CN108363856B - 一种刀杆疲劳变形加速试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种刀杆疲劳变形加速试验方法，其内容包括：据刀齿数确定刀杆在切削过程中的疲劳变形轴数，采用单轴向依次振动的等效试验方法，将刀杆在实际切削过程中承受的动态载荷等效为静态载荷；计算刀杆实际受载频率；在CAD中建立刀杆模型，并将该刀杆模型导入有限元软件ANSYS中，分析在保证刀杆失效机理不变的情况下能够施加的最大载荷，分析刀杆的模态，确定加速试验时施加载荷的大小及频率的高低；选择加载装置和检测装置；搭建超高频试验机平台进行试验，确定的检测装置在位检测刀杆变形情况，记录和分析检测数据；建立疲劳变形加速模型，绘制刀杆疲劳变形SN曲线。

Description

一种刀杆疲劳变形加速试验方法
技术领域
本发明属于刀具疲劳寿命研究领域，涉及一种刀杆疲劳变形加速试验方法。
背景技术
刀具作为金属切削加工的必备要素，广泛应用于现代机械制造领域。作为机床实现切削加工的直接执行者，刀具经常在高频、高速、高温、冲击等恶劣工况下连续工作数小时，导致刀杆在切削过程中发生疲劳变形失效，无法满足切削精度。针对该问题，对刀杆进行疲劳试验研究，获取刀杆的变形寿命曲线，可以准确的预估刀杆正常工作时间，有效降低刀杆疲劳变形失效造成零件加工误差而产生的经济损失。传统的疲劳试验能够得到刀杆变形和寿命间的关系，但由于刀杆失效时间较长，以模拟正常工况进行疲劳试验需要耗费较大的人力物力和较长的时间。通过疲劳变形加速试验可以缩短试验时间，但是刀杆的工作频率较高，目前市面上疲劳试验机的极限频率普遍低于200HZ，无法达到加速试验中高频率的要求。考虑到试验成本，有必要设计一种新的刀杆疲劳变形加速试验方案和对应的加速试验装置，以便加速获取刀杆变形寿命曲线，为刀具切削过程中寿命的预测提供有效参考。
发明内容
本发明的目的在于克服刀杆疲劳试验周期长、普通疲劳试验机频率过低无法满足加速试验等问题，提供一种刀杆疲劳变形加速试验方法，该方法可操作性强、成本低，通过模块化的疲劳变形加速试验平台可有效获取刀杆变形寿命曲线，预测刀杆失效时间。
为了解决上述存在的问题实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种刀杆疲劳变形加速试验方法，该方法内容包括如下步骤：
(1)根据刀齿数确定刀杆在切削过程中的疲劳变形轴数，采用单轴向依次振动的等效试验方法，将多轴试验问题简化成单轴试验问题；此时，刀杆切削工况可简化为一根悬臂圆柱光杆，顶部固定，底部承受动态切削力；
(2)将刀杆在实际切削过程中承受的动态载荷等效为静态载荷；
(3)计算刀杆实际受载频率；假设刀杆上装夹X个刀齿，将刀杆正常切削时旋转一周的X个载荷周期简化为弯曲变形的1个载荷周期，即刀杆失效简化为弯曲疲劳变形失效，根据式(1)计算出刀杆在正常工况下的受载频率，
f ＝(n*X)/60 (1)
其中n为刀杆工常工作时的转速；X为刀杆上的刀齿数；
(4)在CAD中建立刀杆模型，并将该刀杆模型导入有限元软件ANSYS中，分析在保证刀杆失效机理不变的情况下能够施加的最大载荷，分析刀杆的模态，以防止加速试验中产生共振，仿真分析刀杆在等效工况后的寿命，并与实际工况寿命进行对比；
(5)根据步骤(4)的最大载荷和模态仿真分析结果确定加速试验时施加载荷的大小及频率的高低；
(6)依据步骤(5)确定的载荷大小和频率高低，选择加载制动器作为加载装置；依据刀杆在失效时的疲劳变形量，选择用于检测刀杆疲劳变形量的位移传感器作为检测装置；
(7)依据刀杆模型及步骤(6)确定的加载装置和检测装置，搭建超高频试验机平台；为了确保刀杆变形测量精度和节省成本，所述平台以模块化形式搭建在机床床身上；
(8)依据步骤(5)确定的载荷大小和频率高低，在步骤(7)搭建的试验机平台上进行试验，采用步骤(6)确定的检测装置在位检测刀杆变形情况，并记录检测数据；
(9)分析步骤(8)中的检测数据，建立疲劳变形加速模型，绘制刀杆疲劳变形SN曲线。
由于采用上述技术方案，本发明提供的一种刀杆疲劳变形加速试验方法与现有技术相比具有这样的有益效果：
本发明以加速疲劳试验模型为基础，等效并简化刀杆受载方式，以模块化形式搭建满足试验要求的超高频疲劳试验平台，在不改变刀杆失效规律的情况下实现采用加大载荷力和受载频率的方式加快刀杆变形失效，可有效获取刀杆变形寿命曲线，为刀具切削过程中寿命的预测提供有效参考。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为实施例的刀杆受力示意图；
图3(a)为刀杆在4400N极限静载荷下的位移分布云图，图3(b)为刀杆在4400N极限静载荷下应力分布云图；
图4为刀杆的1阶振型分析图；
图5为载荷1000N时刀杆疲劳寿命分析图；
图6为刀杆疲劳变形加速试验平台简图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步说明：
本发明提供一种刀杆疲劳变形加速试验方法，其流程图如图1所示。首先分析刀杆实际工况下的载荷大小和频率；其次通过仿真分析确定在不改变刀杆失效规律时能承受的最大载荷和受载频率；最后选择合适的加载方式，达到加速试验的目的。
实施例
以刀杆工作转速2000r/min、切削力600-1000N，材料为40CrNiMo的圆柱形刀杆为例，介绍本方法的具体实施步骤。
(1)根据刀杆上刀齿数确定在切削过程中刀杆的疲劳变形轴数，采用单轴向依次振动的等效试验方法，将多轴试验简化成单轴试验问题。此时，刀杆可简化为一根悬臂圆柱光杆，顶部固定，底部承受动态切削力，如图2所示；其基本参数为长120mm，直径20mm；
(2)将刀杆在实际切削过程中承受的动态载荷简化为静态载荷。已知刀杆在切削过程中切削力在600-1000N范围内，分析时取1000N作为静态载荷；
(3)计算刀杆实际受载频率。假设刀杆上装夹6个刀齿，将正常切削时旋转一周的6个载荷周期简化为弯曲变形的1个载荷周期，即刀杆失效简化为弯曲疲劳变形失效，根据式(2)计算出刀杆正常工况下的受载频率为200HZ左右；
f＝nX/60 (2)
其中n为刀杆工常工作时的转速；X为刀杆上的刀齿数；
(4)在CAD中建立刀杆模型，并将该刀杆模型导入有限元软件ANSYS中，分析刀杆的静强度、模态及寿命。当对刀杆施加4400N静载荷时，刀杆达到材料的屈服强度，得到如图3(a)所示的位移分布云图和如图3中(b)所示的应力分布云图，其最大应力为785.8MPa，最大位移为0.76mm；刀杆的1阶固有频率为1426.4HZ，如图4所示；仿真分析刀杆在步骤(2)中等效载荷为1000N静态载荷的寿命，如图5所示，结果表明与实际工况寿命一致，载荷等效有效；
(5)根据步骤(4)的仿真分析结果确定加速试验时施加载荷的大小及频率的高低，由步骤(4)知刀杆可施加的最大载荷为4400N。因此，在加速试验中，为了不破坏刀杆的失效模式，力的加载控制在1000-3000N之间，拟选用1100N、1300N、1500N、1700N四组载荷进行试验。由步骤(3)可知，刀杆正常工作时频率在200HZ左右，由步骤(4)仿真分析结果知一阶模态为1426HZ，因此加速试验的加载频率控制在200-1400HZ之间；
(6)依据步骤(5)确定的载荷大小和频率范围，本实施例加载装置选用压电陶瓷制动器加载；依据刀杆在实际工作失效时的疲劳变形量为7-10um，检测装置选用电涡流位移传感器检测刀杆疲劳变形量；
(7)依据刀杆模型及步骤(6)确定的加载装置、检测装置，搭建超高频试验机平台如图6所示。该平台包括夹持模块1、加载模块2和检测模块3，为了确保刀杆变形测量精度和节省成本，所述平台以模块化形式搭建在机床床身上；
(8)依据步骤(5)确定的载荷大小和频率，在步骤(7)搭建的试验台上进行试验，采用步骤(6)确定的电涡流位移传感器在位检测刀杆变形量，并记录检测数据；
(9)分析步骤(8)中的检测数据，建立疲劳变形加速模型，绘制刀杆疲劳变形SN曲线。

