CN107255541A - 用于测试车削大螺距外螺纹刀具振动作用下的瞬态切削力的实验装置 - Google Patents

用于测试车削大螺距外螺纹刀具振动作用下的瞬态切削力的实验装置 Download PDF

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Abstract

用于测试车削大螺距外螺纹刀具振动作用下的瞬态切削力的实验装置，属于机械加工技术领域，本发明为了解决目前切削力检测实验中无法保证刀具每次切削的轴向加工余量达到瞬态切削力的测试和模型验证要求的问题。第一传感器和第二传感器分别安装在卧式车床主轴箱的主轴端部的顶部和侧面，夹具体的一端固定在卧式车床的方刀架旋转轴上，夹具体的另一端安装有测力仪，刀具安装在测力仪上，第三传感器和第四传感器分别安装在刀具切削刃末端的底面和侧面。本发明的用于测试车削大螺距外螺纹刀具振动作用下的瞬态切削力的实验装置可满足多种加工余量条件下的车削大螺距外螺纹刀具振动和瞬态切削力测量。

Description

用于测试车削大螺距外螺纹刀具振动作用下的瞬态切削力的 实验装置
技术领域
本发明涉及一种切削力实验装置，具体涉及用于测试车削大螺距外螺纹刀具振动作用下的瞬态切削力的实验装置，属于机械加工技术领域。
背景技术
大型压力机调整螺杆具有螺距大、牙型槽宽且深、轴向尺寸大的特点，实际加工中常采用低速、大切深、高进给的轴向车削工艺方案进行切削，其加工特征与中小螺距的外螺纹加工有着较大差别。
三爪卡盘安装在车床主轴箱的主轴上，车床主轴箱主轴的端部顶面和侧面分别安装有第一传感器和第二传感器，车床主轴箱的主轴一侧平行安装有轴向运动导轨，溜板箱滑动安装在轴向运动导轨上，溜板箱上端安装有中滑板，转盘安装在中滑板上，转盘上端设有小滑板，小滑板上固定安装有方刀架旋转轴。
已有的车削加工瞬态切削力检测实验中，测力仪无法安装在刀架上，测力仪安装方法为卸掉车床上的刀架和小滑板，将测力仪直接安装在转盘上。该方法不能利用小滑板带动测力仪组件来调整刀具左、右切削刃沿轴向的加工余量，无法保证刀具每次切削的轴向加工余量达到瞬态切削力的测试和模型验证的要求。因而，有必要设计一种用于测试车削大螺距外螺纹刀具振动作用下的瞬态切削力的实验装置，以满足刀具振动作用下的瞬态切削力模型的验证要求。
发明内容
本发明的目的是提供用于测试车削大螺距外螺纹刀具振动作用下的瞬态切削力的实验装置，以解决目前切削力检测实验中无法保证刀具每次切削的轴向加工余量达到瞬态切削力的测试和模型验证要求的问题。
所述用于测试车削大螺距外螺纹刀具振动作用下的瞬态切削力的实验装置包括卧式车床和检测系统；所述检测系统包括第一传感器、测力仪、夹具体、第二传感器、第三传感器、第四传感器、KISTLER9257B切削力测量系统和DHDAS_5922动态信号采集分析系统；
所述第一传感器和第二传感器分别安装在卧式车床主轴箱的主轴端部的顶部和侧面，夹具体的一端固定在卧式车床的方刀架旋转轴上，夹具体的另一端安装有测力仪，刀具安装在测力仪上，第三传感器和第四传感器分别安装在刀具切削刃末端的底面和侧面，所述第一传感器、第二传感器、第三传感器、第四传感器以及所述测力仪连接有动态信号采集分析系统。
优选的：三爪卡盘安装在卧式车床主轴箱的主轴上，车床主轴箱的主轴一侧平行安装有轴向运动导轨，溜板箱滑动安装在轴向运动导轨上，溜板箱上端安装有中滑板，转盘安装在中滑板上，转盘上端设有小滑板，小滑板上固定安装有方刀架旋转轴，夹具体一端通过套筒、轴套和螺母安装在方刀架旋转轴上，另一端的上端面安装有测力仪，刀具通过L型压板固定在测力仪上，大螺距外螺纹工件的左端固定在三爪卡盘上，右端通过加长活顶尖定位。
优选的：所述夹具体设有上下两个阶梯台，下阶梯台的上表面为第一定位面，上阶梯台的下表面为第二定位面，第一定位面与第二定位面相平行，连接上阶梯台与下阶梯台且垂直于第二定位面的右侧壁为第三定位面，上阶梯台上开有贯穿的通孔，下阶梯台上设有4个第一螺纹孔。
优选的：所述L形压板的左端上表面开有两个第二螺纹孔，L形压板的右端侧壁开有3个阶梯通孔。
