大長徑比刀桿減振專利分析

王蒨

摘要：在金屬切削加工領(lǐng)域，刀桿長徑比較大時容易導(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，對此，本文以大長徑比刀桿減振技術(shù)的專利申請作為分析對象，對中國和世界范圍內(nèi)的大長徑比刀桿減振專利技術(shù)進行分析。

關(guān)鍵詞：長徑比;刀桿;振動

中圖分類號：TG71 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2020）09-0111-04

刀具的振動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對工件加工精度造成的影響，并從不同角度對刀桿的減振技術(shù)進行了研究，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，刀具的剛度已達不到加工要求，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)計得出相關(guān)的專利申請總量約為1413項，這些專利申請涉及到480多位申請人，主要分布在世界上的29個國家和地區(qū)。

2 對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析

2.1 申請量年度分布

圖1統(tǒng)計了以鏜、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，但申請量較少，數(shù)量有小幅波動，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、美國逐步開始對刀桿減振技術(shù)進行研究，大長徑比刀桿減振技術(shù)的專利申請量開始呈現(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)域的研究并申請了專利，從2005年開始中國的申請量有了較穩(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。需要說明的是，由于2019年后的專利申請有部分尚未公開，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)的研究得到進一步的發(fā)展。

2.3 重點專利技術(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)進行分析，對檢索到的1413項全球?qū)＠暾埖姆诸惽闆r進行了摸底，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，分類號為F16F15/02、B23B29/02、B23Q11/00、F16F15/02、F16F15/08的專利申請數(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

通過對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減振、主動減振與半主動減振。被動減振方法主要有：

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

雖然被動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，則效果不佳[2]。

主動減振系統(tǒng)的工作原理主要是基于反饋信號對減振器的固有頻率進行連續(xù)的調(diào)節(jié)，以避開振動頻率區(qū)間，但是主動減振存在能耗高、成本高的問題[3]。半主動減振主要是通過改變減振設(shè)備的動態(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，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)，到后期的主動減振、半主動減振，減振方式呈現(xiàn)多元化發(fā)展，下面對幾種具有代表性的刀桿減振技術(shù)的專利申請進行介紹。

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，在刀具進行切削加工時，刀柄腔體內(nèi)的顆粒隨之運動，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，實現(xiàn)刀桿的減振。

圖5為一種減振機構(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，在刀具對工件進行切削加工時，中空部6中相鄰的配重構(gòu)件14彼此相對滑動，將切削加工中產(chǎn)生的振動轉(zhuǎn)化為摩擦與碰撞，從而實現(xiàn)刀具的減振。

圖6為一種具有外部安裝動態(tài)減震器的刀架（US8734070B2），結(jié)合附圖6可知，動力消振器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)。該動力消振器30可以應(yīng)用于不同的刀架類型，將動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，而不會減小刀架的整體剛度。理想情況下，該動力消振器被安裝在刀架的振動幅值最大之處。

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)動質(zhì)量元件618朝向第二端部606移動，從而調(diào)整質(zhì)量元件618相對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情況，并將振動信號經(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)送控制信號至磁流變抑振單元，磁流變抑振單元接收到控制信號后，磁流變液發(fā)生磁流變效應(yīng)使其本身特性發(fā)生改變，從而改變鏜桿的動態(tài)特性，使鏜桿的固有頻率能及時避開振動頻率區(qū)，以此來抑制鏜桿的振動。

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：

[1]吳濤.大長徑比減振鏜桿的研究[D].合肥：安徽大學(xué)，2015.

[2]楊偉哲.磁流變彈性體研究及其在減振鏜刀中的應(yīng)用[D].太原：中北大學(xué)，2019.

[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.