用于监测切削加工及切屑形成中刀具状态的装置的制作方法

本实用新型涉及机加工技术领域，具体涉及一种用于监测切削加工及切屑形成中刀具状态的装置。

背景技术：

高速切削加工是一种比常规切削速度高得多的先进制造工艺，它不但可以大幅度提高零件的加工效率、降低加工成，而且可以使零件的表面加工质量和加工精度达到更高的水平，高速加工已在航空、航天、汽车以及超精密微细加工等领域获得了广泛的应用。

在高速切削加工过程中，往往会出现刀具磨损、崩刃、破损、失效，切屑形成、断裂，切削加工中断等一系列情况。这些情况都对加工工艺及刀具状态有着特定的影响。在加工过程中，这些意外的出现都会影响刀具切削状态和加工稳定性。在传统的加工中，切屑成形是将工件加工成理想形状的主要方法。而切屑对刀具状态的影响主要取决于切屑形成机理及其几何形状。切屑的形状、切屑的分离和形成速率、切屑的温度及能量密度、切屑与刀具切削面的摩擦挤压运动都对刀具的磨损起了决定作用。

由于切屑形成过程不仅会引起刀具磨损，还会引起刀刃的破损，而刀具磨损增大了功率损耗，刀刃崩刃中断正常的加工并影响工件的质量。因此，在机械加工过程中，为了避免高速切削加工与切屑形成相关问题发生不确定的联合性，刀具状态的监视是至关重要的。

现有的刀具状态监视系统主要包括直接监视系统和间接监视系统两种，其中，直接监视系统，如激光、光学、超声传感器，不仅价格较贵，而且难以实际用于加工中；间接监视系统，主要通过监测切削力、振动、电流、温度等再演算分析实现，运用的构件主要包括加速度传感器、力传感器、AE传感器和电流传感器，成本相对较低，但却普遍存在以下问题：

1、由于切屑形成过程中刀具和加工工件的震动频率都较高，基本超过10KHZ，需要采用AE传感器，而现有监视系统的AE传感器都是直接安装在加工工件或刀具上的，在切屑形成过程中，刀具或加工工件振动引起的噪音信号会与AE传感器需要采集的信号混合，从而影响AE传感器的采集精度，使监视系统的监视功能失真。

2、无法将AE传感器采集的信号与切屑形貌、刀具与工件状态、切屑与刀具前刀面是否接触摩擦、刀具磨损状态进行关联，有效的监测分析，适用范围窄。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种AE信号精确且能有效区分不同刀具与切屑状态下的AE信号的用于监测切削加工及切屑形成中刀具状态的装置。

本实用新型提供的这种用于监测切削加工及切屑形成中刀具状态的装置，包括安装在刀架上的刀具和AE信号采集器、安装在夹具上的工件、用于安装刀架和夹具的试验平台、用于信号采集与存储的数据采集系统,所述刀架包括主夹持器、副夹持器和隔热减振垫，所述刀具和隔热减振垫并排布置在主、副夹持器之间，副夹持器通过若干连接螺栓穿过隔热减振垫正向锁紧在主夹持器上，副夹持器通过若干调节螺栓反向顶紧在主夹持器上；

AE信号采集器安装在副夹持器上，用于采集切屑过程中切屑断裂、切屑与刀具前刀面接触摩擦、切削过程中工件剪切变形或者挤压摩擦变形的声音信号；

在刀具的后刀面上布置有用于检测是否发生切削加工的压电式力传感器一；

在刀具的前刀面上布置有用于检测切屑形成后是否与刀具前刀面接触的压电式力传感器二；

在主夹持器上安装有用于测量高速切削过程中切削冲击的频率及切削力的表面应变计；

在所述刀具上方的试验平台上安装有用于拍摄高速切削过程中切屑形成过程及形态、刀具表面状态及温度的集合热成像仪的的高速CCD相机；

AE信号采集器、压电式力传感器一、压电式力传感器二、表面应变计和高速CCD相机的输出端均与数据采集系统连接。

为能够准确有效的采集信号，所述AE信号采集器安装在刀具主切削刃上方的副夹持器上。

为能够准确有效的采集信号，所述压电式力传感器二布置在刀具的前刀面上并距离刀具副切削刃10-40um。

为能够准确有效的采集信号，所述数据采集系统包括依次电联的耦合器、低通滤波器、电荷放大器、信号采集模块和信号处理模块，AE信号采集器、压电式力传感器一、压电式力传感器二、表面应变计和高速CCD相机的输出端均与缓冲放大器的各串口连接。

所述耦合器由缓冲放大器、功率放大器和高通滤波器依次电联而成。

所述夹具安装在试验平台上的高速电动推杆上，所述高速电动推杆直线运动推动夹具上的工件与刀具形成相对直线切削运动。

所述主夹持器安装在试验平台上的工件接收管上，所述主夹持器的横截面呈圆环状，所述主夹持器、工件接收管与高速电动推杆同轴布置。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

1、将夹持器分为主副两层，将刀具和隔热减振垫并排夹紧在主、副夹持器之间，将AE信号采集器布置在副夹持器上，不与主夹持器直接连接，利用隔热减振垫的缓冲功能，抑制来源于高速切削过程中刀具弹性变形及磨损造成的低频振动，降低了刀具或工件振动引起的噪音信号与AE信号采集器需要采集的信号混合的可能性，从而保证了AE信号采集器的采集精度，使监视系统的监视功能更有效。

