基于刀桿兩點(diǎn)變形的切削力測量方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種基于刀桿兩點(diǎn)變形的切削力測量方法，用于解決現(xiàn)有切削力測量方法實(shí)用性差的技術(shù)問題。技術(shù)方案是首先沿刀桿豎直方向選取兩處位移傳感器測量點(diǎn)，利用材料力學(xué)的理論知識(shí)計(jì)算刀具剛度。其次，使用磁力表座、輔助樹脂夾具將位移傳感器固定安裝在選定位置處，采集刀桿上下兩處測量點(diǎn)的變形位移。再次，將兩個(gè)位移傳感器采集得到的位移信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到切削力引起的刀桿上下測量點(diǎn)的變形，再將二者相減，得到切削力引起的刀桿下端測量點(diǎn)相對(duì)于上端測量點(diǎn)的變形量。最后，結(jié)合使用已確定的刀具剛度，即可間接獲得切削力。本發(fā)明專利技術(shù)適用于高速鋼、硬質(zhì)合金等多種刀具，且能準(zhǔn)確測量進(jìn)給方向和進(jìn)給法向兩個(gè)方向的切削力，實(shí)用性好。

Measuring method of cutting force based on two points deformation of tool bar

The invention discloses a cutting force measuring method based on two points deformation of a cutter bar, which is used for solving the technical problem of the poor practicability of the existing cutting force measuring method. The technical scheme is to select two displacement sensor points along the vertical direction of the cutter bar, and calculate the tool stiffness by using the theoretical knowledge of the mechanics of materials. Secondly, the displacement sensor is fixed and installed at the selected position by using the magnetic watch seat and the auxiliary resin clamp, and the deformation displacement of the two measuring points on the upper and lower parts of the cutter bar is collected. Again, the displacement signal of two displacement sensor to collect the data processing, the cutter bar cutting force caused by upper and lower deformation measurement point, and then the two are subtracted, cutting force caused by knife rod deformation measurement points relative to the upper measuring point. Finally, the cutting force can be indirectly obtained by using the determined tool stiffness. The invention is suitable for cutting tools of high speed steel, hard alloy, etc., and can accurately measure the cutting force of feeding direction and feeding direction in two directions, and has good practicability.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
基于刀桿兩點(diǎn)變形的切削力測量方法
本專利技術(shù)涉及一種切削力測量方法，特別涉及一種基于刀桿兩點(diǎn)變形的切削力測量方法。
技術(shù)介紹
