二维超声振动与切削力实时检测的复合式智能刀具系统的制作方法

本发明涉及的是智能刀具的
技术领域：
，尤其是一种二维超声振动与切削力实时检测的复合式智能刀具系统。
背景技术：
：随着社会的不断发展，人们对于产品的质量要求也会越来越高。机械类的产品质量关键在于其加工技术和加工刀具。现有的机械类的加工刀具由铣刀、车刀、镗刀、拉刀、螺纹刀具、齿轮刀具等，这些刀具的加工状态将直接影响着产品的加工质量。现有的刀具在加工过程中，常常会出现剧烈的振动，导致切削工件的过程中切削力不均匀，产品质量出现问题，而且在切削加工硬脆等难加工材料时，刀具会产生剧烈的磨损，这样会极大地降低加工工件的精度和质量。技术实现要素：本发明需要解决的技术问题是针对上述技术问题提出的一种二维超声振动与切削力实时检测的复合式智能刀具系统，在刀具执行切削的同时通过压电感知单元感知切削力的能力，实时检测刀具的工作状态，还可以根据加工需求配合振动辅助切削加工，通过超声振动辅助加工提高切削质量，延长刀具的使用寿命，提高刀具对难加工材料的加工能力。为解决上述技术问题，本发明提供了一种二维超声振动与切削力实时检测的复合式智能刀具系统，具有刀杆、刀具安装座和切削刀具，所述刀具安装座固定在刀杆的一端，所述切削刀具固定安装在刀具安装座上；所述刀杆上还设置有二维超声振动组件和切削力实时检测组件。进一步地说明，上述技术方案中，所述二维超声振动组件包括两组PZT激振单元、导线和两相交流电压，所述两组PZT激振单元设置在刀杆相邻的两个侧面上，所述两组PZT激振单元的一侧通过导线外接两相交流电压。进一步地说明，上述技术方案中，所述切削力实时检测组件包括两组PZT传感单元、导线和检测机构，所述两组PZT传感单元设置在刀杆相邻的两个侧面上，所述两组PZT传感单元与两组PZT激振单元在刀杆上对称设置，所述两组PZT传感单元的一侧通过导线连接检测机构。进一步地，上述技术方案中，所述检测机构包括电荷放大器、数据采集器和切削力测试平台，所述两组PZT传感单元将收集到的电压信号传递给电荷放大器，所述电荷放大器将信号放大后传递给数据采集器，所述数据采集器的另一端连接切削力测试平台。进一步地说明，上述技术方案中，所述刀杆的外侧还设置有刀具夹套，所述刀具夹套通过紧固螺钉固定连接在刀杆上。采用上述复合式智能刀具系统后，在刀具执行切削的同时通过压电感知单元感知切削力的能力，实时检测刀具的工作状态，还可以根据加工需求配合振动辅助切削加工，通过超声振动加工提高切削质量，延长刀具的使用寿命，提高刀具对难加工材料的加工能力。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：图1是本发明的结构示意图；图2是本发明中安装刀具夹套的结构示意图；图3是本发明中检测机构的连接示意图；图4是本发明中刀具系统的两相振动模态振型示意图；图5是本发明中刀尖激励出的椭圆振动轨迹；图6是本发明中智能切削刀具的工作原理图；图3-20为本发明中超声振动下的X向感知输出信号；图3-21为本发明中超声振动下的Z向感知输出信号；图3-13为本发明中切削刀具在无负载的情况下的X向感知输出信号；图3-14为本发明中切削刀具在无负载的情况下的Z向感知输出信号；图3-15为本发明中感知输出电压与负载力的关系图。图中：1为刀杆，2为刀具安装座，3为切削刀具，4为两组PZT激振单元，5为导线，6为两相交流电压，7为两组PZT传感单元，8为检测机构，9为电荷放大器，10为数据采集器,11为切削力测试平台，12为刀具夹套，13为紧固螺钉。