本发明涉及机加工技术，涉及丝材车削及其测试，具体涉及一种丝材切削力测试方法及装置。
背景技术：
在机械加工中，回转类零件的刚度由直径和长度决定，以l为长度，d为直径。当待加工丝材l/d>>10时，需要更加精确的控制丝材的切削和加工，以确保丝材加工中对加工精度和质量的要求。对于丝材金属来说，丝材的装夹方式对于切削力的测量同样具有一定的影响作用。影响加工质量的主要因素是对切削力进行实时检测。无论是对切削丝材金属精细化的研究或丝材加工控制与在线检测等都需要知道实时的切削力值。对丝材切削力的测量，首先要确定丝材的装夹方式，根据工件的形状尺寸采取不同的装夹方式。其次需要使丝材在切削过程中轴芯稳定回转，并最终通过较为精确的方式和装置测定切削刀刀尖在切削过程中的实时受力。
现有技术中在进行丝材加工时无法准确监测丝材在切削过程中回转的稳定性，同时无法持续在线实时并且准确读取和记录切削力数值，进而不能保证丝材加工过程中切削力的稳定和丝材切削的精确程度，最终无法满足金属丝材零件加工产品精度高并且质量稳定的要求。
技术实现要素：
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种丝材切削力的测试方法及装置，解决现有技术中在进行丝材加工时无法准确监测丝材在切削过程中回转的稳定性，同时无法持续在线实时并且准确读取和记录切削力数值，进而不能保证丝材加工过程中切削力的稳定和丝材切削的精确程度的问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
一种丝材切削力的测试装置，包括车床本体、主轴卡盘夹头和拉式尾座，所述的主轴卡盘夹头安装于车床本体之上，所述的拉式尾座安装于导轨上，所述的导轨安装于车床本体上，所述的拉式尾座上安装有丝材夹持组件，所述的丝材夹持组件包括安装在拉式尾座上的尾座筒，所述的尾座筒内安装有丝材夹紧头、中空芯轴和尾座筒盖板，所述的中空芯轴通过轴承转动安装于所述的尾座筒内，所述的中空芯轴外还套接有芯轴套筒，所述的丝材夹紧头上还安装有用于固定和夹紧丝材的夹紧头螺钉和固定夹板，所述的尾座筒内安装还安装有用于调整有丝材夹紧头对准位置的夹紧头升降台；
所述的车床本体还安装有观察采集组件，所述的观察采集组件包括安装在车床本体上的丝杆，所述的丝杆上套接移动底座，所述的移动底座上安装有微调机构，所述的微调机构与丝杆啮合传动并使移动底座水平移动，所述的移动底座上还安装有托架，所述的托架末端安装有显示屏、放大镜和调整螺栓，所述的放大镜之上还安装有摄像装置，所述的摄像装置与显示屏连接，用于显示丝材切削情况；
所述的车床本体上还安装有刀头组件，所述的刀头组件包括固定座，所述的固定座上安装有上压板和下压板，所述的上压板和下压板之间安装有切削刀，所述的下压板和固定座之间安装有压电传感器和用于封装压电传感器的封装板，所述的压电传感器上接有导线，所述的上压板、下压板和固定座通过预紧螺栓紧固。
本发明还保护一种丝材切削力测试方法，该方法采用如上所述的丝材切削力测试装置，该方法包括以下步骤：
步骤一：车床同轴度检测，使用丝材同轴度专用测量装置，即直径3mm且同轴度小于0.01mm的金属丝棒调整主轴卡盘夹头和中空芯轴的同轴度，具体方法是转动主轴卡盘夹头，在其自定心作用下将金属丝棒夹紧，转动把手使中空芯轴向主轴卡盘夹头方向运动，直至金属丝棒穿过中空芯轴并被丝材夹紧头夹紧，缓慢转动把手使中空芯轴远离主轴卡盘夹头并同时从显示屏中观察金属丝棒是否有歪斜或者跳动，如果没有即证明主轴卡盘夹头与中空芯轴同轴度已经调节完成，如果有歪斜或者跳动，则立即调整夹紧头升降台并缓慢回转把手，使跳动和歪斜消除即为主轴卡盘夹头与中空芯轴同轴度已经调节完成；
步骤二：丝材的夹装固定，使用同轴度测量工具检测并调整主轴卡盘夹头和中空芯轴的同轴度至0.01mm以内，将待测丝材从丝材夹紧头外侧穿入，推动丝材夹紧头靠近主轴卡盘夹头，继续送进丝材并导入中空芯轴直至丝材穿过中空芯轴后插入主轴卡盘夹头内，锁紧主轴卡盘夹头，转动把手以使丝材夹紧头远离主轴卡盘夹头直至移动到代加工丝材尺寸符合要求的位置，锁紧后继续推动丝材夹紧头直至丝材属于拉直夹紧状态，使丝材在切削时不产生径向弯曲，车床本体两端的主轴卡盘夹头和中空芯轴采用同步电机驱动，以保证待加工丝材在加工过程中不发生扭转；
