CN106874633A - 一种车削加工刀具的螺栓紧固设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种车削加工刀具的螺栓紧固设备，刀具通过紧固螺栓固定在固定基座上，所述紧固螺栓的端面开有盲孔，所述盲孔内埋设有测试元件，所述测试元件输出测试信号至测试分析系统。本发明能够实现刀具紧固时预紧力的精确控制，同时使刀具的动态性能处于最佳状态，为确定刀具紧固预紧力提供了明确的量化指标，有利于提高工件的加工质量，且整个操作过程直观、可视，避免了凭借操作者经验进行操作所带来的不足，减少了对操作者经验的依赖性；刀具性能分析系统能够对不同型号的刀具进行性能分析，分析过程基于模块化实现，避免了复杂的计算过程，有利于系统的集成化设计和分析。

Description

一种车削加工刀具的螺栓紧固设备和方法

技术领域

本发明涉及机械加工制造领域，尤其涉及一种车削加工刀具的螺栓紧固设备。

背景技术

车削加工在制造领域发挥着重要的作用，车削加工刀具对工件进行加工，首先必须对刀具进行紧固。为了方便装卸以及更换刀具，现有的刀具紧固多采用螺栓紧固方式。为了保证安全可靠地进行加工，在装卡刀具时需要对刀具进行紧固，其中关键的就是要对刀具施加预紧力。

如专利CN201520969702.0公开了一种机床刀具定位装置，专利CN201210552545.4公开了一种刀具的微调机构，类似的发明主要是设计用于刀具装卡固定的装置，然而，刀具紧固操作时预紧力的施加还是凭借操作者的经验进行，对“紧固”程度没有明确界定。

上述公开文献存在以下问题：首先，由于经验上存在差别，操作者对“紧固”程度的认知和掌控能力不同，对同样的刀具而言，不同的操作者所施加的预紧力将存在一定的差异；其次，凭经验进行的操作难易实现精确的控制，预紧力过低难以满足紧固的要求，预紧力过大，将对刀具和机床造成一定的载荷疲劳；而且整个过程不够直观，难以进行可视化操作。

另外，在加工过程中，刀具的紧固与工件之间存在必然的联系，同时工件也会对刀具产生一定的作用力，该作用力同样影响刀具的结构性能和动态性能，而刀具的结构性能和动态性能又进一步影响工件的加工质量。因此，在刀具的紧固时应两者进行综合考虑，而现有技术通常是凭经验对刀具进行孤立加载，没有综合考虑加工过程中刀具的动态性能以及与工件之间的作用，无法实现刀具预紧力的有效控制，难以保证刀具的动态性能。

如专利CN201110286541.1公开了一种测试刀柄—结合部特征参数的实验装置，其操作过程中螺栓的预应力大小虽然可通过动态应变仪和计算机进行显示，实现预应力的可视化调整，但是其施加的预应力大小无法综合考虑工件负载以及具体加工工况的影响，属于孤立的加载，难以使刀具的动态性能处于最佳状态。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是实现一种车削加工刀具的螺栓紧固设备，以实现刀具紧固时预紧力的精确控制，同时使刀具的动态性能处于最佳状态，且整个操作过程直观化、可视化。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种车削加工刀具的螺栓紧固设备，刀具通过紧固螺栓固定在固定基座上，所述紧固螺栓的端面开有盲孔，所述盲孔内埋设有测试元件，所述测试元件输出测试信号至测试分析系统。

设备配套有刀具性能分析系统，所述刀具性能分析系统包括刀具库模块、有限元仿真模块、动力学仿真模块和求解模块，所述刀具库模块输出刀具参数信号至有限元仿真模块和动力学仿真模块，所述有限元仿真模块输出应力分布云图信号至求解模块，所述动力学仿真模块输出振动位移曲线信号至求解模块，所述求解模块输出并显示刀具预紧力大小值。

