一种切削力模拟加载设备的制作方法

本发明涉及机床性能测试技术领域，尤其涉及一种切削力模拟加载设备。

背景技术：

在机床的实际应用过程中，刀具在机床刀座的带到下加工零部件，刀具受到切削力的作用，切削力的大小反映了机床的加工精度和效率。切削力包括径向力、切向力及轴向力，其中，机床在加工内孔或者外圆的时候，内孔和外圆的直径尺寸较小的时候，切削力的轴向力可以忽略不计。

为了安全可靠的使用机床，需要对机床进行性能测试。目前，机床性能测试的方法主要为两种：第一种，利用机床加工零部件，测出加工极限；第二种，采用计算机模拟机床加工零部件时的切削力，测出加工极限。

采用机床加工零部件测出机床加工极限的方法存在的不足为：消耗大量的材料和刀具，使得测试成本增加；采用计算机模拟机床加工零部件的方法存在的不足为：计算机模拟的机床加工极限结果，可靠性不足。

因此，亟须一种能够真实模拟机床加工过程中切削力的切削力模拟加载设备，从而使得机床的测试成本降低，测试结果可靠。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种能够真实模拟机床加工过程中切削力的切削力模拟加载设备，从而使得机床的测试成本降低，测试结果可靠。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

本发明提供一种切削力模拟加载设备。具体地，该切削力模拟加载设备包括：第一加载装置；

第一加载装置包括第一模拟刀具、切向第一环及切向第二环；

第一模拟刀具包括第一模拟刀具连接端和第一模拟刀具受力端，第一模拟刀具连接端与被测机床的刀座连接，第一模拟刀具受力端相对于第一模拟刀具连接端在被测机床主轴的径向上移动；

切向第一环和切向第二环设置在被测机床的工作台上，切向第一环的一端插设在切向第二环中形成一个环形槽，第一模拟刀具受力端设置在环形槽中；

切向第二环上设置有缺口，切向第二环在缺口处设置有调节螺栓，调节螺栓用于调节切向第二环的直径大小。

进一步地，本发明的切削力模拟加载设备还包括：

推力环，推力环套设在切向第一环的外部，推力环相对切向第一环在被测机床的轴向上移动，且移动方向靠近被测机床的刀座，推力环对第一模拟刀具受力端推压；

拉力环，拉力环插设在切向第一环的内部，拉力环相对切向第一环在被测机床的轴向上移动，且移动方向远离被测机床的刀座，拉力环对第一模拟刀具受力端拉压。

进一步地，第一模拟刀具受力端和第一模拟刀具连接端之间螺纹连接，螺纹连接的螺纹轴线在被测机床主轴的径向上，第一模拟刀具连接端(101)通过螺纹连接对第一模拟刀具受力端(102)施加径向力。

进一步地，推力环的内圆周面上设置有螺纹，切向第一环的外圆周面上设置有螺纹，推力环通过螺纹相对切向第一环在被测机床的轴向上移动。

进一步地，拉力环上设置有抓夹机构和凸杆，抓夹机构连接第一模拟刀具受力端，凸杆的外圆周面上设置有螺纹，切向第一环的内圆弧面上设置有螺纹，拉力环通过螺纹相对切向第一环在被测机床的轴向上移动。

进一步地，拉力环包括第一环、第二环和第三环；

凸杆设置在第一环上；

第一环上设置有第一槽，第二环上设置有第二槽，第一环和第二环固定连接之后，第一槽和第二槽形成环形凹槽；

第三环上设置有凸起，凸起设置在环形凹槽的内部；

抓夹机构设置在第三环上。

进一步地，本发明的切削力模拟加载设备还包括：

第二加载装置，第二加载装置包括夹持机构、径向进给机构和第二模拟刀具；

第二模拟刀具包括第二模拟刀具连接端和第二模拟刀具受力端，第二模拟刀具连接端与被测机床的旋转刀座连接，夹持机构用于夹持第二模拟刀具受力端，且不限定周向的旋转；

径向进给机构包括径向进给固定端和径向进给移动端，径向进给固定端设置在被测机床的工作台上，径向进给移动端与夹持机构连接；

径向进给移动端可相对于径向进给固定端在第二模拟刀具的径向上移动。

进一步地，第二加载装置还包括加载环，加载环设置在被测机床的工作台上；

加载环为设置有缺口的圆环，第二模拟刀具受力端插设在加载环的圆环内，加载环在缺口处设置有张紧螺栓，加载环通过张紧螺栓调节对第二模拟刀具受力端施加的径向正压力的大小。

