CN103192293A - 微细铣削刀具刀尖振动特性的一种测量方法 - Google Patents

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曹自洋
李华
殷振
薛晓红
郭丽华
谢鸥
杨建锋
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Abstract

本发明公开了微细铣削刀具刀尖振动特性的一种测量方法，属于微细加工领域。其特征在于：微细铣刀夹持在主轴的刀具夹头里，压电驱动器一端粘在微细铣刀的刀柄上，另一端与粘在机床运动平台上的高频力传感器相连接，机床带动微细铣刀向压电驱动器作微量进给，在压电驱动器和铣刀刀柄之间施加一定的预压力，压电驱动器在外接信号发生器信号激励的作用下产生激振，采用激光多普勒测振装置测量铣刀刀尖的振动特性。本发明的测量方法由于简谐激励仅仅施加在微细铣刀的刀柄上，避免了刀尖的破损，能够测量的微细铣刀直径更小，频率更高，而且可以在线测量刀尖的振动特性，同时该测量方法简单易行，实施方便。

Description

微细铣削刀具刀尖振动特性的一种测量方法
技术领域
本发明涉及微细铣削刀具刀尖振动特性的一种测量方法，属于微细加工领域。
背景技术
微细铣削加工技术是在超高转速下采用微铣刀实现高精密加工的一种切削方式，对微三维零件的加工具有独特优势。微细铣削过程中常常发生切削颤振的动态不稳定现象，切削系统引发的加工颤振会明显降低切削效率与零件的加工质量，降低刀具、机床的使用寿命。为了预测和控制微细铣削的加工颤振，需要精确测量微细铣刀刀尖的振动特性。在宏观尺度的铣削加工过程中，铣刀刀尖振动的测量一般采用冲击模态测试的方式，通过力锤激发刀具振动的方式来进行。但是微细铣削所采用的刀具尺寸很小，一般是直径在0.01mm-0.5mm之间，长度范围为10mm-100mm 之间，长径比大，刀尖很小且容易破损，常用的使用力锤激振的测量方法不能用于微细铣刀刀尖振动特性的测量；另外，冲击力锤一般只能用于激发频率低于10kHz场合中，而微细铣刀的固有频率可高达100kHz，如何精确获得微细铣刀刀尖的振动特性已经成为阻碍该技术发挥其优势的主要瓶颈之一。
Filiz和Ozdoganlar等研究人员采用Timoshenko梁方程来建模微细铣刀的动态特性，考虑了铣刀切削刃部位截面的不同结构（Microendmill Dynamics Including the Actual Fluted Geometry and Setup Errors）；Schmitz等人采用响应耦合的方式来建模，机床-主轴部分采用冲击力锤进行测量，采用有限分仿真的方法获得刀具的振动特性，然后采用数学方法对二者进行耦合（Machining Dynamics: Frequency Response to Improved Productivity）。从上面的分析可以看出，目前已见诸文献的微细铣刀刀尖振动特性的研究在建立模型时，和实际的加工过程差距较大，具体表现在边界条件不易确定、研究范围不够宽、实用性差、考虑铣削加工状况不全面、软件仿真时的模型过于简单。所以有必要研究一种新型实用的微细铣刀刀尖动态特性的测量方法。
发明内容
为解决微细铣削加工中刀尖振动难以测量的难题，本发明目的在于一种提供微细铣削刀具刀尖振动特性的精确测量方法。
为了解决上述技术问题，实现上述目的，本发明的技术方案是：
