新型压电式车削测力仪的研究

　　0　引　言

　　切削力是描述切削过程的重要参数,如何精确地测得实际切削力越来越成为人们所关切的课题了,因为这不但对于研究切削原理、设计机床、夹具以及评价先进刀具具有重要意义,而且,随着切削动力学的深入研究以及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,特别是动态分量的幅值与相位的大小。大量研究结果表明:切削状态的每个微小变化都能通过切削力的大小反应出来,检测切削力是目前国内外研究与应用最多的方法之一^[1]。进行实地测量切削力最可靠而实用的办法是用压电式测力仪,此种方法具有力信号比较容易采集、响应快、灵敏度高、便于在线实时测量等优点。测力仪尤其是动态切削测力仪就是研究切削力不可缺少的重要仪器。为了不改变机床的原有部件,减小对机床整体特性的影响,迫切需要设计出一种外型结构、使用状态都类似于普通外圆车刀的测力仪。

　　本文通过有限元分析法对刀杆式切削测力仪进行静力学分析,优化设计测力仪的结构尺寸,使其对整个实际加工系统影响小,同实际加工状态相接近。

　　1　车削测力仪的结构与分析

　　压电式车削测力仪的结构种类较多,其原理是利用石英晶体的压电效应,当晶体受到机械应力作用时,其表面就产生电荷,产生的电荷密度的大小与所施加的机械应力的大小成严格的线性关系^[2],本测力仪主要采用3种压电效应,即,纵向效应、横向效应、以及剪切效应。

　　刀杆式切削测力仪的结构模型见图1,将刀头处的受力情况可分解成3个方向不同的力。为了防止附加弯矩过大,对传感器产生不良影响,所以,安装传感器的截面应尽量靠近刀尖。

　　主要结构尺寸分析:

　　(1)刀头的高度B^₁对z向刚度影响较大,因为传感器晶组的高度约为18mm,再留出一定调整余量,考虑一定的壁厚,所以,B^₁取值范围为42~50mm。对不同的刀头高度分别进行有限元分析;

　　(2)弹性环的厚度H对z向刚度影响也较大,其实用取值范围为6~10mm;

　　(3)刀头悬伸应尽量短,关键取决于C,其实用取值范围为50~60mm;

　　(4)车床小刀架夹刀槽的宽度决定B_²应小于34mm,考虑到刀头较高,根据以往重型车刀的设计经验,直接取32mm。

　　根据以上约束条件,对其进行有限元分析优化,计算主要结构尺寸为B_¹=44mm,H=8mm,C=60mm,B_²=32mm。

　　2　数学模型和频率特性分析

　　压电式测力仪,从动力学观点可以把它视为单质点振动系统,是由一个质量m,弹簧K和阻尼器c组成的等效系统,如图2所示基本模型,其上作用着按正弦函数变化的切削力