进一步地，本发明的切削力模拟加载设备还包括：

转盘，转盘设置在被测机床的工作台上，切向第一环、切向第二环、径向进给固定端、加载环通过转盘设置在被测机床的工作台上，转盘用于带动切向第一环、切向第二环、径向进给固定端、加载环相对被测机床的工作台转动。

进一步地，被测机床为镗床。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：

本发明的切削力模拟加载设备，利用第一模拟刀具替代真实刀具，无需在第一模拟刀具上设置刀刃，模拟刀具的制造成本降低，从而降低了测试成本；

本发明的切削力模拟加载设备，利用第一模拟刀具代替真实刀具，第一模拟刀具无需加工零部件，所以无需消耗刀具，测试成本降低；

本发明的切削力模拟加载设备，利用切向第一环、切向第二环及第一模拟刀具模拟真实刀具加工零部件时的受力，无需消耗原料加工零部件，节约了测试成本；

本发明的切削力模拟加载设备，利用调节螺栓调节切向第二环的直径大小，从而调节切向第二环对第一模拟刀具受力端的沿被测机床主轴径向的正压力，当第一模拟刀具旋转时，切向第一环与切向第二环对第一模拟刀具受力端施加动摩擦力，动摩擦力即为第一模拟刀具受力端受到的切向力；

本发明的切削力模拟加载设备，利用第一模拟刀具受力端相对于第一模拟刀具连接端在被测机床主轴的径向上移动，实现对第一模拟刀具受力端施加沿被测机床主轴径向上的径向力；

本发明的切削力模拟加载设备，能够根据需要模拟的径向力和切向力的大小，通过调节螺栓与第一模拟刀具受力端相对于第一模拟刀具连接端在被测机床主轴径向上的移动距离模拟出所需的径向力和切向力，从而测出被测机床的极限加工性能；

本发明的切削力模拟加载设备，被测机床的刀座上连接第一模拟刀具连接端，第一模拟刀具受力端设置在切向第一环和切向第二环形成的环形槽中，且第一模拟刀具受力端相对于第一模拟刀具连接端在被测机床主轴的径向上移动，模拟出被测机床带动真实刀具加工零部件时的受力，测试结果真实反映了被测机床加工零部件时的加工性能，测试结果可靠。

综上，本发明的切削力模拟加载设备能够真实模拟机床加工过程中切削力，使得机床的测试成本降低，测试结果可靠。

附图说明

图1为具体实施方式切削力模拟加载设备的结构示意图(图中第一加载装置包括两个)；

图2为具体实施方式第一模拟刀具结构示意图；

图3为具体实施方式切向第一环、切向第二环、推力环及拉力环的爆炸图；

图4为具体实施方式径向进给机构连接夹持机构的结构示意图；

图5为具体实施方式加载环连接径向移动机构的结构示意图；

图6为具体实施方式止停机构结构示意图。

【附图标记说明】

图中：

1：第一模拟刀具；101：第一模拟刀具连接端；102：第一模拟刀具受力端；1021：弧形滑块；

2：切向第一环；

3：切向第二环；301：调节螺栓；

4：推力环；

5：拉力环；501：第一环；5011：第一槽；5012：凸杆；502：第二环；5021：第二槽；503：第三环；5031：凸起；5032：抓夹机构；

6：径向进给机构；601：径向进给固定端；602：径向进给移动端；6021：基座；6022：轴瓦；6023：摇杆；6024：第一连接件；6025：第二连接件；6026：支撑件；6027：第一螺钉；6028：第二螺钉；6029：转轴；

