Демпфирующее устройство для успокоения колебаний
Изобретение относится к области машиностроения, расточным оправкам для металлорежущих станков. Устройство содержит цилиндрическое демпфирующее тело со сквозным отверстием и продольный центральный корпус, размещенный в указанном отверстии и предназначенный для жесткого соединения с объектом, колебания которого необходимо успокоить, при этом демпфирующее тело соединено с продольным центральным корпусом через два упругих элемента с отверстиями для прохода продольного центрального корпуса и две кольцевые шайбы, жестко соединенные с продольным центральным корпусом, причем демпфирующее тело расположено между указанными кольцевыми шайбами. Для повышения демпфирующей способности упругие элементы имеют две противоположные торцовые поверхности, кольцевая шайба с каждой стороны демпфирующего тела и упругих элементов жестко соединена с продольным центральным корпусом. При этом одна из двух противоположных торцовых поверхностей каждого упругого элемента жестко соединена с каждой из двух кольцевых шайб, а другая из двух противоположных торцовых поверхностей жестко соединена с демпфирующим телом. 7 з.п. ф-лы, 4 ил.
Настоящее изобретение относится к демпфирующему устройству, которое, в частности, но не исключительно, предназначено для использования с расточными оправками и аналогичными инструментальными оправками, используемыми в металлорежущих станках. Типовыми элементами являются расточные оправки, используемые для снятия стружки при обработке резанием (токарная обработка, фрезерование и так далее) на непрочных конструкциях, например на валах и аналогичных элементах. Устройство может быть использовано на зажимах, других деталях станка и заготовках. Самогенерирующиеся колебания, как правило, являются результатом динамической жесткости конструкции, являющейся слишком небольшой.
Известны аналогичные демпфирующие устройства, например устройство, описанное в патенте Норвегии №128725. Этот патент относится к демпфирующему устройству, которое обязательно должно быть расположено в отверстии в расточной оправке, поскольку само отверстие составляет важную часть демпфирующего устройства в том отношении, что эффект успокоения колебаний является результатом взаимодействия между демпфирующим телом и самим отверстием через упругие элементы, предусмотренные между демпфирующим телом и отверстием.
Разработка направлена на увеличение отношения между длиной и диаметром инструментальных оправок. Это в результате приводит к уменьшению динамической жесткости инструментальной оправки, и в этом случае возникают новые требования, предъявляемые к демпфирующему устройству, которые должны быть удовлетворены соответствующим образом. Проблема, связанная с демпфирующим устройством, соответствующим известному уровню техники, заключается в том, чтобы привести в соответствие демпфирующее устройство с этими новыми условиями, при этом должна быть уменьшена частота демпфирующего тела. Для достижения этого требуются либо упругие элементы с более низким модулем упругости, либо демпфирующее устройство с более высокой массой.
Плотность демпфирующих тел, используемых в настоящее время, уже среди самых высоко коммерчески доступных. Поэтому для увеличения массы необходимо увеличить объем демпфирующего тела. Это в результате приведет к проблемам, связанным с площадью, размером и ослаблением конструкции, где должно быть использовано демпфирующее устройство.
Для обеспечения возможности уменьшения модуля упругости с помощью решений, соответствующих известному уровню техники, например, описанных в патенте Норвегии №172677, необходимо либо сделать материал упругого элемента более мягким с более низким модулем упругости, или прочность упругого элемента должна быть соответственно уменьшена путем уменьшения размера элемента. В то же самое время, упругие элементы должны выдерживать воздействие тепла, выделяемого в течение технологического процесса резания с образованием стружки и в результате поглощения энергии материала, помимо этого имея размеры для противодействия силам, воздействию которых они также подвергаются. Это оказалось противоречивыми требованиями.
Следовательно, был сделан вывод, что решения, соответствующие известному уровню техники, плохо пригодны для проведения разработки в направлении увеличенного соотношения длины и диаметра и более низкой собственной частоты для системы, колебания которой необходимо успокоить, вследствие ограничений свойств материала, среди других причин.
При обработке материалов резанием часто используют высокие скорости вращения, и по этой причине также важно, чтобы демпфирующая система могла выдерживать быстрое вращение. Это также оказалось проблематичным при использовании устройств, соответствующих известному уровню техники.
Настоящее изобретение обеспечивает возможность решения вышеупомянутых проблем путем обеспечения нового демпфирующего устройства. Демпфирующее устройство, соответствующее настоящему изобретению, пригодно для успокоения самогенерируемых колебаний в расточных оправках, инструментальных оправках и аналогичных приспособлениях, предпочтительно вращающихся элементах станка, в частности элементах с внутренним жидкостным охлаждением, при этом демпфирующее устройство содержит демпфирующее тело, имеющее по существу цилиндрическую конфигурацию.
