本發(fā)明涉及機(jī)械加工刀具，具體涉及一種用于制動盤加工的自適應(yīng)刀具系統(tǒng)，解決砂眼、硬度不均等鑄造缺陷導(dǎo)致的加工顫振、精度不足問題。

背景技術(shù)：

1、制動盤作為車輛制動系統(tǒng)的核心部件，其鑄件在生產(chǎn)過程中常因鑄造工藝限制產(chǎn)生砂眼、縮松等缺陷。這些缺陷區(qū)域因鑄造應(yīng)力分布不均，會導(dǎo)致局部材料硬度呈現(xiàn)顯著差異，例如砂眼周邊區(qū)域的布氏硬度可能出現(xiàn)較大幅度波動，進(jìn)而使加工過程中刀具承受的切削阻力發(fā)生突變。傳統(tǒng)加工刀具普遍采用剛性結(jié)構(gòu)設(shè)計，缺乏對工件材料硬度實時變化的感知與自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力，在遇到此類硬度差異時，極易引發(fā)加工顫振現(xiàn)象。具體表現(xiàn)為刀具振動幅度增大，不僅會導(dǎo)致刀具切削刃因承受周期性沖擊載荷而發(fā)生崩刃損壞，還會使制動盤加工表面粗糙度惡化，難以滿足高精度加工要求。

2、在加工參數(shù)調(diào)整方面，傳統(tǒng)刀具依賴機(jī)械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)刀片位置調(diào)節(jié)，例如通過螺栓微調(diào)刀片徑向伸出量等方式。然而，此類機(jī)械調(diào)整方式存在明顯的響應(yīng)滯后問題，完成一次有效調(diào)整所需時間通常超過10秒，無法及時跟蹤砂眼區(qū)域硬度變化頻率可達(dá)100hz以上的高頻變化的硬度特征，這使得刀具在加工過程中難以動態(tài)匹配工件材料特性，進(jìn)一步加劇了加工質(zhì)量波動與刀具損耗。

3、在振動抑制技術(shù)方面，常規(guī)采用的阻尼塊等被動減振手段，僅能針對特定頻率的振動起到衰減作用。而制動盤鑄件因砂眼、縮松等缺陷引發(fā)的振動具有寬頻特性，振動頻率范圍覆蓋10-500hz，傳統(tǒng)被動減振方法無法對該頻段內(nèi)的復(fù)雜振動成分進(jìn)行有效抑制，導(dǎo)致加工過程中的振動控制效果有限，難以滿足高精度加工對振動抑制的嚴(yán)苛要求。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述技術(shù)問題或技術(shù)問題之一，本發(fā)明提供一種用于制動盤加工的自適應(yīng)刀具系統(tǒng)，具體技術(shù)方案是：

2、一種用于制動盤加工的自適應(yīng)刀具系統(tǒng)，包括刀柄、固定在刀柄上的至少一個刀盤及固設(shè)在刀盤上的至少一個切削刀片，與現(xiàn)有技術(shù)不同的是，

3、所述刀柄從下至上依次包括莫氏錐段、擋臺段、比擋臺段直徑小的圓臺段和比圓臺段直徑小的螺紋段，所述圓臺段上沿周向均勻開設(shè)8個嵌槽，每個嵌槽內(nèi)嵌設(shè)1個永磁體，所有永磁體的同名磁極均朝向刀柄軸心；

4、所述刀盤呈圓環(huán)狀，具有至少1個內(nèi)鍵槽；

5、還包括

6、懸浮套，長度等于所有刀盤的厚度之和套設(shè)于刀柄的圓臺段外并插入刀盤內(nèi)；懸浮套的外壁壁設(shè)有與刀盤的內(nèi)鍵槽一一對應(yīng)的平鍵，平鍵與內(nèi)鍵槽配合以實現(xiàn)懸浮套與刀盤的周向固定；其中一個平鍵的一側(cè)側(cè)面粘附有用以檢測切削力的應(yīng)變片；懸浮套的內(nèi)壁沿周向均勻開設(shè)8個t型槽；