文獻(xiàn)1“AlbrechtA,ParkSS,AltintasY,etal.Highfrequencybandwidthcuttingforcemeasurementinmillingusingcapacitancedisplacementsensors.InternationalJournalofMachineToolsandManufacture,2005,45:993–1008.”公開了一種基于主軸變形的切削力測量方法，該方法通過電容位移傳感器測量加工過程中的主軸變形間接獲取切削力。但該方法存在刀尖點(diǎn)到主軸的變形位移傳遞率較低以及主軸自身的振動(dòng)影響測量準(zhǔn)確度，不利于誤差分離等問題。文獻(xiàn)2“朱堅(jiān)民,王健,張統(tǒng)超等.基于刀具振動(dòng)位移的動(dòng)態(tài)銑削力測量方法.儀器儀表學(xué)報(bào),2014,35(12):2772–2782.”公開了一種基于刀具變形的切削力測量方法，該方法使用激光測振儀測量加工過程中的刀具單點(diǎn)變形量，并且利用材料力學(xué)的知識(shí)確定刀具剛度，從而間接獲取切削力。但這種方法只能測量進(jìn)給方向的切削力，且提出的確定刀具剛度的方法忽略了主軸-刀柄部分的變形，當(dāng)?shù)毒卟牧蠗钍夏Ａ亢艽髸r(shí)，該方法確定的刀具剛度將嚴(yán)重偏離真實(shí)值。以上文獻(xiàn)存在的技術(shù)問題是：在使用測量位移信號(hào)間接獲得切削力的方法時(shí)，主軸-刀柄部分的變形位移獲取困難，操作不方便，而目前測量刀具變形獲取切削力的方法只能測得進(jìn)給方向的切削力，且不能適用于材料楊氏模量很大的刀具(如硬質(zhì)合金刀具)。專利
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
為了克服現(xiàn)有切削力測量方法實(shí)用性差的不足，本專利技術(shù)提供一種基于刀桿兩點(diǎn)變形的切削力測量方法。該方法首先沿刀桿豎直方向選取兩處位移傳感器測量點(diǎn)，利用材料力學(xué)的理論知識(shí)計(jì)算刀具剛度。其次，使用磁力表座、輔助樹脂夾具將位移傳感器固定安裝在選定位置處，采集刀桿上下兩處測量點(diǎn)的變形位移。再次，將兩個(gè)位移傳感器采集得到的位移信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到切削力引起的刀桿上下測量點(diǎn)的變形，再將二者相減，即可得到切削力引起的刀桿下端測量點(diǎn)相對(duì)于上端測量點(diǎn)的變形量。最后，結(jié)合使用已確定的刀具剛度，即可間接獲得切削力。本專利技術(shù)適用于高速鋼、硬質(zhì)合金等多種刀具，且能準(zhǔn)確測量進(jìn)給方向和進(jìn)給法向兩個(gè)方向的切削力，實(shí)用性好。本專利技術(shù)解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案：一種基于刀桿兩點(diǎn)變形的切削力測量方法，其特點(diǎn)是包括以下步驟：步驟一、刀具裝夾在刀柄上，并一起安裝于機(jī)床之后，沿刀桿豎直方向選取位移傳感器上端測量點(diǎn)I和下端測量點(diǎn)II。測量點(diǎn)在切削進(jìn)給方向，測得切削力即為進(jìn)給方向切削力；測量點(diǎn)在切削進(jìn)給法向，測得切削力即為進(jìn)給法向切削力。步驟二、采用下式獲取刀具剛度：式中，Ebar是刀具材料的楊氏模量，ltool是刀具底端截面與刀柄夾持刀具處之間的距離，lI是上端測量點(diǎn)I與刀柄夾持刀具處之間的距離，lII是下端測量點(diǎn)II與刀柄夾持刀具處之間的距離。Ibar是刀具刀桿的截面二次矩，其表達(dá)式為：式中，d為刀具直徑。步驟三、使用磁力表座和輔助夾具將兩個(gè)電容式位移傳感器固定安裝在刀桿測量點(diǎn)旁，調(diào)節(jié)電容式位移傳感器探頭與刀桿測量點(diǎn)之間的距離，使之達(dá)到傳感器的測量范圍，并將電容位移傳感器與其配套驅(qū)動(dòng)器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備和計(jì)算機(jī)連接好。步驟四、采集機(jī)床空轉(zhuǎn)和加工過程中的刀桿兩處測量點(diǎn)I和II的變形位移信號(hào)，分別選取測量點(diǎn)I和II的幾個(gè)穩(wěn)定的空轉(zhuǎn)段信號(hào)周期，并將其拓展至整個(gè)測量過程。步驟五、分別將加工過程中測量點(diǎn)I和II的變形位移信號(hào)減去同步拓展得到的空轉(zhuǎn)段位移信號(hào)，獲取切削力引起的刀桿測量點(diǎn)I的變形δI和刀桿測量點(diǎn)II的變形δII。步驟六、將δII減去δI，即可得到切削力引起的下端測量點(diǎn)II相對(duì)于上端測量點(diǎn)I的變形δII-δI。步驟七、結(jié)合步驟二確定的Kδ和步驟六得到的δII-δI，通過下式測得切削力：F＝(δII-δI)Kδ。本專利技術(shù)的有益效果是：該方法首先沿刀桿豎直方向選取兩處位移傳感器測量點(diǎn)，利用材料力學(xué)的理論知識(shí)計(jì)算刀具剛度。其次，使用磁力表座、輔助樹脂夾具將位移傳感器固定安裝在選定位置處，采集刀桿上下兩處測量點(diǎn)的變形位移。再次，將兩個(gè)位移傳感器采集得到的位移信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到切削力引起的刀桿上下測量點(diǎn)的變形，再將二者相減，即可得到切削力引起的刀桿下端測量點(diǎn)相對(duì)于上端測量點(diǎn)的變形量。最后，結(jié)合使用已確定的刀具剛度，即可間接獲得切削力。本專利技術(shù)適用于高速鋼、硬質(zhì)合金等多種刀具，且能準(zhǔn)確測量進(jìn)給方向和進(jìn)給法向兩個(gè)方向的切削力，實(shí)用性好。下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本專利技術(shù)作詳細(xì)說明。附圖說明圖1是本專利技術(shù)基于刀桿兩點(diǎn)變形的切削力測量方法的流程圖。