[发明专利]一种机床铣削加工工艺下的虚拟刀装置及加载方法

权利要求书

1.一种机床铣削加工工艺下的虚拟刀装置，其特征在于，包括同轴安装于机床主轴的虚拟刀柄(6)，所述虚拟刀柄(6)通过刀柄螺帽(4)、筒夹(5)与虚拟刀杆(3)连接，所述虚拟刀杆(3)为一阶梯轴，轴向一端设有轴肩，轴向另一端有直径为10mm的螺纹盲孔，螺纹盲孔与球头杆(7)的杆端配合，轴肩一端定位刀柄螺帽(4)；

所述球头杆(7)的球头端与圆锥滚子轴承(2)的内圈过盈配合，圆锥滚子轴承(2)的外圈与轴承套筒(1)的内台阶面接触紧密，所述球头杆(7)、虚拟刀杆(3)、虚拟刀柄(6)与机床主轴可保持同步转动。

2.根据权利要求1所述的一种机床铣削加工工艺下的虚拟刀装置，其特征在于，所述轴承套筒(1)外部连接X、Y两向动力设备和拉压力传感器，轴承套筒(1)内圈设有台阶面，与圆锥滚子轴承(2)的外圈配合保持不动，经虚拟刀杆(3)和刀柄(6)将X、Y两向载荷施加给机床主轴，轴承套筒(1)的外端面可直接连接Z向加载设备及拉压力传感器，可同时对轴承套筒(1)施加三向载荷，再经过虚拟刀装置的传递，将三向载荷施加给机床主轴，实现较为精确的机床模拟铣削状况。

3.基于权利要求1或2所述的一种机床铣削加工工艺下的虚拟刀装置的加载方法，其特征在于，包括以下步骤；

步骤一：球头铣刀产生的铣削力看作是铣削面积和加工过程中工件与铣刀铣削刃接触长度的函数，将刀具铣削刃分散为众多的微小单元，对每个微小单元进行受力分析，通过微元铣削刃上的力的求和来求得在加工过程中的整体受力，其基本模型表示为：

式中dF_t为切向切削力微元，dF_r径向切削力微元，dF_a为轴向切削力微元，h表示瞬时切削厚度，K_tc为切向剪力系数，K_te为切向犁耕力系数，d_Fr表示径向剪切力系数，K_re为径向犁耕力系数，K_ac为轴向剪切力系数，K_ae为轴向犁耕力系数，d_s为切削刃长度微元；

步骤二：分析球头铣刀的结构，建立球头铣刀的微元铣削力模型，将铣削刃上某一微元所受的力在X、Y、Z三个方向进行分解：

式中θ为铣削刃在球头铣刀顶点的切线与y轴方向的夹角，即刀具的转角，表示刀具的螺旋滞后角；

球头铣削过程中同一条铣削刃上会有多个切削微元同时参与铣削，但由于铣削微元位置的不同使微元铣削力也不相同，采用积分的方式可以求得第j条铣削刃上的铣削力，最终获得在X、Y、Z三个方向的全域微分铣削力为：

该式中Z_1j为第j条铣削刃铣削时轴向积分下限，Z_2j为第j条铣削刃铣削时轴向积分的上限，N₂为第j条铣削刃铣削时参与铣削的微小单元数量；

积分区间的选择根据铣削刀具点的位置来确定，球头铣刀在铣削过程中可能会有多个刀齿参与铣削，在这种情况下，铣削力为多个刀齿的铣削力之和，则刀具的总体铣削力可以表示为：

通过以上分析，即可获得虚拟刀装置模拟的机床铣削加工工艺下的理论加载量；

步骤三：虚拟刀装置刀柄(6)的一端同轴安装在机床主轴上，另一端安装虚拟刀杆(3)，通过筒夹(5)、刀柄螺帽(4)安装连接，虚拟刀杆(3)的的另一端连接球头杆(7)的杆端，球头杆(7)的球头处与圆锥滚子轴承(2)的内圈过盈配合，圆锥滚子轴承(2)的外圈与轴承套筒(1)通过台阶面定位安装，完成虚拟刀装置的搭建；

步骤四：虚拟刀装置的加载，在轴承套筒(1)的径向安装拉压力传感器，并接入X、Y两向加载设备，可以直接对其施加载荷，并通过拉压力传感器进行状态监测，轴向接入Z向加载设备并安装拉压力传感器，即可实现三向力同时加载，作用力经虚拟刀装置传递至机床主轴，实现机床在工作状态下的模拟加载；

步骤五：进行机床刚度测试，在虚拟刀装置的刀柄(6)及机床各零部件处布置位移传感器，可测量这些观测点的位移量来研究分析机床在工作状态下整体或部分零部件的刚度。