Claims (2)

1.一种刀杆疲劳变形加速试验方法，其特征在于：该方法内容包括如下步骤：
(1)根据刀齿数确定刀杆在切削过程中的疲劳变形轴数，采用单轴向依次振动的等效试验方法，将多轴试验问题简化成单轴试验问题；此时，刀杆切削工况可简化为一根悬臂圆柱光杆，顶部固定，底部承受动态切削力；
(2)将刀杆在实际切削过程中承受的动态载荷等效为静态载荷；
(3)计算刀杆实际受载频率；假设刀杆上装夹X个刀齿，将刀杆正常切削时旋转一周的X个载荷周期简化为弯曲变形的1个载荷周期，即刀杆失效简化为弯曲疲劳变形失效，根据式(1)计算出刀杆在正常工况下的受载频率，
f＝(n*X)/60 (1)
其中n为刀杆工常工作时的转速；X为刀杆上的刀齿数；
(4)在CAD中建立刀杆模型，并将该刀杆模型导入有限元软件ANSYS中，分析在保证刀杆失效机理不变的情况下能够施加的最大载荷，分析刀杆的模态，以防止加速试验中产生共振，仿真分析刀杆在等效工况后的寿命，并与实际工况寿命进行对比；
(5)根据步骤(4)的最大载荷和模态仿真分析结果确定加速试验时施加载荷的大小及频率的高低；
(6)依据步骤(5)确定的载荷大小和频率高低，选择加载制动器作为加载装置；依据刀杆在失效时的疲劳变形量，选择用于检测刀杆疲劳变形量的位移传感器作为检测装置；
(7)依据刀杆模型及步骤(6)确定的加载装置和检测装置，搭建超高频试验机平台；为了确保刀杆变形测量精度和节省成本，所述平台以模块化形式搭建在机床床身上；
(8)依据步骤(5)确定的载荷大小和频率高低，在步骤(7)搭建的试验机平台上进行试验，采用步骤(6)确定的检测装置在位检测刀杆变形情况，并记录检测数据；
(9)分析步骤(8)中的检测数据，建立疲劳变形加速模型，绘制刀杆疲劳变形SN曲线。
2.根据权利要求1所述的一种刀杆疲劳变形加速试验方法，其特征在于：在步骤(7)中，所述超高频试验机平台包括夹持模块、加载模块和检测模块；所述平台以模块化形式搭建在机床床身上。
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