CN101865766B - 一种模块化刀柄结合部静刚度试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种模块化刀柄静刚度试验装置，包括固定试验装置的方箱，由模拟主轴头与刀柄组成的刀柄结合部，轴向和径向加载装置，轴向位移和径向位移测量装置；径向位移测量采用两套位移传感器，可以分离出刀柄结合部的径向位移及角位移，从而实现刀柄结合部的径向刚度及角刚度测试。采用模块化结构设计，可以实现不同尺寸系列刀柄结合部的静刚度测试，同时可以进行轴向刚度、径向刚度及角刚度的测试。本装置结构简单，功能多，适用范围宽，可以获得真实的刀柄结合部刚度值，对研究刀柄静态性能及确定合理的刀柄拉紧力具有重要意义。

Description

一种模块化刀柄结合部静刚度试验装置

技术领域

本发明属于机械设计制造技术领域，具体涉及一种模块化刀柄结合部静刚度试验装置。

背景技术

刀柄是联系刀具与机床主轴的主要元件，刀柄与主轴内锥孔之间的结合面接触刚度（也称刀柄结合部刚度）直接影响着机床的加工质量与效率。由于刀柄本身刚度已经确定（尺寸、形状、材料等已经确定），对刀柄的实际使用来说，刀柄结合部的刚度是可变的（与刀柄的轴向拉力大小、刀柄锥与主轴内锥孔的接触率、接触状态等有关系），因此通过实验方法研究不同拉紧力状态下的刀柄结合部刚度变化规律，对合理确定刀柄拉紧力、提高机床的加工性能具有重要意义。

目前市场上最为流行的是BT（7：24锥柄）系列刀柄，它是中高速以下数控机床（包括加工中心）的主要使用刀柄系列，理论上这种刀柄不自锁，装卸方便，需要通过拉刀机构将刀柄拉紧，因此拉刀机构对刀柄施加的拉力大小将直接影响着刀柄与主轴的连接刚度（刀柄结合部刚度）。目前拉刀机构施加给刀柄的拉力主要通过经验或类比给出的，缺乏实验依据。如果拉力不够，会造成刀柄与主轴连接刚度不足，影响加工质量；如果拉力过大，会造成刀柄与主轴内锥孔之间的接触面压伤，甚至影响刀柄的装卸。另一方面，刀柄与主轴内锥孔之间的实际接触面积（接触率）也将影响刀柄与机床主轴内锥孔的连接刚度，因此对于不同的接触率，为了保持足够的刀柄与机床主轴内锥孔之间的连接刚度，需要拉紧力也不同。通过试验研究可以获得不同拉紧力作用下、不同接触率下的刀柄与主轴之间的结合部刚度，可以为刀柄的拉力确定提供科学合理的数据，因此设计一种科学合理的刀柄性能试验装置及试验方法将对研究刀柄性能及刀柄设计改进具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种模块化刀柄结合部静刚度试验装置，以克服现有技术没有专门针对刀柄结合部静刚度的试验装置，无法测试不同拉紧力状态下的刀柄结合部刚度变化规律。

本发明采用的技术方案为：一种模块化刀柄结合部静刚度试验装置，包括方箱、模拟主轴头、刀柄、轴向加载装置、轴向位移传感器、径向加载装置和径向位移传感器；刀柄由刀柄锥柄部和刀柄悬伸端连接组成；模拟主轴头固定在方箱上，刀柄锥柄部位于在模拟主轴头的内锥孔里，刀柄悬伸端悬伸在方箱内；刀柄锥柄部的端部设置有轴向加载装置，刀柄悬伸端上侧设置有径向加载装置；

轴向加载装置包括支承在模拟主轴头上的支承垫块、拉杆和套在拉杆上的轴向加载螺母；拉杆穿过支承垫块与刀柄锥柄部端部连接，轴向加载螺母与支承垫块之间的拉杆上设置有轴向力传感器；模拟主轴头上还设置有轴向位移传感器支架，所述轴向位移传感器设置在轴向位移传感器支架上；

径向加载装置包括固定在方箱上的径向加载套筒、穿过径向加载套筒的径向加载螺钉；径向加载螺钉底端与刀柄悬伸端之间设置有径向力传感器和钢球；径向加载螺钉与钢球的中轴线位于同一条直线上，且与刀柄的中轴线垂直；模拟主轴头上还设置有径向位移传感器支架，径向位移传感器设置在径向位移传感器支架上。

