一种测量高转速/超高转速三维切削力的装置和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种测量金属切削力的装置及方法，属于金属切削加工去除机理研究 领域。
【背景技术】
[0002] 切削力是金属切削加工过程中的重要状态参数之一，是金属切削加工机理与工艺 应用研究中的重要研究对象，精确的切削力信号的获得是进行切削力分析的重要前提，对 切削过程的准确评价至关重要。
[0003] 目前进行切削力测量的装置有：机械测力仪、液压测力仪、电感测力仪、电容测力 仪、电阻应变式测力仪和压电测力仪，而其中应用最广泛的是压电式测力仪和电阻应变测 力仪。
[0004] (1)压电式测力仪。
[0005] 压电式测力仪是基于压电效应原理，以压电晶体为传感元件装配而成。压电式测 力仪动静态刚性好，具有固有频率高、频率响应和瞬态响应好、工作频带宽及测量误差小等 优点。但压电式测力仪点位置误差较大，易于击穿电子管，维护不方便，且其装配精度要求 高，价格昂贵，从而限制了其广泛应用。
[0006] ⑵电阻应变式测力仪。
[0007] 电阻应变式测力仪具有性能可靠，成本低、动静态精度高、长期稳定性好、坚固耐 用、工艺性好及适合于各种恶劣环境使用等优点。电阻应变片也称电阻应变计，简称应变片 或应变计，是由敏感栅等构成用于测量应变的元件。它能将机械构件上应变的变化转换为 电阻变化，是一种比例环节，不但能测量静载荷下的应变，也可以测量频率范围为(T500kHz 的动态应变，在目前使用的测力传感器中占90%。现有的电阻式应变测力仪为了取得较高的 固有频率，往往机构较复杂，使其应用范围减小。
【发明内容】
[0008] 本发明基于切削加工技术、悬臂梁动力学反求技术和应变片测试技术，针对目前 高转速和超高转速铣削加工中切削力信号采集过程中失真的不足，提出了一种通过动力学 反求法求解铣削过程中三维切削力的方法，并设计了一种新的高固有频率三维切削力测试 装置，可以实现高转速及超高转速等高频切削加工条件下三维切削力的采集测量。
[0009] 本发明为了解决高转速/超高转速铣削过程中三维切削力采集问题信号失真的 不足，所采用的主要方案如下： 一种高转速/超高转速切削加工条件下三维切削力的测试装置，主要包括切削装置和 测试装置，切削装置由铣刀和待切削工件组成，测试装置由固定平台、应变片和应变测试仪 组成。固定平台分为两层，下层加工有固定槽，待切削工件的宽度和高度与固定槽的尺寸间 采用过盈配合装配。固定平台的上层和下层通过螺栓连接，待切削工件插入固定平台的上 下层之间，利用固定平台的上层和下层之间的预紧力压紧待切削工件，从而保持工件在切 削加工过程中的稳定。然后分别在待切削工件的上表面和侧表面粘贴两组电阻应变片，每 一组电阻应变片包含两个应变片，每个独立测量表面的应力变化。将电阻应变片采集到的 待切削工件表面的应力信号经应变测试仪放大处理后输入到示波器。最后，将电阻应变片 测量的应力根据材料力学和悬臂梁动力学知识换算成待切削工件端部的切削力。调整待切 削工件的悬伸长度可以测试整个系统的固有频率，从而避免不同切削频率条件下的信号失 真。
[0010]
【附图说明】 悬臂梁式高转速/超高转速切削测力仪结构示意图和接线图。
【具体实施方式】
[0011] 以下将结合附图对本发明的结构与工作原理及求解过程进行详细说明。