具体实施方式如图1～3所示的是二维超声振动与切削力实时检测的复合式智能刀具系统，具有刀杆1、刀具安装座2和切削刀具3，刀具安装座2固定在刀杆1的一端，切削刀具3固定安装在刀具安装座2上；刀杆1上还设置有二维超声振动组件和切削力实时检测组件。其中，二维超声振动组件是用来激励刀杆1的两向振动模态。二维超声振动组件包括两组PZT激振单元4、导线5和两相交流电压6，两组PZT激振单元4设置在刀杆1相邻的两个侧面上，两组PZT激振单元4的一侧通过导线5外接两相交流电压6。切削力实时检测组件是用来感知切削刀具3两向切削力载荷大小。切削力实时检测组件包括两组PZT传感单元7、导线5和检测机构8。两组PZT传感单元7设置在刀杆1相邻的两个侧面上，两组PZT传感单元7与两组PZT激振单元4在刀杆1上对称设置，两组PZT传感单元7的一侧通过导线5连接检测机构8。检测机构8包括电荷放大器9、数据采集器10和切削力测试平台11，两组PZT传感单元7将收集到的电压信号传递给电荷放大器9，电荷放大器9将信号放大后传递给数据采集器10，数据采集器10的另一端连接切削力测试平台11。刀杆1的外侧还设置有刀具夹套12，刀具夹套12通过紧固螺钉13固定连接在刀杆1上。在本发明中，两组PZT激振单元4优先采用PZT-4压电陶瓷材料制成，两组PZT传感单元7优先采用PZT-5H压电陶瓷材料制成。两组PZT激振单元4和两组PZT传感单元7在刀杆1上的尺寸大小都相等，在刀杆1上的位置也相同，采用环氧树脂粘结在刀杆1上，方便后续的拆卸。如图2所示，刀具夹套12通过紧固螺钉13固定安装在刀杆1的外围；当需要使用的时候，只需要从外部夹住刀具夹套12就可以实现加工了，刀具安装座2和切削刀具3露出刀具夹套12的距离可以进行随意的调节。二维超声振动组件是用来激励刀杆进行两向振动。切削力实时检测组件是用来感知切削刀具两向切削力载荷大小。在本发明中，刀杆1即为刀具超声振子。二维超声振动组件的操作原理如下：如图4所示，在超声振动感知智能切削刀具工作中，采用两相交流电压分别激励刀具振子上两个相邻侧面正交的两组PZT激振单元4，为刀具超声振子的X向的一阶弯曲振动模态和Z向的一阶弯曲振动模态，可以分别通过激励PZT激振单元4的伸缩振动使得在刀尖部位产生X向水平方向的振动和Z向竖直方向的振动。因此，当激励交流信号的频率与刀具系统的两相弯曲振动频率一致时，通过两相弯振的运动轨迹叠加，刀尖可以实现周期性振动的椭圆轨迹。当设计的振子的频率处于超声频率段时，即可实现超声椭圆振动加工。为了尽可能减小，安装紧固对刀具系统振子的振动性能产生影响，其刀具系统振动的安装紧固点设计为刀具振子的振动节点。取刀尖点为质点O，O点在X向和Z向的位移分别表示为：Xo=Asin(2πft+α)Zo=Bsin(2πft+β)]]>式中Xo——O点在X向的水平方向位移(mm)；Zo——O点在Z向的竖直方向位移(mm)；A——刀尖在X向的最大振幅(mm)；B——刀尖在Z向的最大振幅(mm)；f——刀具振子的弯振特征频率(激振频率)(Hz)；α——X向振动的初始相位(rad)；β——Z向振动的初始相位(rad)；t——时间变量(s)。因此，刀尖质点O的振动轨迹方程可以表示为：Xo2A2+Zo2B2-2cos(β-α)ABXoZo=sin2(β-α)]]>式中表明，O点在XOZ平面的振动轨迹为椭圆，椭圆的主轴方向由β-α的大小决定。因此，可以通过调节两相激励电压的相位差，实现刀尖质点振动椭圆长轴方向变化。