2、通过设置压电式力传感器一、压电式力传感器二、表面应变计和高速CCD相机，实现切削力、切屑形貌、刀具与工件状态（剪切切削、摩擦碰撞，未切削）、切屑与刀具前刀面是否接触摩擦、刀具磨损状态与AE信号的时时同步监控，从而有效区分刀具与切屑不同状态下的AE信号，为准确建立其关联性并检测切削状态提供了基础。

本实用新型AE信号采集精度高、独立性好、关联性强，可广泛用于各种切削加工工艺中，可以用于不同加工速度下，尤其是能够适应超高速（5m/s-75m/s）加工监测系统中。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为图1中A-A处局部放大结构示意图。

图3为图1中I处放大结构示意图。

图4为本实用新型的电路原理示意图。

图中示出的标记及所对应的构件名称为：

1、刀架；2、刀具；3、AE信号采集器；4、夹具；5、工件；6、试验平台；7、压电式力传感器一；8、压电式力传感器二；9、表面应变计；10、高速CCD相机；11、主夹持器；12、副夹持器；13、隔热减振垫；14、连接螺栓；15、调节螺栓；16；高速电动推杆；17、工件接收管。

具体实施方式

从图1至图3可以看出，本实用新型这种用于监测切削加工及切屑形成中刀具状态的装置，包括刀架1、刀具2、AE信号采集器3、夹具4、工件5、试验平台6、压电式力传感器一7、压电式力传感器二8、表面应变计9、高速CCD相机10和用于信号采集与存储的数据采集系统，其中

刀架1包括主夹持器11、副夹持器12、隔热减振垫13、若干连接螺栓14和若干调节螺栓15，刀具2和隔热减振垫13并排布置在主夹持器11和副夹持器12之间，连接螺栓14上的螺纹呈正向旋转，调节螺栓15上的螺纹呈反向旋转，连接螺栓14依次与副夹持器12、隔热减振垫13和主夹持器11螺纹连接，调节螺栓15依次与副夹持器12和隔热减振垫13螺纹连接，主夹持器11固定安装在试验平台6；

刀具2通过连接螺栓14正向旋转夹紧固定在主夹持器11和副夹持器12之间，调节螺栓15反向旋转用于微距离控制主夹持器11与副夹持器12之间不同连接位置处的夹紧力，不同位置的夹紧力对主夹持器11、副夹持器12及隔热减振垫13组成的刀架1的动态特性具有明显的影响；

AE信号采集器3安装在副夹持器12上，用于采集切屑过程中切屑断裂、切屑与刀具前刀面接触摩擦、切削过程中工件剪切变形或者挤压摩擦变形的声音信号；

夹具4安装在试验平台6上，工件5夹持在夹具4上；

压电式力传感器一7安装在刀具2的后刀面上，用于检测是否发生切削加工；

压电式力传感器二8安装在刀具2的前刀面上，用于检测切屑形成后是否与刀具前刀面接触；

表面应变计安装在主夹持器11上，用于测量高速切削过程中主夹持器11上切削冲击的频率及切削力的；

高速CCD相机10安装在刀具2上方的试验平台6上，在高速CCD相机10上集合有热成像仪系统，用于拍摄高速切削过程中切屑形成过程及形态、刀具表面状态及温度；

AE信号采集器3、压电式力传感器一7、压电式力传感器二8、表面应变计9和高速CCD相机10的输出端均与数据采集系统连接。

从图2可以看出，本实用新型的AE信号采集器3安装在刀具2主切削刃上方的副夹持器12上。

在本实用新型中，压电式力传感器二8安装在刀具2的前刀面上并距离刀具2的副切削刃10-40um处。

从图4可以看出，本实用新型的数据采集系统包括依次电联的耦合器、低通滤波器、电荷放大器、信号采集模块和信号处理模块，耦合器由缓冲放大器、功率放大器和高通滤波器依次电联而成，AE信号采集器、压电式力传感器一、压电式力传感器二、表面应变计和高速CCD相机的输出端均与缓冲放大器的各串口连接，高通滤波器与低通滤波器电联。

在本实用新型中，AE信号采集器3与数据采集系统能够允许50KHZ以上的信号采集与存储。

从图1至图3还可以看出，夹具4安装在试验平台6的高速电动推杆16上，工件5夹持在夹具4上，高速电动推杆16与主夹持器11同轴布置；主夹持器11的横截面呈圆环状，主夹持器11安装在试验平台6上的工件接收管17上，主夹持器11、工件接收管17与高速电动推杆16同轴布置；刀具2有两个并对称布置在主夹持器11靠近高速电动推杆16的一端，高速电动推杆16沿轴心直线运动推动夹具4上的工件5向主夹持器11运动，工件5与刀具2的主切削刃切削连接，形成相对直线切削运动，可直接用于监测拉、刨削加工及切屑形成中刀具的状态；也可通过刀具产生的切削运动，分析切屑、切削力、切削参数、AE信号、刀具磨损之间的关联性，为车与铣削加工的自适应系统奠定基础。

本实用新型的使用方法，包括如下步骤：在高速切削过程中，表面应变计9将其测得的应力数值发送至数据采集系统的耦合器中，应力数值通过低通滤波器、电荷放大器、信号采集模块存储至信号处理模块中，信号处理模块根据测得应力数值与人工输入的应变计材料的弹性模量及主夹持器的横截面积计算获得切削冲击的频率和切削力：

ε=σ/E，F=σ·A

其中，ε为切削冲击的频率，σ为表面应变计测得的应力，E为应变计材料的弹性模量，F为切削力，A为主夹持器的横截面积。