优选的：所述第一传感器、第二传感器、第三传感器、第四传感器均为振动加速度传感器。
优选的：所述刀具为螺纹车刀，且设有左切削刃、顶刃和右切削刃，左切削刃和右切削刃对称设置。
本发明与现有产品相比具有以下效果：可在沿轴向切入、切出过程中，全程实时测量刀具振动和瞬态切削力；提出刀具振动的传感器布置方案，实现切削过程中同步测量刀具振动和瞬态切削力并保证同等程度的获取刀具振动数据；设计用于安装测力仪和刀具的夹具，连接测力仪与小滑板，实现刀具沿轴向的加工余量精确控制并维持车削全程加工余量的稳定，提高检测的准确性；在多种加工余量条件下，利用刀具左、右切削刃分别进行重复多次等次切削测试，保证刀具每次切削的轴向加工余量达到刀具振动作用下的瞬态切削力的测试和模型验证的要求，提高检测的可靠性；针对已有的刀具振动和瞬态切削力方法，提出了刀具振动和主轴振动传感器布置方案，保证在整个切削过程中对刀具振动和瞬态切削力进行同步测量；针对已有的外圆切削测力仪安装方法，无法精确调整刀具左、右切削刃沿轴向的加工余量问题，设计了用于安装测力仪和刀具的夹具，利用小滑板带动测力仪组件精确调整刀具左、右切削刃沿轴向的加工余量并维持车削全程加工余量的稳定，并且可满足多种加工余量条件下的车削大螺距外螺纹刀具振动和瞬态切削力测量。
附图说明
图1是本发明所述的用于测试车削大螺距外螺纹刀具振动作用下的瞬态切削力的实验装置的主视图；
图2是图1的俯视图；
图3是传感器安装位置的结构示意图；
图4是测力仪安装方式的结构示意图；
图5是图4的俯视图；
图6是夹具体的结构示意图；
图7是图6的俯视图；
图8是L形压板的结构示意图；
图9是图8的俯视图；
图10是左刃切削方式下的车床时域振动信号图；
图11是左刃切削方式下的刀具时域振动信号图；
图12是右刃切削方式下的车床时域振动信号图；
图13是右刃切削方式下的刀具时域振动信号图；
图14是刀具左、右刃瞬态切削力信号图；
图15是传感器连接框图；
图16是测力仪连接框图。
图中：1-车床主轴箱、2-第一传感器、3-三爪卡盘、4-大螺距外螺纹工件、5-测力仪、6-刀具、7-L形压板、701-第二螺纹孔、702-阶梯通孔、8-夹具体、801-第一定位面、802-第二定位面、803-第三定位面、804-通孔、805-第一螺纹孔、9-套筒、10-螺母、11-轴套、12-小滑板、13-转盘、14-中滑板、15-溜板箱、16-轴向运动导轨、17-加长活顶尖、18-第二传感器、19-第三传感器、20-第四传感器、21-方刀架旋转轴。
具体实施方式
下面根据附图详细阐述本发明优选的实施方式。
如图1至图9所示，本发明所述的用于测试车削大螺距外螺纹刀具振动作用下的瞬态切削力的实验装置包括卧式车床和检测系统；所述检测系统包括第一传感器2、测力仪5、夹具体8、第二传感器18、第三传感器19、第四传感器20、动态信号采集分析系统；
所述第一传感器2和第二传感器18均安装在卧式车床主轴箱1的主轴侧壁上，夹具体8的一端固定在卧式车床的方刀架旋转轴21上，夹具体8的另一端安装有测力仪5，刀具6安装在测力仪5上，第三传感器19和第四传感器20分别安装在刀具6切削刃末端的底面和侧面，所述第一传感器2、第二传感器18、第三传感器19、第四传感器20连接动态信号采集分析系统构成DHDAS_5922振动信号采集分析系统，所述测力仪5连接动态信号采集分析系统构成KISTLER9257B切削力测量系统。
进一步：三爪卡盘3安装在卧式车床主轴箱1的主轴上，车床主轴箱1的主轴一侧平行安装有轴向运动导轨16，溜板箱15滑动安装在轴向运动导轨16上，溜板箱15上端安装有中滑板14，转盘13安装在中滑板14上，转盘13上端设有小滑板12，小滑板12上固定安装有方刀架旋转轴21，夹具体8一端通过套筒9、轴套11和螺母10安装在方刀架旋转轴21上，另一端的上端面安装有测力仪5，刀具6通过L型压板7固定在测力仪5上，大螺距外螺纹工件4的左端固定在三爪卡盘3上，右端通过加长活顶尖17定位。
