本发明专利技术公开一种基于声子晶体的减振刀具装置及其设计方法，基于传递矩阵理论，分别确定某一轴段以及两个轴段接合面处两端状态参量的数学联系，得到整体刀具装置系统的传递矩阵，利用边界条件，进行刀具系统的固有振动分析，确定刀具系统的固有频率；基于声子晶体理论，以传递矩阵法所确定刀具系统的固有频率为目标值，设计声子晶体的几何参数、材料参数以及布置形式；刀杆处设置有声子晶体，声子晶体包括声子晶体环和声子晶体芯；声子晶体环包裹声子晶体芯，所述声子晶体在所述密封空间中按照设定距离周期分布，通过调节刀杆空腔内圆环型弹性体与圆柱型质量块的材料属性，不会引起刀具工作时的偏心问题，具有良好减振效果。具有良好减振效果。具有良好减振效果。
【技术实现步骤摘要】
一种基于声子晶体的减振刀具装置及其设计方法
[0001]本专利技术涉及的是刀具设计领域，尤其涉及一种基于声子晶体的减振刀具装置及其设计方法。
技术介绍
[0002]随着整个制造业的不断发展，零部件的加工精度要求越来越高，刀具振动影响着工件的加工质量，而减振刀具的出现大大改善了这一问题。目前的减振刀具系统对于振动抑制的方法可分为切削参数调整、主动减振技术和被动减振技术。
[0003]切削参数调整:提前预估加工稳定性，通过调整刀具切削角度、切削深度、主轴转速等，改变机床系统的刚度和阻尼，从而实现振动抑制；主动减振技术：依靠对应的传感器或监视器对切削过程中的刀具振动信号进行实时监控与判断，并依靠外部作动器进行实时调整，从而实现振动抑制；被动减振技术：主要是通过改变刀具自身结构和材料或者附带的吸振或减振装置，改变刀具的刚度和阻尼，实现振动抑制。
[0004]虽然目前根据不同的减振技术及加工需求研制出了多种减振刀具，但是工程应用上的减振刀具多是采用被动减振技术，因为相比于其余减振技术，被动减振技术结构简单，成本低，且减振效果较为可靠。虽然被动减振刀具得到了大量的实际应用，但一些高效的被动减振技术多是应用在大口径的减振镗杆以及减振车刀上，而对于长径比铣刀或车刀的减振研究相对较少，尤其是针对一些深腔薄壁复杂零部件，刀具长径比变大时，铣削过程中颤振现象明显，极大降低工件的加工精度，严重制约着行业的发展。
技术实现思路
[0005]本专利技术的目的在于提供一种基于声子晶体的减振刀具装置及其设计方法，减小具有较大长径比的刀具装置在机械加工中的振动，进而提高加工精度。
[0006]为实现上述目的，本文提供如下技术方案：一种基于声子晶体的减振刀具装置的设计方法，包括以下步骤：
[0007]基于传递矩阵理论，分别确定某一轴段以及两个轴段接合面处两端状态参量的数学联系，得到整体刀具装置系统的传递矩阵，利用边界条件，进行刀具系统的固有振动分析，确定刀具系统的固有频率；
[0008]基于声子晶体理论，以传递矩阵法所确定刀具系统的固有频率为目标值，设计声子晶体的几何参数、材料参数以及布置形式。
[0009]状态参量包括位移、转角、弯矩以及剪力。
[0010]基于传递矩阵理论，对刀柄、刀杆与端头进行建模，结合边界条件，进行刀具系统的固有振动分析，确定刀具系统固有频率，具体步骤如下：其中某一轴段左右两端的传递矩阵为：
[0011][0012]其中，
[0013][0014]且两个横截面积不同的轴段间接合面处的传递矩阵为：
[0015][0016]三段阶梯轴模型的传递矩阵关系为：
[0017]T＝T3P2T2P1T1[0018]其中l为轴段的长度，R为轴段的半径，惯性矩为I，ρ为密度，ω为固有频率，E为弹性模量，c
l
为轴中纵波的速度，i代表不同的轴段位置，T
i
代表轴段左右两端传递矩阵，T为最终的传递矩阵模型，k
b
为推导得到的表达式；
[0019]基于刀具系统总传递矩阵T，利用边界条件，模型两端存在三种边界条件，即固定、简支和自由，根据不同的边界条件，利用总传递矩阵得到频率方程，确定刀具系统的固有频率与模态振型。
[0020]基于声子晶体理论，以刀具系统的固有频率为目标值，设计声子晶体的几何参数、材料参数以及布置形式，时，将声子晶体等效为弹簧质量系统，其中声子晶体等效为弹簧质量系统的基本公式如下：
[0021][0022]式中k为声子晶体环的刚度，m为声子晶体芯的质量，以刀具系统的固有频率为目标值，基于声子晶体基本理论，使得等效弹簧质量系统的固有频率与刀具系统固有频率一致，以此设计声子晶体的尺寸、结构与材料参数。
[0023]一种基于声子晶体的减振刀具装置，根据上述设计方法设计所得，包括依次连接的刀柄、刀杆以及刀具端头；刀杆内部为空心，刀杆内部形成一个密封空间，刀杆处设置有声子晶体，声子晶体包括声子晶体环和声子晶体芯；声子晶体环包裹声子晶体芯，所述声子晶体在所述密封空间中按照设定距离周期分布，相邻声子晶体材料之间设置空隙区域。