7、8個電磁鐵，分別嵌設(shè)在8個t型槽內(nèi)，且與圓臺段上的永磁體徑向相對設(shè)置；

8、2個壓盤，分別套設(shè)于刀柄的圓臺段上并抵接于懸浮套和刀盤的上下兩側(cè)；

9、2個推力軸承，分別套設(shè)于2個壓盤的外側(cè)；

10、大螺母，與螺紋段螺接，將刀柄、懸浮套、刀盤、壓盤和推力軸承固接為一體；

11、控制系統(tǒng)，與應(yīng)變片電連接以接收應(yīng)變信號，與電磁鐵電連接以控制電磁鐵的電流大小及方向。

12、進(jìn)一步地，所述切削刀片通過刀片螺釘和彈簧墊圈固定于刀盤的刀片安裝槽內(nèi)，所述切削刀片與刀盤之間墊設(shè)壓電陶瓷驅(qū)動墊片；所述壓電陶瓷驅(qū)動墊片的厚度方向與切削深度調(diào)整方向一致，其上下表面分別與切削刀片的底面、刀盤的安裝槽底面緊密貼合；所述壓電陶瓷驅(qū)動墊片的剛度大于彈簧墊圈的彈性系數(shù)；所述壓電陶瓷驅(qū)動墊片的電極引線與所述控制系統(tǒng)電連接。

13、進(jìn)一步地，所述刀盤的周緣向外側(cè)延伸形成12個安裝凸臺，各所述安裝凸臺上均開設(shè)有刀片安裝槽；所述刀片安裝槽分別開口于刀盤的上端面或下端面，且沿刀盤周向按開口方向交替設(shè)置，即第一個刀片安裝槽開口于上端面，第二個開口于下端面，第三個開口于上端面，第四個開口于下端面，依此類推；當(dāng)?shù)侗P單側(cè)的切削刀片因磨損需更換時，可通過翻轉(zhuǎn)刀盤使另一側(cè)開口的刀片安裝槽朝向加工面，切換至該側(cè)的切削刀片繼續(xù)使用。

14、進(jìn)一步地，每個所述刀片安裝槽的內(nèi)拐角處沿刀盤徑向開設(shè)有豎孔，所述豎孔同時作為刀片避讓槽；每個所述安裝凸臺上沿刀盤軸向開設(shè)有橫孔，所述橫孔與對應(yīng)豎孔相連通；所述安裝凸臺的上下兩端面均開設(shè)有以刀盤中心為圓心的弧形槽，所述弧形槽的槽底與橫孔的軸向開口連通；所述豎孔、橫孔及弧形槽共同構(gòu)成電極引線通道，用于布置所述壓電陶瓷驅(qū)動墊片的電極引線。

15、進(jìn)一步地，所述刀柄的中心軸線處開設(shè)有貫通其上下兩端的軸向中心通孔，作為主引線通道；所述刀柄的圓臺段上端面開設(shè)有環(huán)形沉槽，所述環(huán)形沉槽的底壁沿周向均布開設(shè)有8個徑向?qū)Э祝凰霏h(huán)形沉槽內(nèi)固定安裝有導(dǎo)電滑環(huán)組件的定子部分，其輸入端通過導(dǎo)線與控制系統(tǒng)電連接；所述導(dǎo)電滑環(huán)組件的轉(zhuǎn)子部分與懸浮套或刀盤同步旋轉(zhuǎn)，其輸出端開設(shè)有與軸向中心通孔連通的徑向引線孔；所述壓電陶瓷驅(qū)動墊片的電極引線經(jīng)刀盤的弧形槽、橫孔及豎孔引出后，通過懸浮套的周向引線槽匯入導(dǎo)電滑環(huán)組件轉(zhuǎn)子的徑向引線孔；所述8個電磁鐵的電極引線分別穿過對應(yīng)徑向?qū)Э着c圓臺段的t型槽一一對應(yīng)，經(jīng)軸向中心通孔連接至導(dǎo)電滑環(huán)組件定子的電刷組；通過所述導(dǎo)電滑環(huán)組件的定子-轉(zhuǎn)子導(dǎo)電環(huán)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)刀盤和懸浮套與刀柄之間的電極引線無纏繞連接，確保切削過程中信號與電能的穩(wěn)定傳輸。

16、進(jìn)一步地，所述刀盤設(shè)置2個內(nèi)鍵槽，兩個內(nèi)鍵槽的圓心連線相對于刀盤中心的夾角為120°；相鄰刀盤通過不同的內(nèi)鍵槽與懸浮套的平鍵配合裝配，使各刀盤上的切削刀片在周向上呈交錯分布狀態(tài)。

17、本發(fā)明還公開一種用于制動盤加工的自適應(yīng)刀具系統(tǒng)的控制方法，包括以下步驟：

18、s1.切削力實時檢測：通過所述平鍵側(cè)面的應(yīng)變片實時采集刀盤在切削制動盤過程中產(chǎn)生的應(yīng)變信號，所述應(yīng)變信號反映切削力引起的平鍵剪切應(yīng)變變化；

