CN106863009B - 基于刀杆两点变形的切削力测量方法 - Google Patents

基于刀杆两点变形的切削力测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于刀杆两点变形的切削力测量方法，用于解决现有切削力测量方法实用性差的技术问题。技术方案是首先沿刀杆竖直方向选取两处位移传感器测量点，利用材料力学的理论知识计算刀具刚度。其次，使用磁力表座、辅助树脂夹具将位移传感器固定安装在选定位置处，采集刀杆上下两处测量点的变形位移。再次，将两个位移传感器采集得到的位移信号进行数据处理，得到切削力引起的刀杆上下测量点的变形，再将二者相减，得到切削力引起的刀杆下端测量点相对于上端测量点的变形量。最后，结合使用已确定的刀具刚度，即可间接获得切削力。本发明适用于高速钢、硬质合金等多种刀具，且能准确测量进给方向和进给法向两个方向的切削力，实用性好。

Description

基于刀杆两点变形的切削力测量方法
技术领域
本发明涉及一种切削力测量方法，特别涉及一种基于刀杆两点变形的切削力测量方法。
背景技术
文献1“Albrecht A,Park S S,Altintas Y,et al.High frequency bandwidthcutting force measurement in milling using capacitance displacementsensors.International Journal of Machine Tools and Manufacture,2005,45:993–1008.”公开了一种基于主轴变形的切削力测量方法，该方法通过电容位移传感器测量加工过程中的主轴变形间接获取切削力。但该方法存在刀尖点到主轴的变形位移传递率较低以及主轴自身的振动影响测量准确度，不利于误差分离等问题。
文献2“朱坚民,王健,张统超等.基于刀具振动位移的动态铣削力测量方法.仪器仪表学报,2014,35(12):2772–2782.”公开了一种基于刀具变形的切削力测量方法，该方法使用激光测振仪测量加工过程中的刀具单点变形量，并且利用材料力学的知识确定刀具刚度，从而间接获取切削力。但这种方法只能测量进给方向的切削力，且提出的确定刀具刚度的方法忽略了主轴-刀柄部分的变形，当刀具材料杨氏模量很大时，该方法确定的刀具刚度将严重偏离真实值。
以上文献存在的技术问题是：在使用测量位移信号间接获得切削力的方法时，主轴-刀柄部分的变形位移获取困难，操作不方便，而目前测量刀具变形获取切削力的方法只能测得进给方向的切削力，且不能适用于材料杨氏模量很大的刀具(如硬质合金刀具)。
发明内容
为了克服现有切削力测量方法实用性差的不足，本发明提供一种基于刀杆两点变形的切削力测量方法。该方法首先沿刀杆竖直方向选取两处位移传感器测量点，利用材料力学的理论知识计算刀具刚度。其次，使用磁力表座、辅助夹具将位移传感器固定安装在选定位置处，采集刀杆上下两处测量点的变形位移。再次，将两个位移传感器采集得到的位移信号进行数据处理，得到切削力引起的刀杆上下测量点的变形，再将二者相减，即可得到切削力引起的刀杆下端测量点相对于上端测量点的变形量。最后，结合使用已确定的刀具刚度，即可间接获得切削力。本发明适用于高速钢、硬质合金等多种刀具，且能准确测量进给方向和进给法向两个方向的切削力，实用性好。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种基于刀杆两点变形的切削力测量方法，其特点是包括以下步骤：
步骤一、刀具装夹在刀柄上，并一起安装于机床之后，沿刀杆竖直方向选取位移传感器上端测量点I和下端测量点II。测量点在切削进给方向，测得切削力即为进给方向切削力；测量点在切削进给法向，测得切削力即为进给法向切削力。
步骤二、采用下式获取刀具刚度：
式中，Ebar是刀具材料的杨氏模量，ltool是刀具底端截面与刀柄夹持刀具处之间的距离，lI是上端测量点I与刀柄夹持刀具处之间的距离，lII是下端测量点II与刀柄夹持刀具处之间的距离。Ibar是刀具刀杆的截面二次矩，其表达式为：
式中，d为刀具直径。
步骤三、使用磁力表座和辅助夹具将两个电容式位移传感器固定安装在刀杆测量点旁，调节电容式位移传感器探头与刀杆测量点之间的距离，使之达到传感器的测量范围，并将电容位移传感器与其配套驱动器、数据采集设备和计算机连接好。
