测力刀柄结构设计与分析

　　0 引言

　　本文介绍的测力刀柄, 是在刀柄部位加工出一弹性体, 应变片贴于此弹性体上, 将测力元件与刀柄做成一个整体, 对机床无需做任何改动。

　　作为力传感器, 测力刀柄应能够分辨切削力较细微的变化, 即要求刀柄有较高的灵敏度。同时因为刀柄直接承受切削力的作用, 所以对刀柄的刚度要求较高, 即在较大切削力的作用下刀柄只允许产生较小的变形, 以保证加工质量。可见传感器的灵敏度和刚度是一对矛盾,如何设计测力刀柄的结构, 使这对矛盾得以合理的解决,是测力刀柄的关键。

　　1 弹性元件的设计

　　为了使设计的测力刀柄具有通用性, 需要选择一种常用的刀柄标准。本文设计的是 BT40 的一种弹簧夹头刀柄。BT 柄是日本标准, 180 度圆周有定位, 无对动平衡不利的定位缺口。

　　测力刀柄的弹性元件的结构形式是薄壁圆筒, 整个刀柄只有一个弹性元件, 利用纯拉压和纯剪切的方式实现空间三个方向的力 Fx、Fy、Fz 及一个方向的扭矩 Mz的测量。

　　所有的应变片均分布在薄壁圆筒的外表面, 加工尺寸容易保证, 布片空间大, 加压工具设计方便, 操作容易, 易保证贴片质量。弹性元件的基本特性一般用灵敏度和刚度来表征。

　　从表 1 可以看出决定灵敏度、刚度的尺寸是壁厚 t,平均直径 d 和薄壁圆筒的高度 L。同时也可以看出仍然存在灵敏度和刚度之间的矛盾[1]。以薄壁圆筒作为弹性元件时, 弹性元件在尺寸选择上应遵循的原则[1]: ①在应变片大小和贴片空间允许的情况下, 为保证刚度, 尽量选择小的 L; ②根据灵敏度和刚度的要求来确定 d 和t, 在保证灵敏度的情况下, 尽量选择大的 d 以提高刚度。t 的选择应在选择 L 和 d 之后确定, 但不能使 t 太小, 出现加工困难, 或因 t 太小, 在加工时即使出现比较小的圆度误差, 则易造成壁厚不均匀。

　　测力刀柄设计中, 直径 d 受刀柄尺寸限制, 综合考虑取为 35mm; L 取 8mm, t 取 1mm。材料是 40Cr, 其弹性模量 E=206 GPa, 泊松比 μ=0.28。对各指标进行验算得知:

　　2 有限元分析

　　为了提高刚度, 弹性体的长度 L 较短, 这样弹性体的应力应变分布必然受到边界效应的影响而变得复杂。为了进一步分析测力刀柄受力情况, 可以利用有限元法来分析其在不同条件下的应力应变分布状况。还可以用有限元分析软件进行模态分析, 得出测力刀柄固有频率。

　　2.1 有限元计算模型的建立

　　在有限元分析中, 一些细节对分析并不重要, 不必在模型中体现。但有些情况下, 随着倒角和其它一些细节被简化, 在它们邻近区域内计算出的应力值可能不准确。对于刀柄的建模, 与薄壁部分尺寸有关的倒角不能做简化, 因为此处是最大 ( 或最小) 应力所在的位置。而对两个 U 型的定位槽和其它圆角或倒角处可以简化。这样简化后利用刀柄结构的对称性, 很容易在有限元分析软件 ANSYS 中用自底向上的建模方法建立模型。