Это решение основано на использовании технологии, в которой силы передаются от оправки к демпфирующему телу через упругие элементы, причем упругие элементы подвержены воздействию по существу сил сдвига, в противоположность тому, что имеет место в устройствах, соответствующих известному уровню техники, где соответствующие упругие элементы подвержены воздействию главным образом сил сжатия. Преимущество передачи сил как сил сдвига вместо сил сжатия заключается в том, что модуль упругости может быть уменьшен, и демпфирующие свойства материала увеличиваются при передаче сил в направлении сдвига (среза) в противоположность передаче сил в направлении сжатия.
Модуль упругости, который выражает жесткость эластомеров, подвергаемых воздействию сил сдвига, значительно меньше модуля сжатия, который выражает жесткость эластомеров, подвергаемых воздействию сил сжатия, и приблизительно составляет 1/3 модуля растяжения, который выражает жесткость эластомеров, подвергаемых растяжению. В демпфирующем устройстве, где эластичные элементы/упругие элементы (эластомеры) по существу подвержены воздействию сил сдвига, модуль упругости системы потенциально уменьшится и по этой причине возможно значительное уменьшение собственной частоты демпфирующего устройства без изменения композиции материала упругого элемента и без уменьшения размера или прочности элемента. Масса демпфирующего тела не обязательно должна увеличиваться. Другим преимуществом является увеличение ширины спектра функции успокоения колебаний и то, что размер упругого элемента, который, например, получен из резины, может быть увеличен, и благодаря этому в результате может быть получено повышение успокоения колебаний без увеличения собственной частоты по сравнению с существующими решениями аналогичного размера. Благодаря этому, демпфирующее устройство может обеспечить возможность большего изменения в отношении между длиной и диаметром. Одно из преимуществ этого заключается в том, что представляется возможным исключение использования демпфирующей жидкости в качестве демпфирующей среды, поскольку повышенного количества резины или других упругих материалов достаточно в качестве единственного поглотителя энергии в этой системе.
Одним преимуществом обеспечения возможности получения более низкой частоты является то, что масса демпфирующего тела может быть уменьшена при достижении аналогичной собственной частоты, как и у существующих систем. Это делает настоящее изобретение более пригодным для использования в тех случаях, где демпфирующая система должна вращаться с высокой скоростью при возникновении значительных центробежных сил, например в случаях применения в технологических процессах высокоскоростного фрезерования.
Тот факт, что масса демпфирующего тела может быть уменьшена, является полезным в том отношении, что диаметр центральной трубы, которая может транспортировать смазочно-охлаждающую жидкость к режущей кромке, может быть увеличен. Количество смазочно-охлаждающей жидкости, которое может быть подано вперед при использовании такого решения, благодаря этому увеличивается по сравнению с решениями, соответствующими известному уровню техники. Преимуществом повышенного количества смазочно-охлаждающей жидкости является более эффективное отведение стружки от режущей кромки.
Другой известной проблемой, связанной с решением, описанным в патенте Норвегии №172677, является то, что демпфирующая жидкость, находящаяся в полости между массой и центральной трубой, может просачиваться между ними за эластомер, используемый в качестве упругого элемента, если он используется в качестве динамического уплотнения и не связан (соединен) с окружающими элементами.
Решение, предлагаемое в соответствии с настоящим изобретением, исключает эту проблему, когда упругий эластомер непосредственно связан (соединен) с окружающей структурой или когда в альтернативном варианте используется уплотнение неподвижного соединения.
Демпфирующее тело демпфирующего устройства имеет аксиальное отверстие, проходящее через него. Упругие элементы или эластичные элементы предусмотрены в каждом конце демпфирующего элемента и соединены посредством центрального корпуса или трубы, проходящей через отверстие аксиально в продольном направлении.
В одном случае применения устройство может быть предусмотрено в приспособленной для этой цели полости по существу с аксиальной и цилиндрической конфигурацией внутри расточной оправки. Труба может поддаваться жесткому соединению с внутренним отверстием для охлаждающей жидкости в расточной оправке (когда упругие или эластичные элементы удерживаются по месту посредством кольцевых прокладок, предусмотренных снаружи).
В одном варианте осуществления настоящее изобретение обеспечивает возможность подачи охлаждающей жидкости к режущей кромке так, чтобы охлаждающая жидкость проходила прямо через аксиальную область демпфирующего устройства, когда продольный центральный корпус имеет конфигурацию трубы. Такая конструкция обеспечивает возможность того, чтобы аналогичная полость в расточной оправке могла содержать демпфирующее тело. Зазор между демпфирующим телом и стенкой полости может быть значительно уменьшен, так что диаметр демпфирующего тела может быть увеличен.