圖2是本專利技術(shù)方法實(shí)施例1的切削力測量結(jié)果與商用測力儀測得切削力對(duì)比圖。圖3是本專利技術(shù)方法實(shí)施例2的切削力測量結(jié)果與商用測力儀測得切削力對(duì)比圖。具體實(shí)施方式以下實(shí)施例參照?qǐng)D1-3。實(shí)施例1：測量進(jìn)給法向切削力，刀具材料為高速鋼。(1)按照?qǐng)D1所示的流程安裝實(shí)驗(yàn)設(shè)備。兩個(gè)雄獅CPL190系列電容位移傳感器安裝在切削力進(jìn)給法向上的刀桿指定位置之后與其配套驅(qū)動(dòng)器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)相連，再將兩個(gè)傳感器探頭調(diào)節(jié)至合適位置，即可進(jìn)行切削力測量。為驗(yàn)證本專利技術(shù)提供的基于刀桿兩點(diǎn)變形的切削力測量方法，Kistler9255B商用測力儀也將同時(shí)采集切削力，以供參考。加工工件材料為鋁合金7050，使用刀具為3刃高速鋼銑刀，刀具直徑為8mm，加工參數(shù)為：主軸轉(zhuǎn)速為2000rpm，軸向切深2mm，徑向切深4mm，進(jìn)給速度300mm/min，切削力方向?yàn)檫M(jìn)給法向；(2)利用下式獲取刀具剛度：式中，Ebar＝210GPa，d＝8mm，ltool＝65mm，lI＝10mm，lII＝30mm。經(jīng)計(jì)算得Kδ＝1.9488N/μm；(3)采集機(jī)床空轉(zhuǎn)和加工過程中的刀桿兩處測量點(diǎn)I和II的變形位移信號(hào)，分別選取測量點(diǎn)I和II的幾個(gè)穩(wěn)定的空轉(zhuǎn)段信號(hào)周期，并將其拓展至整個(gè)測量過程，再將加工過程中測量點(diǎn)I和II的變形位移信號(hào)減去同步拓展得到的空轉(zhuǎn)段位移信號(hào)，獲取切削力引起的刀桿測量點(diǎn)I的變形δI和刀桿測量點(diǎn)II的變形δII。將δII減去δI，即可得到切削力引起的下端測量點(diǎn)II相對(duì)于上端測量點(diǎn)I的變形δII-δI；(4)將確定的Kδ與δII-δI相乘，即可得到切削力(如圖2所示)。實(shí)施例2：測量進(jìn)給法向切削力，刀具材料為硬質(zhì)合金。(1)按照?qǐng)D1所示的流程安裝實(shí)驗(yàn)設(shè)備。兩個(gè)雄獅CPL190系列電容位移傳感器安裝在切削力進(jìn)給方向上的刀桿指定位置之后與其配套驅(qū)動(dòng)器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)相連，再將兩個(gè)傳感器探頭調(diào)節(jié)至合適位置，即可進(jìn)行切削力測量。為驗(yàn)證本專利技術(shù)提供的基于刀桿兩點(diǎn)變形的切削力測量方法，Kistler9255B商用測力儀也將同時(shí)采集切削力，以供參考。加工工件材料為鋁合金7050，使用刀具為4刃硬質(zhì)合金銑刀，刀具直徑為12mm，加工參數(shù)為：主軸轉(zhuǎn)速為1200rpm，軸向切深2mm，徑向切深3mm，進(jìn)給速度320mm/min，切削力方向?yàn)檫M(jìn)給方向；(2)利用下式獲取刀具剛度：式中，Ebar＝610GPa，d＝12mm，ltool＝85mm，lI＝15mm，lII＝35mm。經(jīng)計(jì)算得Kδ＝17.2874N/μm；本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種基于刀桿兩點(diǎn)變形的切削力測量方法，其特征在于包括以下步驟：步驟一、刀具裝夾在刀柄上，并一起安裝于機(jī)床之后，沿刀桿豎直方向選取位移傳感器上端測量點(diǎn)I和下端測量點(diǎn)II；測量點(diǎn)在切削進(jìn)給方向，測得切削力即為進(jìn)給方向切削力；測量點(diǎn)在切削進(jìn)給法向，測得切削力即為進(jìn)給法向切削力；步驟二、采用下式獲取刀具剛度：

【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于刀桿兩點(diǎn)變形的切削力測量方法，其特征在于包括以下步驟：步驟一、刀具裝夾在刀柄上，并一起安裝于機(jī)床之后，沿刀桿豎直方向選取位移傳感器上端測量點(diǎn)I和下端測量點(diǎn)II；測量點(diǎn)在切削進(jìn)給方向，測得切削力即為進(jìn)給方向切削力；測量點(diǎn)在切削進(jìn)給法向，測得切削力即為進(jìn)給法向切削力；步驟二、采用下式獲取刀具剛度：式中，Ebar是刀具材料的楊氏模量，ltool是刀具底端截面與刀柄夾持刀具處之間的距離，lI是上端測量點(diǎn)I與刀柄夾持刀具處之間的距離，lII是下端測量點(diǎn)II與刀柄夾持刀具處之間的距離；Ibar是刀具刀桿的截面二次矩，其表達(dá)式為：式中，d為刀具直...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：萬敏，馮佳，張衛(wèi)紅，殷偉，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：西北工業(yè)大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：陜西,61