进一步：所述夹具体8设有上下两个阶梯台，下阶梯台的上表面为第一定位面801，上阶梯台的下表面为第二定位面802，第一定位面801与第二定位面802相平行，连接上阶梯台与下阶梯台且垂直于第二定位面的右侧壁为第三定位面803，上阶梯台上开有贯穿的通孔804，下阶梯台上设有4个第一螺纹孔805。
进一步：所述L形压板7的左端上表面开有两个第二螺纹孔701，L形压板7的右端侧壁开有3个阶梯通孔702。
进一步：所述第一传感器2、第二传感器18、第三传感器19、第四传感器20均为振动加速度传感器。
进一步：所述刀具6螺纹车刀，且设有左切削刃、顶刃和右切削刃，左切削刃和右切削刃对称设置；机床为普通卧式车床，大螺距外螺纹工件4为螺距大于4mm的螺杆。
进一步：大螺距外螺纹工件4左端由三爪卡盘3夹紧、定位，大螺距外螺纹工件4右端由加长活顶尖17进行轴向定位，小滑板12上的方刀架旋转轴21穿过夹具体8上阶梯台上的通孔804，使夹具体8的上阶梯台第二定位面802贴紧小滑板12的上表面，第三定位面803贴紧小滑板12左端面；通过小滑板12上的方刀架旋转轴上的螺纹与螺母10、轴套11和套筒9，将夹具体8与小滑板12夹紧；将测力仪5安装到第一定位面801上，利用四个紧固螺钉和夹具体8下阶梯台上表面上的四个第一螺纹孔805，将测力仪5与夹具体8夹紧；利用三个紧固螺钉和倒L形压板7右侧的三个阶梯通孔702，将倒L形压板7安装在测力仪5上表面上；将刀具6安装在测力仪5上表面上，并保持刀具6中心线垂直于大螺距外螺纹工件4轴线，且使刀具6顶刃与大螺距外螺纹工件4轴线位于同一水平面上，利用倒L形压板7左侧的两个第二螺纹孔701和紧固螺钉，将刀具6与测力仪5夹紧；将四个振动加速度传感器分别安装到机床主轴端部和刀具6上，在接近主轴端部的顶部和侧面各安装一个振动加速度传感器，在靠近刀具6切削刃的底部和左侧面各安装一个振动加速度传感器。
测试方案：采用轴向分层切削方式，利用刀具左右切削刃分别多次等次数切削形成左右螺纹面，实验所用试件材料为35CrMo调质处理，结构为右旋梯形外螺纹，头数1，螺纹长度为190mm，大径为148mm，小径为132mm，中径为140mm，螺距为16mm，牙形半角为15°，牙槽宽6.33mm。
设计并磨制出一把用于车削大螺距外螺纹左右螺纹面的刀具，采用可换刀头弹簧式车刀，材料为高速钢(W18Cr4V)，可在刀体上安装和拆卸，刀具参与切削的部分均由顶刃与左右两个切削刃组成，其中刀头悬伸量L为16.80mm；左刃前角、后角、主偏角和刃倾角分别为0°、7°54'、75°12'、0°，右刃前角、后角、主偏角和刃倾角分别为0°、5°48'、105°4'、0°。
利用上述刀具与工件搭建用于测试车削大螺距外螺纹刀具振动作用下的瞬态切削力的实验装置，以机床主轴转速n为10rpm，刀具径向切深量ap为8mm，刀具轴向加工余量为zi分别为0.025mm对螺距16mm梯形螺杆进行车削实验。
依据上述实验方案，分别获取刀具左、右刃切削最后一刀，采用DHDAS_5922动态信号采集分析系统，获得振动实验结果，机床与刀具在x、y、z三方向上时域振动信号如图10至图13所示。
由图可知，车削大螺距外螺纹时，机床与刀具的时域振动信号具有明显的差异性，并且该差异性在刀具上的响应更为明显，因而选择刀具上的振动信号进行定量描述，该传感器布置方案有效的为获得振动特征参数提供数据支持。
实验过程中采用KISTLER9257B切削力测量系统，获得刀具左、右刃瞬态切削力实验结果。其中，刀具左、右刃瞬态切削力实验结果如图14所示。
由图可知，在刀具车削大螺距外螺纹加工过程中，左、右刃切入、切出时，其瞬态切削力均存在明显的正向突变；切削阶段，左、右刃瞬态切削力表现出明显不同的变化特性，同时，左、右刃瞬态切削力水平存在较大差异，右刃切削力明显大于左刃切削力。
上述结果表明，通过用于测试车削大螺距外螺纹刀具振动作用下的瞬态切削力的实验装置可全程实时同步测量刀具振动和左、右刃瞬态切削力。
本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。