7：轴承；

8：加载环；801：张紧螺栓；802：连接杆件；

9：径向移动机构；901：径向移动固定端；902：径向移动自由端；

10：止停机构；1001：第一杆件；1002：第二杆件；1003：第三杆件；1004：止停齿轮；1005：推杆；

11：转盘。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

在机床的真实切削过程中，刀具在加工零部件时受到切削力的作用，本发明利用切削力模拟加载设备模拟刀具受到的切削力的作用，来测试被测机床的极限加工性能，可以避免在机床测试的过程中，刀具和零部件的浪费。在机床真实的切削过程中，当机床在加工小直径的零部件时，轴向力对刀具造成的作用可以忽略不计，当机床车大直径的零部件时，轴向力对刀具造成的作用不可以忽略。

本实施例，轴向为与被测机床主轴轴线平行或重合的方向，径向为垂直轴向，且指向或背向轴向的方向，切向为垂直轴向和径向的方向。

参照图1-图6，本发明的切削力模拟加载设备包括第一加载装置、第二加载装置及转盘11。

第一加载装置

第一加载装置包括第一模拟刀具1、切向第一环2、切向第二环3、推力环4及拉力环5。

参照图2，第一模拟刀具1包括第一模拟刀具连接端101和第一模拟刀具受力端102，第一模拟刀具连接端101与被测机床的刀座连接，第一模拟刀具受力端102相对于第一模拟刀具连接端101在被测机床主轴的径向上移动。具体地，第一模拟刀具受力端102和第一模拟刀具连接端101之间螺纹连接，螺纹连接的螺纹轴线在被测机床主轴的径向上，第一模拟刀具连接端101通过螺纹连接对第一模拟刀具受力端102施加径向力。具体地，第一模拟道具受力端102的端部通过弧形滑块1021受力。

参照图3，切向第一环2和切向第二环3设置在被测机床的工作台上，切向第一环2的一端插设在切向第二环3中形成一个环形槽，第一模拟刀具受力端102设置在环形槽中。切向第二环3上设置有缺口，切向第二环3在缺口处设置有调节螺栓301，调节螺栓301用于调节切向第二环3的直径大小。第一模拟刀具连接端101在被测机床刀座的作用下旋转，第一模拟刀具受力端102在环形槽中旋转，第一模拟刀具102通过弧形滑块1021受到切向第一环2和切向第二环3的动摩擦力，这个动摩擦力即为第一模拟刀具受力端102受到的切向力。

参照图3，推力环4套设在切向第一环2的外部，推力环4相对切向第一环2在被测机床的轴向上移动，且移动方向靠近被测机床的刀座，推力环4对第一模拟刀具受力端102推压。具体地，推力环4的内圆周面上设置有螺纹，切向第一环2的外圆周面上设置有螺纹，推力环4通过螺纹相对切向第一环2在被测机床的轴向上移动，移动时，推力环4的端部对弧形滑块1021的端部施加平行于被测机床主轴轴向上的力。

参照图3，拉力环5插设在切向第一环2的内部，拉力环5相对切向第一环2在被测机床的轴向上移动，且移动方向远离被测机床的刀座，拉力环5对第一模拟刀具受力端102拉压。具体地，拉力环5上设置有抓夹机构5032和凸杆5012，抓夹机构5032连接第一模拟刀具受力端102，凸杆5012的外圆周面上设置有螺纹，切向第一环2的内圆弧面上设置有螺纹，拉力环5通过螺纹相对切向第一环2在被测机床的轴向上移动，移动时，通过抓夹机构5032对第一模拟刀具受力端102施加平行于被测机床主轴轴向上的力。更具体地，拉力环5包括第一环501、第二环502和第三环503；凸杆5012设置在第一环501上；第一环501上设置有第一槽5011，第二环502上设置有第二槽5021，第一环501和第二环502固定连接之后，第一槽5011和第二槽5021形成环形凹槽；第三环503上设置有凸起5031，凸起5031设置在环形凹槽的内部；抓夹机构5032设置在第三环503上。

