基于有限元分析的微孔钻削测力仪研究

　　0引言

　　微小孔钻削过程中钻削力是影响钻头寿命和孔加工质量的主要因素。在实际生产过程中，通过对钻削过程中力信号的实时监测，有利于提高孔的加工质 量，降低微小孔加工的故障率。由于钻削微小孔时产生的钻削力非常小，不易测量，对应变式测力仪的灵敏度和动态特性要求比较高，研制应变式微小孔钻削测力仪 是一个国际性难题。目前，工程应用中主要依赖于瑞士KIS-TLER公司生产的压电式测力仪，但它非常昂贵，　结构形式不灵活，很难在实际加工中普遍使 用。

    　本文通过有限元分析法对一种新型微小孔钻削测力仪灵敏元件进行动力学和静力学分析，优化设计测力仪灵敏元件的结构尺寸，研制出一套高灵敏度应变式微小孔钻削测力系统。

　　1钻削测力仪的结构设计与分析

　　典型的应变式钻削测力仪主要有薄壁筒式和薄壁筋式结构，其原理都是利用材料在弹性变形区内，自身的弹性应变与外加载荷成正比的特性。在同样的测 量条件下，薄壁筒式结构的灵敏元件的高度比薄壁筋式结构的高，直径较小，固有频率较容易提高，刚性也较好，但是，受现代加工方法和实用性的限制，灵敏度很 难提高。在普通的黄铜材料上钻削gmm孔时，产生的轴向力和扭矩分别为16N和SN·mm左右川。如果采用薄壁筒式结构，通过计算，要在单位轴向力的载荷 下产生2*10^-6的弹性应变量，则小somm薄壁圆筒的壁厚只需4mm左右，这种结构在目前超精密加工领域中有很大的困难。所 以，在理论上薄壁筒式结构不适用于微小孔钻削测力仪。薄壁筋式结构中的力学模型见图l，两端均受六维约束的梁结构上加载一个恒定不变的力，选择图中的坐标 系，有梁的挠曲方程:

　　式中，M为梁X处的力矩;E为材料的弹性模量;I为梁Z向的转动惯量。

　　计算出各点的弹性应变见图2。此种模型可在小载荷下产生较大的弹性应变，非常适合用在微小孔钻削测力仪上。

　　考虑到在加工过程中测量轴向力和测量扭矩的相互干扰以及在实际加工中二者间的相对大小问题，本文所设计的测力仪灵敏元件的等效模型，一4]见图 3，属于整体轮辐筋式结构。灵敏元件在机械结构上可分为单独的两部分，在轴向力载荷下所产生的弹性应变量与在扭矩载荷下产生的弹性应变量从机械结构上彻底 分开，从而减小了二者的交叉干扰，更有利于在保证整体刚性的前提下，提高测量扭矩的灵敏度;同时灵敏元件采用一体化设计，没有机械连接，减少了装配对整体 性能的影响，可较容易地实现对微小扭矩和相对扭矩较大的轴向力的测量。