其特征在于，轴向加载螺母与支承垫块之间的拉杆上依次设置有轴向加载压块A、推力球轴承、轴向加载压块B和轴向力传感器。

其中，轴向位移传感器支架上设置有两个轴向位移传感器，分别位于刀柄悬伸端的上下两侧。

其特征还在于，径向加载螺钉底端与钢球之间依次设置有径向加载压块A、径向力传感器和径向加载压块B。

其中，径向位移传感器支架上设置有两个径向位移传感器，同时位于刀柄悬伸端下侧。

另外，方箱上可以安装不同规格的刀柄及模拟主轴头。

本发明的有益效果是，利用本发明装置可以获得不同拉力作用下的刀柄轴向刚度、径向刚度、角刚度曲线，为刀柄拉力的合理选择及刀柄的设计制造及其技术改进提供依据。并且采用模块化结构可以实现一套装置进行多种BT系列刀柄的刚度试验（更换不同的模拟主轴头及刀柄），包括30、40、50等规格，也可以实现一次装夹下的轴向刚度、径向刚度及角刚度试验。本装置结构简单，功能多，适用范围宽，可以获得真实的刀柄结合部刚度值，对研究刀柄静态性能及确定合理的刀柄拉紧力具有重要意义。

附图说明

图1是本发明的轴向刚度试验装置结构示意图；

图2是轴向拉力与刀柄结合部轴向位移的关系曲线图；

图3是刀柄结合部的轴向刚度与轴向拉力之间的关系曲线图；

图4是本发明的径向刚度试验装置结构示意图；

图5是本发明径向刚度及角刚度求解示意图；

图6是径向作用力与刀柄结合部径向位移之间的关系曲线图；

图7是径向作用力与刀柄结合部径向刚度之间的关系曲线图；

图8是弯矩与刀柄结合部角位移之间的关系曲线图；

图9是弯矩与刀柄结合部角刚度之间的关系曲线图。

图中，1.方箱，2.模拟主轴头，3.刀柄，4.拉杆，5.支承垫块，6.轴向力传感器，7.推力球轴承，8.轴向加载螺母，9.轴向加载压块A，10.轴向加载压块B，11.刀柄锥柄部，12.刀柄悬伸端，13. 轴向位移传感器支架，14.轴向位移传感器A，15. 轴向位移传感器B，16 . 径向位移传感器支架，17. 径向位移传感器A，18. 径向位移传感器B，19.钢球，20.紧固螺钉，21.径向加载螺钉，22.径向加载套筒，23.径向加载压块A，24.径向力传感器，25. 径向加载压块B。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1和图4所示，本发明提供一种模块化刀柄结合部静刚度试验装置，包括方箱1、模拟主轴头2、刀柄3、轴向加载装置、轴向位移传感器14、15、径向加载装置和径向位移传感器17、18；刀柄3由刀柄锥柄部11和刀柄悬伸端12连接组成；模拟主轴头2通过紧固螺钉固定在方箱1上，刀柄锥柄部11设置在模拟主轴头2的内锥孔里，刀柄悬伸端12悬伸在方箱1内。刀柄锥柄部11的端部设置有轴向加载装置（反映刀柄拉力），刀柄悬伸端12（安装刀具用）上侧设置有径向加载装置（反映刀具所受的径向力，用于检测刀柄径刚度及角刚度）。为了真实反映机床主轴与刀柄3之间的接触，模拟主轴头2的内锥孔与机床主轴内锥孔一致，刀柄3为试验对象。模拟主轴头2、刀柄3、轴向加载装置、轴向位移传感器14、15、径向加载装置和径向位移传感器17、18都集成在一个方箱1中，以实现刀柄3的轴向、径向刚度及角刚度测试。