本实施例切削力模拟加载设备的第一加载装置，在模拟径向力的时候，需要计算出径向力的大小，再换算成第一模拟刀具连接端和第一模拟刀具受力端之间螺纹的紧固力；在模拟切向力的时候，需要计算出切向第二环3所需的正压力的大小，再换算出调节螺栓301的紧固力；在模拟轴向力的时候，一方面，需要计算出推力的大小，再换算成推力环4和切向第一环2之间的螺纹紧固力，另一方面，需要计算出拉力的大小，再换算成拉力环5和切向第一环2之间的螺纹紧固力。

本发明的切削力模拟加载设备，利用第一模拟刀具1替代真实刀具，无需在第一模拟刀具1上设置刀刃，模拟刀具的制造成本降低，从而降低了测试成本。

本发明的切削力模拟加载设备，利用第一模拟刀具1代替真实刀具，第一模拟刀具1无需加工零部件，所以无需消耗刀具，测试成本降低。

本发明的切削力模拟加载设备，利用切向第一环2、切向第二环3及第一模拟刀具1模拟真实刀具加工零部件时的受力，无需消耗原料加工零部件，节约了测试成本。

本发明的切削力模拟加载设备，利用调节螺栓301调节切向第二环3的直径大小，从而调节切向第二环3对第一模拟刀具受力端102的沿被测机床主轴径向的正压力，当第一模拟刀具1旋转时，切向第一环2与切向第二环3对第一模拟刀具受力端102施加动摩擦力，动摩擦力即为第一模拟刀具受力端102受到的切向力。

本发明的切削力模拟加载设备，利用第一模拟刀具受力端102相对于第一模拟刀具连接端101在被测机床主轴的径向上移动，实现对第一模拟刀具受力端102施加沿被测机床主轴径向上的径向力。

本发明的切削力模拟加载设备，能够根据需要模拟的径向力和切向力的大小，通过调节螺栓301与第一模拟刀具受力端102相对于第一模拟刀具连接端101在被测机床主轴的径向上的移动距离模拟出所需的径向力和切向力，从而测出被测机床的极限加工性能。

本发明的切削力模拟加载设备，被测机床的刀座上连接第一模拟刀具连接端101，第一模拟刀具受力端102设置在切向第一环2和切向第二环3形成的环形槽中，且第一模拟刀具受力端102相对于第一模拟刀具连接端101在被测机床主轴的径向上移动，模拟出被测机床带动真实刀具加工零部件时的受力，测试结果真实反映了被测机床加工零部件时的加工性能，测试结果可靠。

本实施例的切削力模拟加载设备，第一模拟刀具连接端101通过螺纹连接对第一模拟刀具受力端102施加沿被测机床主轴径向上的径向力；切向第二环3和切向第一环2通过调节螺栓301对第一模拟刀具受力端102施加切向力；推力环4通过其与切向第一环2之间的螺纹连接对第一模拟刀具受力端102施加轴向推力；拉力环5通过其与切向第一环2之间的螺纹连接对第一模拟刀具受力端102施加轴向拉力。

本实施例切削力模拟加载设备的第一加载装置根据模拟加工零部件的尺寸大小制造出不同规格的第一加载装置，不同规格的第一加载装置可以更加真实的模拟机床加工零部件时的真实切削力。

第二加载装置

参照图1、图4及图5，第二加载装置包括：夹持机构、径向进给机构6及第二模拟刀具。

第二模拟刀具包括一体成型的第二模拟刀具连接端和第二模拟刀具受力端。第二模拟刀具连接端与被测机床的旋转刀座连接，夹持机构用于夹持第二模拟刀具受力端，且不限定周向的旋转。具体地，如图4所示，夹持结构为轴承7，轴承7的内圈与第二模拟刀具受力端连接，轴承7的内圈上设置有压力传感器。

径向进给机构6包括径向进给固定端601和径向进给移动端602。

径向进给固定端601设置在被测机床的工作台上。具体地，径向进给固定端601滑动设置在被测机床的工作台上，用于调节径向进给机构6在被测机床工作台的位置。利用径向进给固定端601调节径向进给机构6在工作台上的水平位置，进而使得夹持机构顺利对第二模拟刀具施加径向力。