В одном варианте осуществления внешний диаметр продольного центрального корпуса, проходящего в аксиальном направлении, выполнен в соответствии с диаметром отверстия с небольшим зазором для допуска демпфирующего материала (демпфирующей среды), например демпфирующей жидкости, например демпфирующего масла.
В одном варианте осуществления зазор для демпфирующего материала (демпфирующей среды) может быть расположен вблизи оси демпфирующего тела и расточной оправки для уменьшения воздействия центробежной силы на материал (среду) до допустимого уровня, что имеет благоприятный эффект, когда демпфирующая система должна вращаться с высокой скоростью.
Далее демпфирующее устройство будет описано со ссылкой на варианты его осуществления и на прилагаемые чертежи, где:
фиг.1 - иллюстрация демпфирующего устройства в его самом простом и основном варианте осуществления;
фиг.2 - иллюстрация демпфирующего устройства в варианте осуществления, в котором предусматривается сборка и монтаж;
фиг.3 - иллюстрация демпфера (гасителя колебаний), соответствующего известному уровню техники, встроенного в расточную оправку; и
фиг.4 - иллюстрация способа монтажа демпфирующего устройства, когда оно должно быть размещено на плоском объекте для успокоения колебаний.
На фиг.1 иллюстрируется пример простой конструкции демпфирующего устройства, соответствующего настоящему изобретению. По существу цилиндрическое демпфирующее тело 1 предусмотрено с аксиальным отверстием 6, проходящим через него. Внутри отверстия в аксиальном направлении проходит продольный центральный корпус или труба 3, которая выполнена с возможностью жесткого крепления на ее внешних концах внутри расточной оправки или к объекту, колебания которого необходимо успокаивать. Труба 3 предпочтительно выполнена с возможностью проведения охлаждающей жидкости через нее в сообщении с каналом, проходящим дальше в расточной оправке. С каждым внешним концом демпфирующего корпуса 1 соединены упругие элементы 2 круглой конфигурации, например, прямоугольного сечения. Упругим элементам 2 в соответствии с этим может быть придана форма упругих кольцевых прокладок или коротких полых цилиндров с отверстием для прохождения через них продольного центрального корпуса и двумя противоположными торцовыми поверхностями. Торцовые поверхности будут, как правило, по существу параллельными. Продольный центральный корпус 3 жестко соединен с одной из торцовых поверхностей, а демпфирующее тело 1 жестко соединено с другой торцовой поверхностью, так что упругие элементы 2, кроме того, соединены с кольцевыми шайбами или концевыми деталями 5, а также соединены с трубой 3, с помощью, например, вулканизации или склеивания. Кольцевые шайбы 5 предпочтительно прикреплены к трубе 3 винтами, но это не является обязательным условием. Собственная частота системы изменяется благодаря изменению размеров или свойств материала упругого элемента 2.
На фиг.2 иллюстрируется пример, где показан узел различных деталей. В этом примере упругие элементы 2 соединены с промежуточными кольцевыми шайбами 7 на каждой стороне.
Соединение может быть образовано в течение формования упругих элементов 2 и получено путем нанесения клея на контактные поверхности промежуточных кольцевых прокладок 7. Промежуточные кольцевые шайбы 7 облегчают монтаж узла упругих элементов 2 на демпфирующее тело 1 и кольцевые шайбы 5. Промежуточные кольцевые шайбы 7 могут быть, например, прикреплены к этим деталям посредством клея и уплотнены для предотвращения утечки масла. В альтернативном варианте осуществления они могут быть прикреплены посредством механического соединения и предусмотрены с уплотнительными кольцами 8 на контактных поверхностях для предотвращения утечки, как показано на фиг.2. Кольцевые шайбы 5 прикреплены к трубе 3 посредством резьбового соединения и являются в этом случае жестко соединенными с трубой или продольным центральным корпусом 3. Демпфирующее тело 1 расположено между этими кольцевыми шайбами 5. Два упругих элемента 2 расположены между двумя кольцевыми шайбами и демпфирующим телом 1, так что одна из торцовых поверхностей каждого упругого элемента 2 жестко соединена с двумя кольцевыми шайбами 5. Другая торцовая поверхность каждого упругого элемента 2 жестко соединена с демпфирующим телом 1.
На фиг.3 иллюстрируется демпфирующее устройство, соответствующее известному уровню техники, полученное в расточной оправке 9. Расточная оправка 9 имеет вентиляционный канал 11, находящийся в прямом сообщении с центральной трубой 3, причем как канал 11, так и центральная ось совмещены с осью 12 расточной оправки.