步骤三：刀头及传感器的安装，通过预紧螺栓将压电传感器与切削刀的刀身刚性并联固定在上压板和下压板之间，切削刀刀头伸出上压板，调整刀头组件的位置并同时通过显示屏观察切削刀刀尖位置，直至切削刀刀尖位置与待加工丝材轴心处于同一水平位置；
步骤四：试切和调整，通过转动待加工丝材，使切削刀对丝材进行试切，通过显示屏观察切削外圆表面是否均匀并且是否关于待加工丝材轴心对称，如对称即完成试切，如不对称则调整调整刀头组件的位置直至切削外圆表面是否均匀并且是否关于待加工丝材轴心对称，监测数据传输和显示是否正常工作然后归零压电传感器输出的切削力数据；
步骤五：正式切削，正式切削开始前，先利用切削刀在待加工丝材两侧端部车削出一个缩颈，使丝材具有自位作用，消除待加工丝材本身的弯曲使其在主轴卡盘夹头和丝材夹紧头的夹紧拉伸下产生的轴心线歪斜，保证车削回转精度，以提高待加工丝材的刚度，在每一刀车削过程中持续从电脑中读出切削力的数值作为切削力测试的结果和待加工丝材加工过程的切削参数，以数学归纳方法进行平均值处理，取得丝材加工切削力的测试结果。
本发明还具有如下技术特征：
具体的，所述的压电传感器为三向压电转换传感器，并且所述的压电传感器通过预紧螺栓与切削刀并联固定。
具体的，所述的车床本体两端的主轴卡盘夹头和中空芯轴分别采用联轴器连接同步电机驱动，以保证待加工丝材在加工过程中不发生扭转。
具体的，该丝材切削力测试装置还包括用于调整主轴卡盘夹头和中空芯轴同轴度的直径3mm且同轴度小于0.01mm的金属丝棒。
具体的，该丝材切削力测试装置还包括用于接收导线输出的电压数据的放大电路、ad转换组件和进行切削力计算的电脑。
具体的，所述的丝材拉直夹紧状态下，待加工丝材的拉伸强度不超过其拉伸屈服强度。
具体的，所述的压电传感器的预紧力通过预紧螺栓进行调节。
本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
(ⅰ)本发明通过放大镜和摄像显示系统的结合待对加工丝材切削位置进行显微观察，可以在线实时观测待加工丝材在车削过程中的稳定程度和切削量，保证切削外圆和待加工丝材的同轴度，极大的提高了待加工丝材的车削加工精度。
(ⅱ)本发明通过三向压电传感器和刀头组件的组合安装，并通过一定的预紧力使压电传感器保持弹性和敏感度，并连用于接数据采集和处理的电脑，对待加工丝材在切削过程中的切削力进行实时监测和收集，这样可以保证随时对丝材在切削过程中的精度进行监测。
(ⅲ)本发明还通过一定的切削方式，根据总车削量调整每次车削的吃刀量，第一刀车削的吃刀量设置较大，防止了因丝材表面不平整均匀对切削力和切削精确程度的影响。本发明的方法还对每道车削的丝材稳定程度和切削力进行实时监测，并根据稳定程度和切削力对丝材位置和下道车削吃刀量进行调整，以保证丝材车削加工精度。
附图说明
图1是车削丝材工件时的数据采集传输工作和切削监测示意图。
图2是本发明丝材夹持组件的结构示意图。
图3是本发明刀头组件布置安装示意图。
图4是本发明车床主轴和电机的连接示意图。
图5是测量工件时尺寸放大示意图。
图6是图5的a处的局部放大示意图。
图7是切削丝材时刀头的受力示意图。
图中各标号的含义为：1-车床本体，2-主轴卡盘夹头，3-拉式尾座，4-导轨，5-丝材夹持组件，6-观察采集组件，7-刀头组件，8-联轴器，9-同步电机，10-待加工丝材；
(5-1)-尾座筒，(5-2)-丝材夹紧头，(5-3)-中空芯轴，(5-4)-尾座筒盖板，(5-5)-轴承，(5-6)-芯轴套筒，(5-7)-夹紧头螺钉，(5-8)-固定夹板，(5-9)-夹紧头升降台；
(6-1)-丝杆，(6-2)-移动底座，(6-3)-微调机构，(6-4)-托架，(6-5)-显示屏，(6-6)-放大镜，(6-7)-调整螺栓，(6-8)-摄像装置；
