹合榮.內(nèi)置雙不等減振器減振鏜桿的研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2016.