径向进给移动端602与夹持机构连接。径向进给移动端602包括支撑件6026、摇杆6023和轴瓦6022，摇杆6023通过轴瓦6022支撑夹持机构；摇杆6023和支撑件6026之间通过转轴6029连接，摇杆6023相对于支撑件6026绕转轴6029转动。具体地，支撑件6026上设置有扇形凹槽，摇杆6023的另一端为扇形凸块。第二模拟刀具连接端与被测机床的刀座连接，第二模拟刀具受力端在径向进给机构6的作用下承受径向力的作用，第二模拟刀具受力端相对第二模拟刀具连接端发生弯曲变形，第二模拟刀具的弯曲变形使得第二模拟刀具受力端与轴承7不能完全贴合，当摇杆6023相对于支撑件6026绕转轴6029转动时，能够使得第二模拟刀具受力端与轴承7完全贴合。

径向进给移动端602可相对于径向进给固定端601在第二模拟刀具的径向上移动。

具体地，径向进给移动端602还包括基座6021，基座6021与径向进给固定端601螺纹连接；螺纹连接的螺纹轴线在径向上，基座6021上设置有驱动把手，驱动把手用于手动驱动基座6021。

支撑件6026与基座6021转动连接，形成在径向上的转动自由度，能够抵消基座6021和径向进给固定端601螺纹连接中形成的旋转运动，且限制在径向上的移动自由度，能够保留基座6021和径向进给固定端601螺纹连接中的移动运动。

更具体地，如图4所示，支撑件6026与基座6021通过第一连接件6024和第二连接件6025连接，第一连接件6024和第二连接件6025利用第一螺钉6027连接，第一连接件6024和第二连接件6025利用第一螺钉6027连接的整体安装在基座6021的孔中，第二连接件6025和支撑件6026通过第二螺钉6028连接，其中，在基座6021的管壁上设置有缺口，该缺口能够允许第二螺钉6028转动，不会对第二螺钉6028的转动造成限制。如此，利用支撑件6026和基座6021之间基座周向上的转动，形成在基座周向上的转动自由度，利用基座6021对第一连接件6024在基座轴向上的支撑，限制在基座轴向上的移动自由度。

参照图5，加载环8设置在被测机床的工作台上。

加载环8为设置有缺口的圆环，加载环8的圆环内侧设置有传感器，第二模拟刀具受力端插设在加载环8的圆环内，加载环8在缺口处设置有张紧螺栓801，加载环8通过张紧螺栓801调节对第二模拟刀具受力端施加的径向正压力的大小。

第二模拟刀具依次与被测机床的旋转刀座、夹持机构及加载环8连接。参照图5，本实施例的切削力模拟加载设备还包括径向移动机构9和止停机构10。

径向移动机构9，用于调节加载环8在径向的位置。具体地，径向移动机构9包括径向移动固定端901和径向移动自由端902。

径向移动固定端901滑动设置在被测机床的工作台上，用于调节径向移动固定端901在被测机床工作台的位置；径向移动自由端902与径向移动固定端901形成沿被测机床主轴径向的相对移动。更具体地，径向移动自由端902上设置有齿条，径向移动固定端901上设置有齿轮，径向移动自由端902与径向移动固定端901通过齿轮与齿条的啮合形成径向的相对移动。

本实施例，径向移动自由端902与加载环8连接。具体地，加载环8与径向移动自由端902转动连接。第二模拟刀具连接端与被测机床的刀座连接，第二模拟刀具受力端在径向进给机构6的作用下承受径向力的作用，第二模拟刀具受力端相对第二模拟刀具连接端发生弯曲变形，第二模拟刀具的弯曲变形使得第二模拟刀具受力端与加载环8不能完全贴合，当加载环8与径向移动自由端902转动连接，能够使得第二模拟刀具受力端与加载环8完全贴合。

更具体地，如图5所示，加载环8的一侧固定连接有连接杆件802，加载环8利用连接杆件802插设在径向移动自由端902的孔中，从而形成转动连接。优选地，在连接杆件802上套设有弹簧，弹簧的一端连接在连接杆件802上，弹簧的另一端连接在径向移动自由端902的孔上。设置弹簧的作用为防止加载环8在对第二模拟刀具施加切向力的时候，由于第二模拟刀具连接端连接的刀座的震动作用将加载环8从径向移动自由端902震动脱落。