(7-1)-固定座，(7-2)-上压板，(7-3)-下压板，(7-4)-切削刀，(7-5)-压电传感器，(7-6)-封装板，(7-7)-导线，(7-8)-预紧螺栓。
以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
遵从上述技术方案，以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
实施例：
本实施例给出一种丝材切削力的测试装置，如图1至图7所示，包括车床本体1、主轴卡盘夹头2和拉式尾座3，所述的主轴卡盘夹头2安装于车床本体1之上，所述的拉式尾座3安装于导轨4上，所述的导轨4安装于车床本体1上，拉式尾座3上安装有丝材夹持组件5，所述的丝材夹持组件5包括安装在拉式尾座3上的尾座筒5-1，所述的尾座筒5-1内安装有丝材夹紧头5-2、中空芯轴5-3和尾座筒盖板5-4，所述的中空芯轴5-3通过轴承5-5转动安装于所述的尾座筒5-1内，所述的中空芯轴外还套接有芯轴套筒5-6，所述的丝材夹紧头5-2上还安装有用于固定和夹紧丝材的夹紧头螺钉5-7和固定夹板5-8，所述的尾座筒5-1内安装还安装有用于调整有丝材夹紧头5-2对准位置的夹紧头升降台5-9；
所述的车床本体1还安装有观察采集组件6，所述的观察采集组件6包括安装在车床本体1上的丝杆6-1，所述的丝杆6-1上套接移动底座6-2，所述的移动底座6-2上安装有微调机构6-3，所述的微调机构6-3与丝杆6-1啮合传动并使移动底座6-2水平移动，所述的移动底座6-2上还安装有托架6-4，所述的托架6-4末端安装有显示屏6-5、放大镜6-6和调整螺栓6-7，所述的放大镜6-6之上还安装有摄像装置6-8，所述的摄像装置6-8与显示屏6-5连接，用于显示丝材切削情况；
所述的车床本体1上还安装有刀头组件7，所述的刀头组件7包括固定座7-1，所述的固定座7-1上安装有上压板7-2和下压板7-3，所述的上压板7-2和下压板7-3之间安装有切削刀7-4，所述的下压板7-3和固定座7-1之间安装有压电传感器7-5和用于封装压电传感器7-5的封装板7-6，所述的压电传感器7-5上接有导线7-7，所述的上压板7-2、下压板7-3和固定座7-1通过预紧螺栓7-8紧固。
作为本实施例的一种具体方案，本实施例的压电传感器7-5为三向压电转换传感器，并且所述的压电传感器7-5通过预紧螺栓7-8与切削刀7-4并联固定。
作为本实施例的一种具体方案，本实施例的车床本体1两端的主轴卡盘夹头2和中空芯轴5-3分别采用联轴器连接同步电机驱动，以保证待加工丝材10在加工过程中不发生扭转。
作为本实施例的一种具体方案，本实施例的还包括用于调整主轴卡盘夹头2和中空芯轴5-3同轴度的直径3mm且同轴度小于0.01mm的金属丝棒。
作为本实施例的一种具体方案，本实施例的该装置还包括用于接收导线7-7输出的电压数据的放大电路、ad转换组件和进行切削力计算的电脑。
采用本实施例的丝材切削力测试装置的丝材切削力测试方法包括以下步骤：
步骤一：车床同轴度检测，使用丝材同轴度专用测量装置，即直径3mm且同轴度小于0.01mm的金属丝棒调整主轴卡盘夹头2和中空芯轴5-3的同轴度，具体方法是转动主轴卡盘夹头2，在其自定心作用下将金属丝棒夹紧，转动把手使中空芯轴5-3向主轴卡盘夹头2方向运动，直至金属丝棒穿过中空芯轴5-3并被丝材夹紧头5-2夹紧，缓慢转动把手使中空芯轴5-3远离主轴卡盘夹头2并同时从显示屏6-5中观察金属丝棒是否有歪斜或者跳动，如果没有即证明主轴卡盘夹头2与中空芯轴5-3同轴度已经调节完成，如果有歪斜或者跳动，则立即调整夹紧头升降台5-9并缓慢回转把手，使跳动和歪斜消除即为主轴卡盘夹头2与中空芯轴5-3同轴度已经调节完成；