Представляется также возможным использование демпфирующего устройства, соответствующего настоящему изобретению, для внешнего демпфирования, например, плоского объекта, и на фиг.4 иллюстрируется монтажный кронштейн для такого использования. Продольный центральный корпус 3, проходящий в аксиальном направлении, затем крепят к двум кронштейнам 13, которые и в этом случае жестко соединены с телом, колебания которого необходимо успокоить. В остальном демпфирующее устройство аналогично варианту осуществления, иллюстрируемому на фиг.2. В этом случае продольный центральный корпус не обязательно должен быть полым.
Демпфирующее устройство работает в общем следующим образом.
Когда конструкция, колебания которой необходимо успокоить, например инструментальная оправка, приводится в движение под действием внешних сил, например, от режущего инструмента, некоторая часть движения передается через упругие элементы массе демпфирующего тела. Вследствие геометрии и соединения между кольцевыми шайбами и демпфирующим телом упругие элементы будут воспринимать воздействие прикладываемых сил как воздействие усилий сдвига. Движение (энергия), которое не передается от инструментальной оправки через трубу и посредством упругих элементов к демпфирующему телу, будет преобразовываться в тепловую энергию в упругих элементах, а в некоторых случаях в демпфирующей жидкости. Тепло в этом случае генерируется благодаря внутреннему трению в демпфирующей жидкости и в упругих элементах помимо различных поверхностей раздела.
В течение непрерывной работы имеет место типовое колебательное движение, и инструментальная оправка и демпфирующее тело будут по существу двигаться с одной частотой, но фаза и ускорение будут немного отличаться. Различие по фазе вызывает необходимость деформации/трения в упругих элементах и демпфирующем теле, что приводит к потерям энергии и выделению тепла. По этой причине ускорение инструментальной оправки и демпфирующего тела также становится различным и демпфирующая сила находится в прямой зависимости от этого различия.
1. Демпфирующее устройство для успокоения колебаний в инструментальных оправках, элементах станка и заготовках в металлорежущих станках и других объектах, подверженных воздействию нежелательных колебаний, выполненное с возможностью размещения внутри объекта или снаружи и содержащее по существу цилиндрическое демпфирующее тело со сквозным отверстием и продольный центральный корпус, размещенный в указанном отверстии и предназначенный для жесткого соединения с объектом, колебания которого необходимо успокоить, при этом демпфирующее тело соединено с продольным центральным корпусом через два упругих элемента с отверстиями для прохода продольного центрального корпуса и две кольцевые шайбы, жестко соединенные с продольным центральным корпусом, причем демпфирующее тело расположено между указанными кольцевыми шайбами, отличающееся тем, что упругие элементы имеют две противоположные торцовые поверхности, кольцевая шайба с каждой стороны демпфирующего тела и упругих элементов жестко соединена с продольным центральным корпусом, при этом одна из двух противоположных торцовых поверхностей каждого упругого элемента жестко соединена с каждой из двух кольцевых шайб, а другая из двух противоположных торцовых поверхностей жестко соединена с демпфирующим телом.
2. Демпфирующее устройство по п.1, отличающееся тем, что упругие элементы выполнены из эластомерного материала и соединены посредством химического соединения или технологического процесса вулканизации.
3. Демпфирующее устройство по п.1, отличающееся тем, что упругие элементы выполнены в виде упругих кольцевых прокладок или коротких полых цилиндров с параллельными торцовыми поверхностями.
4. Демпфирующее устройство по п.1, отличающееся тем, что упругие элементы соединены с демпфирующим телом и кольцевыми шайбами через промежуточные кольцевые прокладки, соединенные с кольцевыми шайбами, например, с помощью клея или механического соединения.
5. Демпфирующее устройство по п.1, отличающееся тем, что упругие элементы выполнены толщиной или расстоянием между их торцовыми поверхностями, выбранным в соответствии с собственной частотой колебаний демпфирующего тела и с возможностью изменения их собственной частоты посредством изменения указанной толщины.
6. Демпфирующее устройство по п.1, отличающееся тем, что внешний диаметр продольного центрального корпуса выбран в соответствии с диаметром отверстия в демпфирующем теле с небольшим зазором для размещения демпфирующей жидкости.
7. Демпфирующее устройство по п.6, отличающееся тем, что демпфирующее тело имеет отверстие для введения демпфирующей жидкости в указанный зазор.
8. Демпфирующее устройство по п.1, отличающееся тем, что демпфирующее тело выполнено с возможностью размещения в расточной оправке в соответствующей вспомогательной полости, которая, по существу, аксиальна и имеет цилиндрическую конфигурацию внутри расточной оправки, при этом продольный центральный корпус выполнен в виде трубы, расположенной аксиально и предназначенной для подачи охлаждающей жидкости и жесткого соединения с внутренним отверстием расточной оправки для охлаждающей жидкости.