步骤四、采集机床空转和加工过程中的刀杆两处测量点I和II的变形位移信号，分别选取测量点I和II的几个稳定的空转段信号周期，并将其拓展至整个测量过程。
步骤五、分别将加工过程中测量点I和II的变形位移信号减去同步拓展得到的空转段位移信号，获取切削力引起的刀杆测量点I的变形δI和刀杆测量点II的变形δII。
步骤六、将δII减去δI，即可得到切削力引起的下端测量点II相对于上端测量点I的变形δII-δI。
步骤七、结合步骤二确定的Kδ和步骤六得到的δII-δI，通过下式测得切削力：
F＝(δII-δI)Kδ。
本发明的有益效果是：该方法首先沿刀杆竖直方向选取两处位移传感器测量点，利用材料力学的理论知识计算刀具刚度。其次，使用磁力表座、辅助夹具将位移传感器固定安装在选定位置处，采集刀杆上下两处测量点的变形位移。再次，将两个位移传感器采集得到的位移信号进行数据处理，得到切削力引起的刀杆上下测量点的变形，再将二者相减，即可得到切削力引起的刀杆下端测量点相对于上端测量点的变形量。最后，结合使用已确定的刀具刚度，即可间接获得切削力。本发明适用于高速钢、硬质合金等多种刀具，且能准确测量进给方向和进给法向两个方向的切削力，实用性好。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。
附图说明
图1是本发明基于刀杆两点变形的切削力测量方法的流程图。
图2是本发明方法实施例1的切削力测量结果与商用测力仪测得切削力对比图。
图3是本发明方法实施例2的切削力测量结果与商用测力仪测得切削力对比图。
具体实施方式
以下实施例参照图1-3。
实施例1：测量进给法向切削力，刀具材料为高速钢。
(1)按照图1所示的流程安装实验设备。两个雄狮CPL190系列电容位移传感器安装在切削力进给法向上的刀杆指定位置之后与其配套驱动器、数据采集器、计算机相连，再将两个传感器探头调节至合适位置，即可进行切削力测量。为验证本发明提供的基于刀杆两点变形的切削力测量方法，Kistler9255B商用测力仪也将同时采集切削力，以供参考。加工工件材料为铝合金7050，使用刀具为3刃高速钢铣刀，刀具直径为8mm，加工参数为：主轴转速为2000rpm，轴向切深2mm，径向切深4mm，进给速度300mm/min，切削力方向为进给法向；
(2)利用下式获取刀具刚度：
式中，Ebar＝210GPa，d＝8mm，ltool＝65mm，lI＝10mm，lII＝30mm。经计算得Kδ＝1.9488N/μm；
(3)采集机床空转和加工过程中的刀杆两处测量点I和II的变形位移信号，分别选取测量点I和II的几个稳定的空转段信号周期，并将其拓展至整个测量过程，再将加工过程中测量点I和II的变形位移信号减去同步拓展得到的空转段位移信号，获取切削力引起的刀杆测量点I的变形δI和刀杆测量点II的变形δII。将δII减去δI，即可得到切削力引起的下端测量点II相对于上端测量点I的变形δII-δI；
(4)将确定的Kδ与δII-δI相乘，即可得到切削力(如图2所示)。
实施例2：测量进给法向切削力，刀具材料为硬质合金。
(1)按照图1所示的流程安装实验设备。两个雄狮CPL190系列电容位移传感器安装在切削力进给方向上的刀杆指定位置之后与其配套驱动器、数据采集器、计算机相连，再将两个传感器探头调节至合适位置，即可进行切削力测量。为验证本发明提供的基于刀杆两点变形的切削力测量方法，Kistler9255B商用测力仪也将同时采集切削力，以供参考。加工工件材料为铝合金7050，使用刀具为4刃硬质合金铣刀，刀具直径为12mm，加工参数为：主轴转速为1200rpm，轴向切深2mm，径向切深3mm，进给速度320mm/min，切削力方向为进给方向；
(2)利用下式获取刀具刚度：
式中，Ebar＝610GPa，d＝12mm，ltool＝85mm，lI＝15mm，lII＝35mm。经计算得Kδ＝17.2874N/μm；
(3)采集机床空转和加工过程中的刀杆两处测量点I和II的变形位移信号，分别选取测量点I和II的几个稳定的空转段信号周期，并将其拓展至整个测量过程，再将加工过程中测量点I和II的变形位移信号减去同步拓展得到的空转段位移信号，获取切削力引起的刀杆测量点I的变形δI和刀杆测量点II的变形δII。将δII减去δI，即可得到切削力引起的下端测量点II相对于上端测量点I的变形δII-δI；
(4)将确定的Kδ与δII-δI相乘，即可得到切削力(如图3所示)。