当β-α＝π/2时,即两相激励刀具振子激振单元的激励电压相位差为90°时，刀尖质点O的振动轨迹方程可以表示为：Xo2A2+Zo2B2=1]]>如图5所示刀具振子的振动振型和刀尖质点O的振动椭圆轨迹，椭圆主轴方向为OX和OZ方向，A和B分别椭圆轨迹的主轴长度，并且可以通过调节激励电压的幅值大小实现椭圆主轴长度的变化，进而实现刀尖振动切削的振动切削轨迹的调节。并且当β-α＝-π/2时，可以实现椭圆轨迹的运动的反转，椭圆轨迹的运动方向根据振动切削时刀具切削主轴旋转方向来确定，必须保证椭圆运动轨迹与主轴旋转方向相反。切削力实时检测组件的操作原理如下：当压电梁处于谐振状态时，压电传感单元由于压电梁的振动，产生相应的实时输出电信号，信号的大小与压电梁的振幅成正比，输出电信号频率与激励信号频率相同。如图6所示对于超声振动感知式智能切削刀具来说，激励电压相位差为90°两相激励高频交流电，频率为刀具振子的两相弯曲振动特征频率。对刀具振子的两相PZT激振单元分别激励UA和UB的电信号，可分别表示为：UA=Uasin(2πft)UB=Ubsin(2πft+π/2)]]>式中Ua——X向激励电压幅值(V)；Ub——Z向激励电压幅值(V)。由于PZT激振单元4在相应激励电压的作用下，刀具振子产生相应的两相弯曲振动，实现刀尖质点的椭圆轨迹输出。在无负载的情况下，与两相PZT激振单元4相对应的压电感知单元的输出电信号分别为UAA和UBB，可以表示为：UAA=Ua(0)sin(2πft+φ1(0))UBB=Ub(0)sin(2πft+π/2+φ2(0))]]>式中Ua(0)——无负载情况下X向压电感知单元的输出电压幅值(V)；Ub(0)——无负载情况下Z向压电感知单元的输出电压幅值(V)；φ1(0)——X向PZT激振单元激励信号与压电感知单元输出信号相位差(rad)；φ2(0)——Z向PZT激振单元激励信号与压电感知单元输出信号相位差(rad)。在刀具系统进行切削加工过程中，由于切削力的作用，在刀尖上形成相应的负载载荷作用。在相应载荷作用下，刀具振子的振动模态转变为在切削力负载作用下的受迫振动，体现为振动抑制的作用。在X和Z切削力作用下，压电感知单元的输出电信号分别为UAA(FA)和UBB(FB)，可以表示为：UAA(FA)=Ua(FA)sin(2πft+φ1(FA))UBB(FB)=Ub(FB)sin(2πft+π/2+φ2(FB))]]>式中Ua(FA)——X向负载情况下X向压电感知单元的输出电压幅值(V)；Ub(FB)——Z向负载情况下Z向压电感知单元的输出电压幅值(V)；φ1(FA)——X向负载情况下X向PZT激振单元激励信号与压电感知单元实时输出信号相位差(rad)；φ2(FB)——Z向负载情况下Z向PZT激振单元激励信号与压电感知单元实时输出信号相位差(rad)。因此，在智能切削刀具系统振动辅助加工过程中，当振动过程中的切削载荷发生变化时，压电感知单元的实时输出电压幅值以及激励电信号与输出电信号的相位差均会发生相应的改变，本文通过监测压电感知单元的输出电压幅值的变化来实时感知切削载荷的变化。为了验证二维超声振动组件和切削力实时检测组件带来的效果，本发明人进行了多次实验。超声振动感知切削实验：为了测试设计研制的超声振动感知式智能切削刀具的振动加工能力和感知能力，进行切削试验。切削工件为硬铝-12，进行端面切削加工。超声振动感知式智能切削刀具的切削加工工艺参数下表7-1所示。