如图1所示，轴向加载装置包括支承在模拟主轴头2上的支承垫块5、拉杆4和套在拉杆4上的轴向加载螺母8；拉杆4穿过支承垫块5拧紧在刀柄锥柄部11的端部上；轴向加载螺母8与支承垫块5之间的拉杆4上依次设置有轴向加载压块A9、推力球轴承7、轴向加载压块B10和轴向力传感器6。模拟主轴头2上还通过螺钉固定有轴向位移传感器支架13，轴向位移传感器支架13上设置有两个轴向位移传感器14、15，分别位于刀柄悬伸端12的上下两侧。这里采用两个轴向位移传感器14、15可以监测刀柄3在加力过程中是否发生倾斜，以保证加载沿轴线方向。采用推力球轴承7主要防止轴向加载螺母8的旋转运动传给轴向力传感器6，对轴向力传感器6起到保护作用。由于本发明中的轴向位移传感器支架13是固定在模拟主轴头2上，故轴向位移传感器14、15测到的位移是刀柄3相对于模拟主轴头2的轴向位移，即刀柄3结合部位移，并且保证所测得的位移是刀柄3结合部的轴向变形，避免其他元件变形的干扰。

在针对BT系列刀柄进行的轴向刚度试验中，先拧紧轴向加载螺母8，通过轴向加载压块A9、推力球轴承7、轴向加载压块B10、轴向力传感器6和支承在模拟主轴头2上的支承垫块5给刀柄3施加轴向拉力，轴向拉力通过轴向力传感器6测得。通过紧固在模拟主轴头2上轴向位移传感器支架13上的两个轴向位移传感器14、15测得轴向位移值。将测得的刀柄3轴向拉力及刀柄3的轴向位移值进行曲线拟合，得到如图2所示的曲线图（即轴向拉力—轴向位移函数曲线），然后对轴向拉力—轴向位移函数进行求导进一步得到如图3所示的刀柄3结合部的轴向刚度与刀柄3轴向拉力之间的关系曲线图。

如图4所示，径向加载装置包括通过紧固螺钉20固定在方箱1上的径向加载套筒22、穿过径向加载套筒22的径向加载螺钉21；径向加载螺钉21底端与刀柄悬伸端12之间依次设置有径向加载压块A23、径向力传感器24、径向加载压块B25和钢球19。径向加载螺钉21与钢球19的中轴线位于同一条直线上，且与刀柄3的中轴线垂直。模拟主轴头2上还固定有径向位移传感器支架16，径向位移传感器支架16上设置有两个径向位移传感器17、18，同时位于刀柄悬伸端12下侧。采用两套径向位移传感器17、18的目的是获取刀柄3结合部在不同轴向拉力作用下刀柄3结合部的角刚度。

在针对BT系列刀柄进行的径向刚度及角刚度试验中，径向加载螺钉21将径向力通过径向加载压块A23、径向力传感器24、径向加载压块B25和钢球19作用在刀柄悬伸端12（相当于刀具），从而使刀柄3结合部产生径向位移及角位移，所加载的径向力通过径向力传感器24测得。径向位移传感器17、18通过径向位移传感器支架16固定在模拟主轴头2上，因此所测得的径向位移是刀柄3相对于模拟主轴头2的相对位移，通过布置两套径向位移传感器17、18可以分离出刀柄结合部的径向位移（变形）及角位移。

本装置采用两套径向位移传感器17、18测量刀柄3与模拟主轴头2之间的径向相对位移，从而获得在不同刀柄3轴向拉紧作用下，图6所示的刀柄3径向载荷与径向相对位移之间的关系曲线，及图8所示的施加给刀柄3的弯矩与刀柄3结合部角位移之间的关系曲线，这些曲线均通过试验获取数据拟合得到，再通过对所获得的刀柄3径向载荷与径向相对位移函数及刀柄3的弯曲扭矩与刀柄3结合部角位移函数求导，进一步得到不同刀柄3轴向拉力作用下，图7所示的刀柄3的径向载荷与径向刚度之间的关系曲线及图9所示的施加给刀柄3的弯矩与刀柄3结合部角刚度之间的关系曲线。

如图5所示：本发明径向刚度及角刚度求解示意图，为了求解方便建立刀柄3结合部坐标系O-X₁X₂X₃，刀柄3在径向载荷Fr作用下刀柄悬伸端12会产生位移，通过径向位移传感器17、18分别测得径向位移δ₁ 和δ₂，该位移由三部分组成：刀柄3结合部的径向位移D₂、刀柄3结合部角位移D₄产生的位移                                                