Claims (1)

1.一种基于刀杆两点变形的切削力测量方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、刀具装夹在刀柄上，并一起安装于机床之后，沿刀杆竖直方向选取位移传感器上端测量点I和下端测量点II；测量点在切削进给方向，测得切削力即为进给方向切削力；测量点在切削进给法向，测得切削力即为进给法向切削力；
步骤二、采用下式获取刀具刚度：
<mrow> <msub> <mi>K</mi> <mi>&amp;delta;</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>6</mn> <msub> <mi>E</mi> <mrow> <mi>b</mi> <mi>a</mi> <mi>r</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>I</mi> <mrow> <mi>b</mi> <mi>a</mi> <mi>r</mi> </mrow> </msub> </mrow> <mrow> <mn>3</mn> <msub> <mi>l</mi> <mrow> <mi>t</mi> <mi>o</mi> <mi>o</mi> <mi>l</mi> </mrow> </msub> <msup> <msub> <mi>l</mi> <mrow> <mi>I</mi> <mi>I</mi> </mrow> </msub> <mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <mn>3</mn> <msub> <mi>l</mi> <mrow> <mi>t</mi> <mi>o</mi> <mi>o</mi> <mi>l</mi> </mrow> </msub> <msup> <msub> <mi>l</mi> <mi>I</mi> </msub> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <msub> <mi>l</mi> <mi>I</mi> </msub> <mn>3</mn> </msup> <mo>-</mo> <msup> <msub> <mi>l</mi> <mrow> <mi>I</mi> <mi>I</mi> </mrow> </msub> <mn>3</mn> </msup> </mrow> </mfrac> </mrow>
式中，Ebar是刀具材料的杨氏模量，ltool是刀具底端截面与刀柄夹持刀具处之间的距离，lI是上端测量点I与刀柄夹持刀具处之间的距离，lII是下端测量点II与刀柄夹持刀具处之间的距离；Ibar是刀具刀杆的截面二次矩，其表达式为：
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式中，d为刀具直径；
步骤三、使用磁力表座和辅助夹具将两个电容式位移传感器固定安装在刀杆测量点旁，调节电容式位移传感器探头与刀杆测量点之间的距离，使之达到传感器的测量范围，并将电容位移传感器与其配套驱动器、数据采集设备和计算机连接好；
步骤四、采集机床空转和加工过程中的刀杆两处测量点I和II的变形位移信号，分别选取测量点I和II的几个稳定的空转段信号周期，并将其拓展至整个测量过程；
步骤五、分别将加工过程中测量点I和II的变形位移信号减去同步拓展得到的空转段位移信号，获取切削力引起的刀杆测量点I的变形δI和刀杆测量点II的变形δII；
步骤六、将δII减去δI，即可得到切削力引起的下端测量点II相对于上端测量点I的变形δII-δI；
步骤七、结合步骤二确定的Kδ和步骤六得到的δII-δI，通过下式测得切削力：
F＝(δII-δI)Kδ。
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