止停机构10，用于固定加载环8在径向的位置。具体地，如图6所示，止停机构10包括第一杆件1001、第二杆件1002、第三杆件1003、止停齿轮1004及推杆1005；第一杆件1001转动设置在径向移动固定端901，第一杆件1001和第二杆件1002通过销轴转动连接，销轴上连接推杆1005，第二杆件1002和第三杆件1003转动连接，止停齿轮1004设置在第三杆件1003上，止停齿轮1004与齿轮啮合。当利用推杆1005推拉销轴，从而使得第一杆件1001、第二杆件1002及第三杆件1003处于几乎一条竖直直线时，止停机构10接近死点位置，水平方向的分力几乎为零，利用径向移动固定端901侧壁对销轴处形成的铰接的抵靠作用，使得止停机构10处于固定状态，从而使得止停齿轮1004对齿轮固定，实现固定加载环8在径向的位置。

本实施例的切削力模拟加载设备，利用第二模拟刀具替代真实刀具，无需在第二模拟刀具上设置刀刃，第二模拟刀具的制造成本降低，从而降低了测试成本。

本实施例的切削力模拟加载设备，利用第二模拟刀具代替真实刀具，第二模拟刀具无需加工零部件，所以无需消耗刀具，测试成本降低。

本实施例的切削力模拟加载设备，利用径向进给机构6对第二模拟刀具受力端施加径向力，无需消耗原料加工零部件，节约了测试成本。

本实施例的切削力模拟加载设备，能够根据需要模拟的径向力大小，利用径向进给机构6对第二模拟刀具受力端施加被测机床主轴径向上的作用力，模拟出真实刀具受到的沿被测机床主轴径向上的径向力。

本实施例的切削力模拟加载设备，第二模拟刀具连接端与被测机床的刀座连接，第二模拟刀具受力端与夹持机构连接，模拟被测机床带动真实刀具加工零部件时的受力，测试结果真实反映了被测机床加工零部件的加工性能，测试结果可靠。

本实施例切削力模拟加载设备的第二加载装置，在模拟径向力的时候，需要计算出径向力的大小，再换算成径向进给固定端601和基座6021之间螺纹的紧固力；在模拟切向力的时候，需要计算出加载环8所需的正压力的大小，再换算出张紧螺栓801的紧固力。

本实施例的切削力模拟加载设备用于模拟加工直径较小的零部件时刀具的受力，利用径向进给固定端601和径向进给移动端602在径向上的相对直线运动带动夹持机构对第二模拟刀具受力端施加径向力。第二模拟刀具在受到径向力作用之后会发生弯曲，利用摇杆6023相对于支撑件6026绕转轴6029转动，使得夹持机构与第二模拟刀具受力端完全贴合。利用滑动设置径向进给固定端601实现径向进给固定端601在工作台上的水平调整。利用加载环8对第二模拟刀具受力端施加切向力。利用径向移动机构9调节加载环8在径向上的位置。利用转动设置加载环8，使得加载环8与第二模拟刀具受力端完全贴合。利用止停机构10固定加载环8在径向的位置。

转盘11

转盘11设置在被测机床的工作台上，切向第一环2、切向第二环3、径向进给固定端601、加载环8通过转盘11设置在被测机床的工作台上，转盘11用于带动切向第一环2、切向第二环3、径向进给固定端601、加载环8相对被测机床的工作台转动。如图1所示，切向第一环2、切向第二环3、径向进给固定端601、加载环8可以根据需要模拟加工零部件的尺寸大小顺利的选择第一加载装置或者第二加载装置。

被测机床为镗床。被测镗床包括工作台和可旋转的刀座。在镗床真实的切削过程中，当镗床在镗孔或者车小直径的零部件时，轴向力对镗刀造成的作用可以忽略不计。

综上，本实施例的切削力模拟加载设备能够真实模拟机床加工过程中切削力，使得机床的测试成本降低，测试结果可靠。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。