Claims (6)

1.用于测试车削大螺距外螺纹刀具振动作用下的瞬态切削力的实验装置，其特征在于：包括卧式车床和检测系统；所述检测系统包括第一传感器(2)、测力仪(5)、夹具体(8)、第二传感器(18)、第三传感器(19)、第四传感器(20)、动态信号采集分析系统；
所述第一传感器(2)和第二传感器(18)分别安装在卧式车床主轴箱(1)的主轴端部的顶部和侧面，夹具体(8)的一端固定在卧式车床的方刀架旋转轴(21)上，夹具体(8)的另一端安装有测力仪(5)，刀具(6)安装在测力仪(5)上，第三传感器(19)和第四传感器(20)分别安装在刀具(6)切削刃末端的底面和侧面，所述第一传感器(2)、第二传感器(18)、第三传感器(19)、第四传感器(20)以及所述测力仪(5)连接有动态信号采集分析系统。
2.根据权利要求1所述的用于测试车削大螺距外螺纹刀具振动作用下的瞬态切削力的实验装置，其特征在于：三爪卡盘(3)安装在卧式车床主轴箱(1)的主轴上，车床主轴箱(1)的主轴一侧平行安装有轴向运动导轨(16)，溜板箱(15)滑动安装在轴向运动导轨(16)上，溜板箱(15)上端安装有中滑板(14)，转盘(13)安装在中滑板(14)上，转盘(13)上端设有小滑板(12)，小滑板(12)上固定安装有方刀架旋转轴(21)，夹具体(8)一端通过套筒(9)、轴套(11)和螺母(10)安装在方刀架旋转轴(21)上，另一端的上端面安装有测力仪(5)，刀具(6)通过L型压板(7)固定在测力仪(5)上，大螺距外螺纹工件(4)的左端固定在三爪卡盘(3)上，右端通过加长活顶尖(17)定位。
3.根据权利要求1所述的用于测试车削大螺距外螺纹刀具振动作用下的瞬态切削力的实验装置，其特征在于：所述夹具体(8)设有上下两个阶梯台，下阶梯台的上表面为第一定位面(801)，上阶梯台的下表面为第二定位面(802)，第一定位面(801)与第二定位面(802)相平行，连接上阶梯台与下阶梯台且垂直于第二定位面的右侧壁为第三定位面(803)，上阶梯台上开有贯穿的通孔(804)，下阶梯台上设有4个第一螺纹孔(805)。
4.根据权利要求2所述的用于测试车削大螺距外螺纹刀具振动作用下的瞬态切削力的实验装置，其特征在于：所述L形压板(7)的左端上表面开有两个第二螺纹孔(701)，L形压板(7)的右端侧壁开有3个阶梯通孔(702)。
5.根据权利要求1所述的用于测试车削大螺距外螺纹刀具振动作用下的瞬态切削力的实验装置，其特征在于：所述第一传感器(2)、第二传感器(18)、第三传感器(19)、第四传感器(20)均为振动加速度传感器。
6.根据权利要求5所述的用于测试车削大螺距外螺纹刀具振动作用下的瞬态切削力的实验装置，其特征在于：所述刀具(6)为螺纹车刀，且设有左切削刃、顶刃和右切削刃，左切削刃和右切削刃对称设置。
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