表7-1切削试验切削参数切削参量切削参量振动频率28.275kHz振幅A＝7.5μm，B＝10μm稳态温度34℃主轴转速n＝800r/min切削深度8μm每转进给量fr＝3μm/rev刀具PCD，前角0°，后角6°，刀尖角55°工件直径22mm为了验证刀具的超声振动加工功能，工件首先在没有激励振动的情况下，按表7-1中的其余切削参数切削完整的工件表面，然后在激励振动的情况下，进给切削深度8μm，在端面半径进给6mm。通过Taylor轮廓仪对加工表面进行检测，根据端面的轮廓测试结果，在普通切削条件下，表面粗糙度Ra为19.4nm，Rz为65.4nm；当在超声振动切削条件时，表面粗糙度Ra为14.2nm，Rz为44.6nm。根据表面粗糙度的测试结果可知，在超声振动感知式智能切削刀具的振动工作条件下，表面粗糙度Ra提高了26％，Rz提高了31.9％，表面质量得到明显提高。在表7-1的切削参数条件下，刀具系统的两向感知输出电压信号如图3-20和3-21所示，X和Z向感知输出电压峰峰值分别为85.8V和106V。根据感知特性-负载曲线可知，X和Z向的稳态切削力大小分别为63mN和94mN。通过切削试验验证了设计研制出的超声振动感知式智能切削刀具具有稳定可靠的超声振动加工能力和振动切削过程切削力实时监测能力。实时感知特性实验：为了测试超声振动感知式智能切削刀具的感知能力，结合上一小节刀具系统的特性分析，输入激励电信号的参数可知，电压有效值为110V，则UA＝UB＝77.8V，f＝22275Hz。激励电信号表示为：UA=552sin(2πft)UB=552sin(2πft+π/2)]]>根据感知工作原理，分别在刀尖质点上施加X-Z向的微小力载荷，刀具系统在在无负载的情况下，如图3-13和图3-14所示，分别表示为示波器输出的X向与Z向的感知输出电信号波形图，其峰-峰值分别为90V和116V，对于本文中设计的感知系统，其中UA(0)＝90/2＝45V，UB(0)＝116/2＝58V。当在刀尖质点位置施加微小的变化的力负载情况下，随着X-Z向的载荷逐渐增加，感知输出电信号的电压幅值UA(FA)和UA(FB)逐渐减小，并且发生一定的相位偏移。UA(FA)和UA(FB)的随负载力的函数变化曲线则可由图3-15给出。如图3-15所示，给出了刀具系统对X，Z向切削力负载的感知能力，图示表明了两向感知输出电压与负载力的关系，感知输出电压峰峰值与负载基本成反比例关系。并且，当X向负载力在0～0.5N范围内时，基本成线性减小变化，当X向负载力大于1.5N后，感知输出电压基本不再变化，感知极限值为35V。而当Z向负载力在0～0.5N范围内变化时，基本成线性减小变化，当Z向负载力大于1N后，感知输出也不再发生改变，极限值为46V。当切削力负载超过一定范围后，刀具系统的超声振动加工能力受到限制，主要是由于在负载作用下，刀尖的椭圆轨迹已经发生了一定的变化，反而影响了表面加工质量。因此，为了保证超声振动感知式智能切削刀具的超声振动加工性能和感知能力，应该合理选择切削加工工艺参数和振动激励参数，使得两向切削力控制在0.5N以内，保证刀具的加工能力和感知能力的有效性。当切削力在0.5N范围内时，根据图3-15的示出结果计算，X和Z向的切削力感知灵敏度分别为15mN/V和9.4mN/V。虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域熟练技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对本实施方式作出多种变更或修改，而不背离本发明的原理和实质，本发明的保护范围仅由所附权利要求书限定。当前第1页1 2 3