[0024]声子晶体环为圆环型弹性体，声子晶体芯为圆柱型质量块，声子晶体环与声子晶体芯形成一个整体结构。
[0025]所述的声子晶体环与声子晶体芯密度不同，声子晶体环采用橡胶或树脂材料制成，声子晶体芯采用铜或铅制成。
[0026]空隙区域填充阻尼油。
[0027]声子晶体环的内表面通过强力胶与声子晶体芯的外表面紧密粘接。
[0028]与现有技术相比，本专利技术的有益效果：本专利技术基于传递矩阵理论，确定刀具整体系统的传递矩阵，结合边界条件，通过固有振动分析，确定刀具系统的固有频率，以刀具系统固有频率为目标值，基于声子晶体基本理论设计声子晶体的几何参数、材料参数以及布置形式，构造一种利用声子晶体减振刀具装置；
[0029]本专利技术以刀杆作为声子晶体设计载体，利用声子晶体局域共振特性，在不改变刀具整体结构的条件下，有效提升刀具对低频振动的减振效果，在刀杆内腔设计声子晶体结构，结构简单可行，具有较宽的振动抑制频段，通过调整刀杆内腔声子晶体的安装数量，以及调节圆环型弹性体的刚度与圆柱型质量块的质量，可以达到调节振动衰减带隙位置与衰减带隙频段宽度的效果，有效抑制振动，有助于提升加工精度。
附图说明
[0030]图1为本专利技术一种利用声子晶体减振的刀具装置的流程示意图。
[0031]图2为刀柄、刀杆与端头的三段阶梯轴简化模型示意图。
[0032]图3为本专利技术的刀具减振结构示意图。
[0033]图4a为声子晶体立体结构图。
[0034]图4b为声子晶体侧视图。
[0035]其中，1为刀柄、2为刀杆、3为声子晶体环、4为声子晶体芯、5为空隙区域、6为刀具端头。
具体实施方式
[0036]下面结合附图对本专利技术进一步说明。
[0037]本专利技术提供一种利用声子晶体减振的刀具装置，如图1所示，具体按照以下步骤实施：建立刀柄、刀杆与端头的三段阶梯轴简化模型，如图2所示模型，基于传递矩阵理论，对刀柄、刀杆、端头进行建模，分别计算三个轴段两侧的状态参量的数学关系，再计算截面积突变的接合面处的状态参量的数学关系，确定整体刀具装置系统的传递矩阵，结合边界条件，进行刀具系统的固有振动分析，确定刀具系统的固有频率；以刀具系统的固有频率为目标值，使得等效弹簧质量系统的固有频率与刀具系统固有频率基本一致，以此设计声子晶体的尺寸、结构、材料参数以及布局形式。
[0038]基于传递矩阵理论，对刀柄、刀杆与端头进行建模，结合边界条件，进行刀具系统的固有振动分析，确定刀具系统固有频率，具体步骤如下：其中某一轴段左右两端的传递矩阵为：
[0039][0040]其中，
[0041][0042]且两个横截面积不同的轴段间接合面处的传递矩阵为：
[0043][0044]三段阶梯轴模型的传递矩阵本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于声子晶体的减振刀具装置的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：基于传递矩阵理论，分别确定某一轴段以及两个轴段接合面处两端状态参量的数学联系，得到整体刀具装置系统的传递矩阵，利用边界条件，进行刀具系统的固有振动分析，确定刀具系统的固有频率；基于声子晶体理论，以传递矩阵法所确定刀具系统的固有频率为目标值，设计声子晶体的几何参数、材料参数以及布置形式。2.根据权利要求1所述的基于声子晶体的减振刀具装置的设计方法，其特征在于，状态参量包括位移、转角、弯矩以及剪力。3.根据权利要求1所述的一种基于声子晶体的减振刀具装置的设计方法，其特征在于，基于传递矩阵理论，对刀柄、刀杆与端头进行建模，结合边界条件，进行刀具系统的固有振动分析，确定刀具系统固有频率，具体步骤如下：其中某一轴段左右两端的传递矩阵为：其中，其中，且两个横截面积不同的轴段间接合面处的传递矩阵为：三段阶梯轴模型的传递矩阵关系为：T＝T3P2T2P1T1其中l为轴段的长度，R为轴段的半径，惯性矩为I，ρ为密度，ω为固有频率，E为弹性模量，c
l
为轴中纵波的速度，i代表不同的轴段位置，T
i
代表轴段左右两端传递矩阵，T为最终的传递矩阵模型，k
b
为推导得到的表达式；基于刀具系统总传递矩阵T，利用边界条件，模型两端存在三种边界条件，即固定、简支和自由，根据不同的边界条件，利用总传递矩阵得到频率方程，确定刀具系统的固有频率与模态振型。4.根据权利要求1所述的一种基于声子晶体的减振刀具装置的设计方法，其特征在于，
基于声子晶体理...
【专利技术属性】
技术研发人员：李小虎，李乐乐，王岗，万少可，洪军，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：
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