19、s2.信號處理與控制指令生成：控制系統(tǒng)接收所述應(yīng)變信號并進(jìn)行放大、濾波處理，通過預(yù)設(shè)的閾值比較算法或機(jī)器學(xué)習(xí)模型，判斷當(dāng)前切削是否遭遇砂眼或硬度突變的異常工況；若檢測到異常工況，根據(jù)應(yīng)變信號幅值和變化率，生成對應(yīng)電磁鐵的電流調(diào)節(jié)指令，所述指令包括電流大小和方向參數(shù)；

20、s3.動態(tài)磁懸浮力調(diào)節(jié)：控制系統(tǒng)根據(jù)所述電流調(diào)節(jié)指令，向?qū)?yīng)電磁鐵輸出驅(qū)動電流，使電磁鐵與圓臺段上的永磁體形成徑向耦合磁場；通過調(diào)節(jié)電磁鐵的電流大小改變磁場強(qiáng)度，或通過切換電流方向改變磁極極性，實時調(diào)整刀盤的徑向支承剛度和懸浮位置，以補償切削力突變引起的振動或偏移；

21、s4.軸向剛度協(xié)同控制：利用所述推力軸承和壓盤維持刀盤的軸向定位，結(jié)合電磁鐵與永磁體的徑向磁懸浮力，形成軸向-徑向解耦的自適應(yīng)支承系統(tǒng)，確保制動盤加工過程中刀具系統(tǒng)的剛性與穩(wěn)定性。

22、進(jìn)一步地，在步驟s3中所述的動態(tài)磁懸浮力調(diào)節(jié)過程中，所述控制系統(tǒng)采用pid即比例-積分-微分控制算法對電磁鐵的驅(qū)動電流進(jìn)行實時調(diào)節(jié)，具體包括：

23、建立徑向位移偏差，其中為刀盤徑向位置的目標(biāo)值，為通過應(yīng)變片信號解算的實時徑向位移；

24、計算pid控制輸出電流，其中為比例系數(shù)，為積分系數(shù)，為微分系數(shù)；

25、通過所述pid算法動態(tài)調(diào)整電磁鐵的電流，使刀盤的徑向懸浮位置誤差控制在0.1μm以內(nèi)，抑制頻率范圍0-10khz的切削振動。

26、進(jìn)一步地，在步驟s2與s3之間還包括：

27、s2.5.切削深度動態(tài)調(diào)整：所述控制系統(tǒng)根據(jù)步驟s2中檢測到的異常工況，結(jié)合預(yù)設(shè)的切削深度-電壓映射模型，計算所需的刀片切削深度調(diào)整量；所述電壓映射模型的計算公式為：δh=k·u，其中，δh為切削深度調(diào)整量，k為壓電陶瓷驅(qū)動墊片的電壓-形變量系數(shù)，u為驅(qū)動電壓；

28、所述控制系統(tǒng)向所述壓電陶瓷驅(qū)動墊片施加對應(yīng)驅(qū)動電壓，利用其逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生厚度方向的微米級形變，形變量δh不超過50μm；通過所述彈簧墊圈的彈性補償，實現(xiàn)切削刀片伸出長度的實時調(diào)整，其中彈簧墊圈的彈性系數(shù)小于壓電陶瓷驅(qū)動墊片的剛度；

29、當(dāng)檢測到砂眼硬質(zhì)點時，所述控制系統(tǒng)控制壓電陶瓷驅(qū)動墊片收縮，使切削深度減少0.01至0.05mm；當(dāng)檢測到軟質(zhì)區(qū)域或凹坑時，控制其伸長，使切削深度增加0.005至0.02mm，以匹配實時切削工況。

30、進(jìn)一步地，在步驟s2.5所述的切削深度動態(tài)調(diào)整過程中，所述控制系統(tǒng)采用模糊邏輯算法處理多源信號并生成驅(qū)動電壓，具體包括：

31、定義剪切應(yīng)變率，其中為平鍵的剪切應(yīng)變， t為時間；應(yīng)力信號由壓電陶瓷驅(qū)動墊片內(nèi)置的應(yīng)力傳感器采集；以和作為模糊邏輯算法的輸入變量，輸出變量為驅(qū)動電壓 u；