步骤二：丝材的夹装固定，使用同轴度测量工具检测并调整主轴卡盘夹头2和中空芯轴5-3的同轴度至0.01mm以内，将待测丝材从丝材夹紧头5-2外侧穿入，推动丝材夹紧头5-2靠近主轴卡盘夹头2，继续送进丝材并导入中空芯轴5-3直至丝材穿过中空芯轴5-3后插入主轴卡盘夹头2内，锁紧主轴卡盘夹头2，转动把手以使丝材夹紧头5-2远离主轴卡盘夹头2直至移动到代加工丝材尺寸符合要求的位置，锁紧后继续推动丝材夹紧头5-2直至丝材属于拉直夹紧状态，使丝材在切削时不产生径向弯曲，车床本体1两端的主轴卡盘夹头2和中空芯轴5-3采用同步电机驱动，以保证待加工丝材10在加工过程中不发生扭转；
步骤三：刀头及传感器的安装，通过预紧螺栓7-8将压电传感器7-5与切削刀7-4的刀身刚性并联固定在上压板7-2和下压板7-3之间，切削刀7-4刀头伸出上压板7-2，调整刀头组件7的位置并同时通过显示屏6-5观察切削刀7-4刀尖位置，直至切削刀7-4刀尖位置与待加工丝材10轴心处于同一水平位置；
步骤四：试切和调整，通过转动待加工丝材10，使切削刀7-4对丝材进行试切，通过显示屏6-5观察切削外圆表面是否均匀并且是否关于待加工丝材10轴心对称，如对称即完成试切，如不对称则调整调整刀头组件7的位置直至切削外圆表面是否均匀并且是否关于待加工丝材10轴心对称，监测数据传输和显示是否正常工作然后归零压电传感器7-5输出的切削力数据；
步骤五：正式切削，正式切削开始前，先利用切削刀7-4在待加工丝材10两侧端部车削出一个缩颈，使丝材具有自位作用，消除待加工丝材10本身的弯曲使其在主轴卡盘夹头2和丝材夹紧头5-2的夹紧拉伸下产生的轴心线歪斜，保证车削回转精度，以提高待加工丝材10的刚度，在每一刀车削过程中持续从电脑中读出切削力的数值作为切削力测试的结果和待加工丝材10加工过程的切削参数，以数学归纳方法进行平均值处理，取得丝材加工切削力的测试结果。
本实施例中，切削力包括主切削力、进给切削力和背向切削力，切削力在电脑中的计算过程以本领域已知的切削力计算公式或模型进行计算即可。
作为本实施例的一种具体方案，本实施例的丝材拉直夹紧状态下，待加工丝材10的拉伸强度不超过其拉伸屈服强度。
作为本实施例的一种具体方案，本实施例的压电传感器7-5的预紧力通过预紧螺栓7-8进行调节。
本实施例的丝材切削力的测试方法及装置在切削尺寸要求2φ×50mm丝材坯料φ3mm，切削量为1mm的不锈钢线材时，查询《材料手册》不锈钢材料的抗拉强度σb不超过500mpa。根据零件径向尺寸施加张紧力为6kn。公差和同轴度要求为0.01mm。采用7级精度车削加工。车削示意图如图7所示，图中切削点所在的oxyz方位坐标系如图7所示，x，y和z分别为三个相互垂直的方向，fz为主切削力，fx为进给切削力，fy为背向切削力；f为进给量，vc为切削速度，影响切削的主要因素是主切削力。
本实施例可以拟采用以下多种切削方案：
方案一：由于丝材直径小且单边总余量h＝0.5mm，留0.1mm作为精车余量，0.2mm作为第一道和第二道的加工余量。测量丝材车削力值前进行试切，试切结束后，为防止误差产生，将压电转换传感器测得力值归零。此时的z向和y向固定，x向可沿丝材轴向移动，移动到拉式尾座一端的丝材缩颈处，刀架y向进给刀具同时向轴心移动，被吃刀量ap为0.2mm，进行第一道工序加工。第一道工序加工的压电转换传感器的力值将传输到计算机，第一道工序的力值会有所波动，主要是丝材表面粗糙度的影响，此时的力值仅作参考。再进行第二道工序时，力值波动相对第一道工序较小，此时取力值的平均值。第三道工序车削用量为0.1mm，由于第三道工序是在第二道工序的基础上进行，对切削力值的影响主要是被吃刀量，其力值的变化数据采集卡会将其整理。最后进行多组试样将力值数据归纳取其平均值，作为合格品生产的参数依据。
方案二：试切后，所有参数进行归零。在方案一的基础上，进行第一道工序，被吃刀量ap为0.1mm，第二道工序为被吃刀量ap为0.2mm，第三、四道工序车削用量分别为0.1mm。第一道工序力值仅作为参考，提取被吃刀量ap为0.2mm和0.1mm时的切削力值。力值数据归纳取其平均值。提高车削加工过程中车削力数值对工件的可靠度。车削力数值对车削丝材准确度方法依次类推。力值数据可取平均值作为合格品生产依据。