所述测试分析系统为用于信号比较的计算机，所述测试分析系统预设有紧固螺栓的输出信号与预紧力载荷之间的关系曲线或关系表格。

所述的测试元件为应变片或压电片。

基于所述车削加工刀具的螺栓紧固设备的螺栓紧固方法，其特征在于：

步骤1、通过刀具性能分析系统获取使刀具的动态性能最优的预紧力值；

步骤2、根据步骤1中的预紧力值给紧固螺栓施加预紧力，将刀具固定在固定基座上；

步骤3、测试分析系统实时获取紧固螺栓的所施加的预紧力大小。

所述步骤1中使刀具的动态性能最优的预紧力值获取方法如下：

1)确定加工过程中刀具所受的切削力载荷，在刀具库模块中调取刀具的型号，获取其结构性能参数；

2)在有限元仿真模块中建立刀具的有限元模型，定义有限元模型的参数和约束，并根据1)中切削力载荷，获得不同预紧力下刀具的应力分布云图；

3)在动力学仿真模块中建立刀具的虚拟样机动态仿真模型，定义虚拟样机动态仿真模型的参数和约束，并根据1)中切削力载荷，获得不同预紧力下刀具的振动位移曲线；

4)求解模块根据2)中应力分布云图和3)中振动位移曲线获得刀具的应变能E_p和振动能E_kw；

5)求解模块获得刀具的运动能E_kv和动能E_k；

6)确定刀具的应变能E_p和动能E_k之和为刀具的总能量E，以刀具的总能量E最小为动态性能目标优化函数，确定使刀具的动态性能最优的预紧力大小；

所述5)中动能E_k为振动能E_kw和运动能E_kv之和，运动能E_kv为刀具整体结构的运动能其中，m为刀具的质量，v为刀具在加工工况下的运动速度。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果和优点：

本发明刀具螺栓紧固时施加的预紧力大小是考虑工件属性和加工工况，基于刀具动态性能最优确定的，为刀具螺栓紧固时预紧力的确定提供了明确的量化指标，避免了凭借操作者经验所带来的不足，减少了对操作者经验的依赖性；同时考虑加工过程中刀具与工件之间的相互作用和联系，更符合实际情况，避免了对刀具的孤立加载带来的不足；同时考虑了加工过程中刀具所承受的切削力载荷，基于动态性能最优指标确定刀具预紧力的大小，能够优化刀具的结构性能和动态性能，使刀具的动态性能处于最佳状态，能够提高工件的加工质量；

在施加预紧力的过程中，测试分析系统能够实时显示所施加的预紧力大小，实现刀具螺栓紧固预紧力的精确控制，整个施加过程比较直观、可视化；

本发明的刀具性能分析系统具有刀具库模块，能够对不同型号的刀具进行性能分析，整个性能分析过程基于模块化实现，避免了复杂的计算过程，有利于设备的集成化设计和分析。

附图说明

下面对本发明说明书中每幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：

图1为车削加工刀具的螺栓紧固设备框图；

图2为图1中紧固螺栓的结构示意图；

图3为车削加工刀具的螺栓紧固方法流程图；

上述图中的标记均为：1、刀具；2、刀具性能分析系统；21、刀具库模块；22、有限元仿真模块；23、动力学仿真模块；24、求解模块；3、测试分析系统；4、紧固螺栓；41、盲孔；42、测试元件；5、固定基座。

具体实施方式

如图1所示，车削加工刀具的螺栓紧固设备中，车削加工刀具包括刀具1、紧固螺栓4、固定基座5，刀具1通过紧固螺栓4固定在固定基座5上，图2所示，紧固螺栓4的端面开有盲孔41，盲孔41内部埋入测试元件42，其中测试元件42可以采用压电片，对信号变化具有较强的敏感性，可将极其微弱的变化转换成压电信号进行输出，测试精度高，能够实现对变量的精确控制，具有明显的优势。

设备还包括刀具性能分析系统2和测试分析系统3，刀具性能分析系统2为一台用于分析模拟的计算机，刀具性能分析系统2包括刀具库模块21、有限元仿真模块22(可采用ANSYS有限元仿真模块)、动力学仿真模块23(可以采用ADAMS动力学仿真模块)和求解模块24，有限元仿真模块22、动力学仿真模块23和求解模块24的信号处理关系在下面的紧固方法中详细说明。

测试分析系统3为用于参数比较的计算机，其预设紧固螺栓4的输出信号与预紧力载荷之间的关系曲线或表格，测试分析系统3具有信号输入端，紧固螺栓4的输出信号通过信号传输线传输给测试分析系统3信号输入端，测试分析系统3将获得的紧固螺栓4输出信号与预设关系曲线或表格比较，判断当前预紧力是否合格。

基于上述硬件设备，车削加工刀具的螺栓紧固方法如图3所示，包括以下步骤：

步骤1、通过刀具性能分析系统获取使刀具的动态性能最优的预紧力值；

步骤2、将刀具1装入固定基座5内部，紧固螺栓4与刀具1的上表面接触，根据步骤6得到的预紧力大小给紧固螺栓4施加预紧力

步骤3、施加过程中紧固螺栓4的输出信号传递给测试分析系统3，测试分析系统3实时显示所施加的预紧力大小，完成紧固螺栓4预紧力的施加。

其中步骤1的预紧力值获取方法如下：

1)根据工件的材料属性和加工工况，选取刀具1的型号，确定加工过程中刀具1所受的切削力载荷，在刀具库模块21中调取相对应的刀具1的型号，获取其结构性能参数；

2)根据1)确定的刀具1的结构性能参数，在刀具性能分析系统2的有限元仿真模块22中建立刀具1的有限元模型，定义有限元模型的参数和约束，施加1)中确定的切削力载荷，并在螺栓紧固位置施加不同的预紧力，仿真得到不同预紧力下刀具1的应力分布云图；

