[发明专利]一种测量高转速/超高转速三维切削力的装置和方法

说明书

技术领域

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

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。

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。

(1)压电式测力仪。

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。

(2)电阻应变式测力仪。

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0~500kHz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

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。

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。

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

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。

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（P₁、P₂、P₃、P₄）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（l₁,l₂,l₃,l₄）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。