及刀柄3本身弹性变形而产生的位移δ_E三部分，即：

为了分离出刀柄3结合部径向位移D₂和角位移D₄，必须从测得的径向位移δ₁和δ₂中，扣除由刀柄本身弹性变形而产生的位移δ_E1、δ_E2。

由于刀柄3在模拟主轴头2的内锥孔中，且较短，假设刀柄锥柄部11本身不发生弯曲变形，在刀柄锥柄部11只有结合部的变形，即只有刀柄3结合部的径向位移D₂及角位移D₄。如图5所示，按照上述假设将结合部固接处理，通过有限元软件先计算出刀柄悬伸端12所产生的弹性变形δ_E1、δ_E2，从而可以得到由于刀柄3结合部所引起的测量点A、B处的位移为（δ₁－δ_E1）和（δ₂－δ_E2）。

根据图5所建立的径向刚度及角刚度求解示意图，由几何关系可得刀柄3结合部位移D₂、D₄与测得径向位移δ₁、δ₂和由刀柄本身弹性变形而产生的位移δ_E1、δ_E2之间的关系式：

其中，a为O点到A点之间的距离，b为O点到B点之间的距离。

由上式可以解得刀柄结合部在不同径向力作用下的径向位移D₂与角位移D₄：

这样可以拟合出刀柄结合部在某轴向拉紧力作用下的径向力Fr与径向位移D₂之间的关系曲线、弯矩（M₄=Fr×c）与角位移D₄之间的关系曲线。进一步所获得的径向力Fr与径向位移D₂之间的函数关系、弯矩（M₄=Fr×c）与角位移D₄之间的函数关系进行求导，可以获得刀柄3结合部的径向刚度

和角刚度

：

其中，Fr为径向力，M₄为弯矩。

Claims (4)

1.一种模块化刀柄结合部静刚度试验装置，其特征在于：包括方箱（1）、模拟主轴头（2）、刀柄（3）、轴向加载装置、轴向位移传感器（14、15）、径向加载装置和两个径向位移传感器（17、18）；所述刀柄（3）由刀柄锥柄部（11）和刀柄悬伸端（12）连接组成；所述模拟主轴头（2）固定在方箱（1）上，刀柄锥柄部（11）位于在模拟主轴头（2）的内锥孔里，刀柄悬伸端（12）悬伸在方箱（1）内；刀柄锥柄部（11）的端部设置有轴向加载装置，刀柄悬伸端（12）上侧设置有径向加载装置；

所述轴向加载装置包括支承在模拟主轴头（2）上的支承垫块（5）、拉杆（4）和套在拉杆（4）上的轴向加载螺母（8）；拉杆（4）穿过支承垫块（5）与刀柄锥柄部（11）端部连接，轴向加载螺母（8）与支承垫块（5）之间的拉杆（4）上依次设置有轴向加载压块A（9）、推力球轴承（7）、轴向加载压块B（10）和轴向力传感器（6）；模拟主轴头（2）上还设置有轴向位移传感器支架（13），所述轴向位移传感器（14、15）设置在轴向位移传感器支架（13）上；

所述径向加载装置包括固定在方箱（1）上的径向加载套筒（22）、穿过径向加载套筒（22）的径向加载螺钉（21）；径向加载螺钉（21）底端与刀柄悬伸端（12）之间依次设置有径向加载压块A（23）、径向力传感器（24）、径向加载压块B（25）和钢球（19）；所述径向加载螺钉（21）与钢球（19）的中轴线位于同一条直线上，且与刀柄（3）的中轴线垂直；模拟主轴头（2）上还设置有径向位移传感器支架（16），所述两个径向位移传感器（17、18）设置在径向位移传感器支架（16）上。

2.根据权利要求1所述的静刚度试验装置，其特征在于：所述轴向位移传感器支架（13）上设置有两个轴向位移传感器（14、15），分别位于刀柄悬伸端（12）的上下两侧。

3.根据权利要求1所述的静刚度试验装置，其特征在于：所述径向位移传感器支架（16）上设置的两个径向位移传感器（17、18）同时位于刀柄悬伸端（12）下侧。

4.根据权利要求1～3中任何一项权利要求所述的静刚度试验装置，其特征在于：方箱（1）上可以安装不同规格的刀柄（3）及模拟主轴头（2）。

 

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