新型压电式车削测力仪

　　0　引言

　　切削条件的复杂性和不确定性使得理论计算很难得到精确的切削力,并且随着切削动力学的深入研究,加工过程的适应控制与在线检测等都需要准确地知道切削力,特别是其动态分量的幅值与相位。知道切削力最可靠且实用的办法是用测力仪进行实地测量,因此研制出了许多类型的测力仪[1-4]。这些测力仪对于有效监测加工过程、改进加工工艺、提高加工质量具有重要的实用价值。

　　1　测力仪的结构设计

　　新型压电式车削测力仪是在刀杆式车削测力仪[2]和整体式三维压电测力平台[3]的基础上设计的,如图1所示。测力仪利用对称的双弹性环结构,该结构的“推挽”特点,不仅提高了测力仪的灵敏度,而且能自动补偿切削热对传感器XY切型晶组输出信号的干扰,降低了切削热对测力仪的影响。

　　1. 1　简化模型受力分析

　　为了便于分析与计算,对测力仪结构做如下简化与假设:

　　(1)测力仪两侧传感器的外端固支,两传感器间的距离为2a;

　　(2)受力情况如图2所示;

　　(3)刀头厚度为b;

　　(4)变形构件材质均匀,符合胡克定律与力的叠加原理。

　　则两个传感器与三分力的关系如下:

　　式中:K₁、K₂、K₃为分载系数;A为左侧传感器; B为右侧传感器。

　　通过上式可知:F_x对Y向单个传感器的受力影响很大。由于传感器的Y向石英晶组利用剪切效应测量力值,因此必须合理确定测力仪X向、Y向量程和两个传感器间的距离a,防止传感器Y向受力超出最大静摩擦力,导致测力仪失效。

　　1. 2　弹性环的优化设计

　　测力仪中的弹性环结构不仅起到对传感器预紧的作用,而且还起到力的传递与分载作用,是测力仪的关键部位。弹性环的优化设计是在一定范围内选择弹性环外径R、内径r、厚H的最佳组合。为兼顾测力仪的固有频率和灵敏度,弹性环结构参数应满足下列约束条件:

　　(1)保证测力仪三向刚度均达到100 N/μm;

　　(2)安装传感器时弹性环的最大拉应力必须小于其材料的许用屈服极限。

　　利用有限元软件ANSYS计算出弹性环的应力与位移,获得R、r、H与刚度间的对应关系。为了减少计算组数和节省程序运行时间,采用三因素三水平的正交试验设计法,计算结果如表1所示。

　　利用方差分析的统计量F的大小来评价各因素对刚度的影响程度。各因素对K_x、K_y、K_z的影响大小顺序分别为