3)根据1)中确定的刀具1的结构性能参数，在刀具性能分析系统2的动力学仿真模块23中建立刀具1的虚拟样机动态仿真模型，定义虚拟样机动态仿真模型的参数和约束，施加1)中确定的切削力载荷，并在螺栓紧固位置施加不同的预紧力，根据加工工况下刀具的运动，施加运动仿真参数，仿真得到不同预紧力下刀具1的振动位移曲线；

4)将2)中不同预紧力下刀具1的应力分布云图导入求解模块24，得到不同预紧力下刀具1的应变能E_p；将3)中不同预紧力下刀具1的振动位移曲线，导入求解模块24，得到不同预紧力下刀具1切屑端的振动能E_kw以及整体结构的运动能E_kv，刀具1整体结构的运动能E_kv，通过以下方式计算：

其中，m为刀具1的质量，可通过刀具库模块21获得；v为加工工况下刀具1的运动速度。

刀具1的动能E_k为刀具1切屑端的振动能E_kw和整体结构的运动能E_kv之和。

5)确定刀具1的应变能E_p和动能E_k之和为刀具1的总能量E，以刀具1的总能量E最小为动态性能目标优化函数，确定使刀具1的动态性能最优的预紧力大小。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种车削加工刀具的螺栓紧固设备，刀具通过紧固螺栓固定在固定基座上，其特征在于：所述紧固螺栓的端面开有盲孔，所述盲孔内埋设有测试元件，所述测试元件输出测试信号至测试分析系统。

2.根据权利要求1所述车削加工刀具的螺栓紧固设备，其特征在于：设备配套有刀具性能分析系统，所述刀具性能分析系统包括刀具库模块、有限元仿真模块、动力学仿真模块和求解模块，所述刀具库模块输出刀具参数信号至有限元仿真模块和动力学仿真模块，所述有限元仿真模块输出应力分布云图信号至求解模块，所述动力学仿真模块输出振动位移曲线信号至求解模块，所述求解模块输出并显示刀具预紧力大小值。

3.根据权利要求1或2所述车削加工刀具的螺栓紧固设备，其特征在于：所述测试分析系统为用于信号比较的计算机，所述测试分析系统预设有紧固螺栓的输出信号与预紧力载荷之间的关系曲线或关系表格。

4.根据权利要求3所述车削加工刀具的螺栓紧固设备，其特征在于：所述的测试元件为应变片或压电片。

5.基于权利要求1-4中任一项所述车削加工刀具的螺栓紧固设备的螺栓紧固方法，其特征在于：

步骤1、通过刀具性能分析系统获取使刀具的动态性能最优的预紧力值；

步骤2、根据步骤1中的预紧力值给紧固螺栓施加预紧力，将刀具固定在固定基座上；

步骤3、测试分析系统实时获取紧固螺栓的所施加的预紧力大小。

6.根据权利要求5所述的螺栓紧固方法，其特征在于：所述步骤1中使刀具的动态性能最优的预紧力值获取方法如下：

1)确定加工过程中刀具所受的切削力载荷，在刀具库模块中调取刀具的型号，获取其结构性能参数；

2)在有限元仿真模块中建立刀具的有限元模型，定义有限元模型的参数和约束，并根据1)中切削力载荷，获得螺栓不同预紧力下刀具的应力分布云图；

3)在动力学仿真模块中建立刀具的虚拟样机动态仿真模型，定义虚拟样机动态仿真模型的参数和约束，并根据1)中切削力载荷，获得螺栓不同预紧力下刀具的振动位移曲线；

4)求解模块根据2)中应力分布云图和3)中振动位移曲线获得刀具的应变能E_p和振动能E_kw；

5)求解模块获得刀具的运动能E_kv和动能E_k；

6)确定刀具的应变能E_p和动能E_k之和为刀具的总能量E，以刀具的总能量E最小为动态性能目标优化函数，确定使刀具的动态性能最优的预紧力大小。

7.根据权利要求6所述的螺栓紧固方法，其特征在于：所述5)中动能E_k为振动能E_kw和运动能E_kv之和，运动能E_kv为刀具整体结构的运动能其中，m为刀具的质量，v为刀具在加工工况下的运动速度。