32、建立模糊規(guī)則庫：當(dāng)檢測到砂眼硬質(zhì)點工況，即＞0.5%/ms且＞100mpa時，輸出負(fù)向電壓使墊片收縮；當(dāng)檢測到軟質(zhì)區(qū)域工況，即＜-0.3%/ms且＜50mpa時，輸出正向電壓使墊片伸長；通過重心法解模糊得到精確電壓值 u，控制壓電陶瓷驅(qū)動墊片的形變量誤差在±2%以內(nèi)，實現(xiàn)切削深度調(diào)整的快速響應(yīng)，延遲時間小于200μs。

33、本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)的有益技術(shù)效果如下：

34、1.動態(tài)切削力感知與主動振動抑制

35、實時感知能力：通過懸浮套平鍵上的應(yīng)變片實時采集切削力引起的剪切應(yīng)變信號，可精確捕捉砂眼、硬度突變等工況下的切削力突變，解決傳統(tǒng)剛性刀具無法實時感知材料不均的問題。

36、主動磁懸浮調(diào)節(jié)：控制系統(tǒng)根據(jù)應(yīng)變信號動態(tài)調(diào)節(jié)電磁鐵的電流大小及方向，通過電磁鐵與永磁體的徑向耦合磁場，實時調(diào)整刀盤的徑向支承剛度和懸浮位置。相比傳統(tǒng)被動減振手段，可有效抑制寬頻振動，將振動幅值降低60%以上，避免刀具崩刃和表面粗糙度惡化。

37、2.自適應(yīng)支承系統(tǒng)與加工穩(wěn)定性提升

38、軸向-徑向解耦控制：利用推力軸承和壓盤維持刀盤軸向定位，結(jié)合電磁鐵與永磁體的徑向磁懸浮力，形成軸向-徑向獨立可調(diào)的自適應(yīng)支承系統(tǒng)。相比傳統(tǒng)單一剛性連接結(jié)構(gòu)，可分別優(yōu)化軸向剛性和徑向動態(tài)剛度，適應(yīng)制動盤鑄造缺陷導(dǎo)致的切削力多向突變，提升加工系統(tǒng)整體穩(wěn)定性。

39、磁懸浮非接觸支承：電磁鐵與永磁體通過磁場耦合實現(xiàn)刀盤懸浮，減少傳統(tǒng)機(jī)械接觸支承的摩擦損耗，使刀盤旋轉(zhuǎn)阻力降低，同時避免因機(jī)械磨損導(dǎo)致的加工精度衰減，延長刀具系統(tǒng)使用壽命。

40、3.高頻響應(yīng)與多工況適應(yīng)性

41、快速動態(tài)調(diào)整：電磁鐵驅(qū)動電流的響應(yīng)時間＜1ms，可實時跟蹤砂眼區(qū)域硬度變化頻率，相比傳統(tǒng)機(jī)械調(diào)整方式，響應(yīng)速度提升1000倍以上，確保刀具始終以最優(yōu)參數(shù)切削，減少因調(diào)整滯后導(dǎo)致的加工質(zhì)量波動。

42、多工況魯棒性：通過預(yù)設(shè)控制算法，系統(tǒng)可自動識別砂眼硬質(zhì)點、軟質(zhì)區(qū)域等不同工況，動態(tài)切換磁懸浮力參數(shù)，使刀具在材料硬度波動時仍能保持切削深度誤差≤±0.01mm，加工表面粗糙度穩(wěn)定在ra≤1.6μm，滿足高精度加工要求。

43、4.結(jié)構(gòu)緊湊性與工程適用性

44、集成化設(shè)計：將永磁體、電磁鐵、傳感器及控制系統(tǒng)集成于刀柄-懸浮套-刀盤結(jié)構(gòu)中，無需額外外部設(shè)備，適配現(xiàn)有機(jī)床接口，工程改造難度低，可直接應(yīng)用于數(shù)控車床、磨床等設(shè)備。

45、免維護(hù)特性：磁懸浮支承無機(jī)械接觸部件，減少傳統(tǒng)滑動軸承的潤滑需求，維護(hù)周期延長至傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的3倍以上，降低工業(yè)生產(chǎn)中的停機(jī)維護(hù)成本。

46、總之，本發(fā)明通過“感知-決策-執(zhí)行”閉環(huán)控制與磁懸浮自適應(yīng)支承技術(shù)，系統(tǒng)性解決了傳統(tǒng)刀具在制動盤加工中面臨的顫振敏感、響應(yīng)滯后、多工況適應(yīng)性差等核心問題，顯著提升了加工精度、刀具壽命和生產(chǎn)效率。