[0012] 如图所示，本发明提供一种高转速/超高转速三维动态切削力的测试装置及方 法，其测试平台主要由铣刀1、待切削工件2、固定平台3、电阻应变片4、应变测试仪5和示 波器6组成。铣刀1安装在机床主轴上并随机床主轴做高转速/超高转速转动。待切削工 件2通过螺栓压紧固定于固定平台3上，并随固定平台3在机床的运动平台上做水平运动。 电阻应变片4 (ΡρΡ2、Ρ3、Ρ4)粘贴在待切削工件2的上表面和侧表面，每组电阻应变片距离 待切削工件2端面的距离(人，Λ，4人）可以是任意距离。将电阻应变片4采集到的数据 经应变测试仪5放大处理后通过数据线传输到示波器6,示波器显示并记录其应力的大小 和频率。
[0013] 铣刀1高转速/超高转速切削待切削工件2时，对待切削工件2施加三维作 用力，分别产生三个方向的作用力。分别在待切削工件2的表面产生拉压变 形和弯曲变形。式（1)给出了每一组电阻应变片的应力和切削力之间的关系，式中的 %为待切削工件2在平面绕οχ轴发生横向弯曲时的振动频率，％为待切削工件2在 平面绕轴发生横向弯曲时的振动频率，，为待切削工件2受到％方向的压缩时的 振动频率，Λ为电阻应变片离待切削工件2悬臂端的距离d为待切削工件2平行横截 面的面积，I为待切削工件2在平面绕ox轴发生横向弯曲时的抗弯截面系数，f；为待 切削工件2在X i^平面绕吵轴发生横向弯曲时的抗弯截面系数。将式（1)进行变形得到 式（2)，获得高转速/超高转速铣削过程中三维切削力的大小和频率，从而实现高转速或者 超高转速切削力的测量。
综上所述，本发明提出了一种测量高转速/超高转速三维动态切削力的装置及方法， 重点在于将待切削工件作为悬臂梁测试平台，利用电阻应变片和应变测试仪悬臂梁上不同 表面不同位置应力的大小和频率并经示波器显示和记录，利用动力学反求技术求得高转速 /超高转速三维加工过程中的动态切削力。
[0015] 以上实施具体案例仅为说明本发明的技术方法，不能以此限定本发明的保护范 围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保 护范围之内。
【主权项】
1.本发明公开了一种通过动力学反求技术获得高转速/超高转速条件下三维切削力 的装置和方法，本发明所提出的高转速/超高转速切削条件下的三维切削力的测试装置主 要包括：铣刀、待切削工件、固定平台、电阻应变片、应变仪和示波器；待切削工件一端固定 于固定平台，一端悬伸形成悬臂梁结构；在待切削工件的上表面和侧表面距离端面一定距 离处各粘贴两组电阻应变片，通过电阻应变片和应变仪测量待切削工件上表面高转速/超 高转速加工条件下的应力变化，并通过数据线传输到示波器上显示并记录；根据材料力学 的知识，将电阻应变片受到的拉压变形和弯曲变形产生的组合应力进行分解，并通过动力 学反求技术实现待切削工件上的三维切削力大小和频率的测量。
【专利摘要】本发明公开了一种通过动力学反求技术获得三维切削力的装置和方法。该装置包括：适合高转速/超高转速条件下切削加工的悬臂梁结构及固定装置，测量工件表面变形的电阻应变片和应变仪，显示工件表面应力大小和频率的示波器。将电阻应变片获得的悬臂梁表面应力，通过材料力学和悬臂梁动力学知识即可转化为三维切削力大小和频率。本发明基于动力学反求技术实现三维切削力的测量，具有原理清晰，装置简单，测量精度高，应用范围广等优点，可以实现高转速/超高转速加工条件下切削力大小和频率的测量，解决现有高转速及超高转速条件下测力仪固有频率小、信号失真的问题。
【IPC分类】B23Q17/09
【公开号】CN105081881
【申请号】CN201410187412
【发明人】张涛, 阎兵, 戚厚军, 李国和, 霍文国, 刘洁, 刘梦莹
【申请人】天津职业技术师范大学
【公开日】2015年11月25日
【申请日】2014年5月5日