微细铣削刀具刀尖振动特性的一种测量方法，其特征在于：微细铣刀夹持在主轴的刀具夹头里，压电驱动器一端粘在微细铣刀的刀柄上，另一端与粘在机床运动平台上的高频力传感器相连接，机床带动微细铣刀向压电驱动器作微量进给，在压电驱动器和铣刀刀柄之间施加一定的预压力，压电驱动器在外接信号发生器信号激励的作用下产生激振，采用激光多普勒测振装置测量铣刀刀尖的振动特性，本发明所述的测量方法可以避免微细铣刀刀尖的破损，能够精确地在线测量铣刀刀尖高频的振动特性。
更进一步，所述测量方法采用压电驱动器作为激振源，代替传统的力锤；
更进一步，所述简谐激励仅仅施加在微细铣刀的刀柄上，压电驱动器一端粘在微细铣刀的刀柄上，另一端与粘在机床运动平台上的高频力传感器相连接；
更进一步，所述压电驱动器和刀柄之间需要一定的预压力，压电驱动器在外接信号发生器信号激励的作用下膨胀和收缩，采用激光多普勒测振装置测量刀具刀尖的振动特性。
本发明的主要优点是：
1、通过非破坏性的方式测量微细铣刀刀尖的振动特性；
2、压电驱动器的简谐激励仅仅施加在微细铣刀的刀柄上，避免了刀尖的破损，能够测量的微细铣刀直径更小；
3、通过外接信号发生器的压电驱动器激发振动，能够测量的刀具的固有频率更高；
4、可以在线测量铣刀刀尖的振动特性；
5、该测量方法简单易行，实施方便，应用前景广阔；
附图说明
图1为本发明的微细铣削刀具刀尖振动特性的测量方法示意图。
图中标号名称：1、主轴刀夹；2、微细铣刀；3、激光多普勒测振仪；4、力传感器；5、工作台；6、信号发生器
具体实施方式
如图1所示，本发明是微细铣削刀具刀尖振动特性的一种测量方法。
1. 把刀头直径为0.5mm（长度2mm）、刀柄直径为3mm（长度15mm）的微细铣刀装夹在高速主轴的刀具夹头里。
2. 压电驱动器（截面3mm×3mm，长度8mm）一端粘在微细铣刀的刀柄上，另一端与粘在机床运动平台上的高频力传感器（自然频率200kHz）相连接。
3. 机床带动微细铣刀向压电驱动器作微量进给，在压电驱动器和刀柄之间施加20N的预压力。
4. 采用频率范围为1kHz-150kHz的外接信号发生器对压电驱动器进行正弦激励。
5. 采用激光多普勒测振装置测量铣刀刀尖的振动特性。
6. 测量得到的频率响应曲线表明微细铣刀在4.8kHz -127.9kHz的频率范围内出现了4阶模态，对应的频率分别是4.8 kHz、29.3 kHz、94.6 kHz和127.9kHz。前2阶模态对应的模态形式是刀柄弯曲，幅值最大的模态出现在94.6 kHz，模态形式是刀尖的弯曲。

Claims (5)

1.微细铣削刀具刀尖振动特性的一种测量方法，其特征在于：微细铣刀夹持在主轴的刀具夹头里，外接信号发生器的压电驱动器两端分别与微细铣刀和高频力传感器相连接，采用测振装置测量铣刀刀尖的振动特性。
2.根据权利要求1所述的微细铣削刀具刀尖振动特性的一种测量方法，其特征在于：采用压电驱动器作为激振源，代替传统的冲击力锤。
3.根据权利要求1所述的微细铣削刀具刀尖振动特性的一种测量方法，其特征在于：压电驱动器一端粘在微细铣刀的刀柄上，另一端与粘在机床运动平台上的高频力传感器相连接，简谐激励仅仅施加在微细铣刀的刀柄上。
4.根据权利要求1所述的微细铣削刀具刀尖振动特性的一种测量方法，其特征在于：机床带动微细铣刀向压电驱动器作微量进给，在压电驱动器和铣刀刀柄之间施加一定的预压力。
5.根据权利要求1所述的微细铣削刀具刀尖振动特性的一种测量方法，其特征在于：压电驱动器在外接信号发生器信号激励的作用下膨胀和收缩，采用激光多普勒测振装置在线测量铣刀刀尖的振动特性。
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