CN109129015A - 一种用于超声振动车削的切削力测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于超声振动车削的切削力测量系统，包括超声振动机构、专用夹具、测力机构、普通车床，专用夹具包括底座部分及夹具部分，测力机构包括通过信号线依次连接的测力仪、电荷放大器、数据采集系统、数据分析系统、计算机，测力仪与普通车床通过底座部分连接，测力仪与超声振动机构通过夹具部分连接。本发明具有结构安装方便，拆卸简单容易，经济成本低等特点。在利用该系统进行超声振动车削加工时，可以克服传统车削技术的不足，有效改善加工质量，提高加工效率。

Description

一种用于超声振动车削的切削力测量系统

技术领域

本发明属于机械加工技术领域，具体涉及一种用于超声振动车削的切削力测量系统。该系统用在CA6140型普通车床上，它不仅能够进行超声振动车削加工，而且还能够同时测量出加工过程中的切削力。另外，在不需要使用超声加工的情况下，该系统也可以进行普通车削加工，并可测量出普通车削的切削力。

背景技术

随着生产发展和科学试验的需要，汽车、船舶、宇航等机械制造行业对各种尖端产品和精密机械零件的加工质量及加工精度的要求越来越高。同时，新型材料不断出现，各种难加工材料在机械制造中日益被广泛的地采用。另外，工件形状越来越复杂，产品需求量越来越大，表面粗糙度、切削力、刀具磨损以及某些特殊要求也越来越高。鉴于以上这些原因，对机械加工技术提出了更高的要求，传统的机械加工技术己经难以满足其加工要求。超声加工技术就是在这种条件下提出，并开展研究。车削加工是机械制造业中最基本、最常见、最广泛的一种工艺方法，在生产中占有十分重要的地位。由于车削加工的广泛使用促进了不少科研机构和生产加工部门对其进行深入的研究，同时也推动了超声振动车削的发展。

切削力是超声振动车削过程中重要的物理现象，它直接影响着切屑形成、工件变形、尺寸精度和加工系统的稳定性等。研究切削力的相关规律，对于分析超声振动车削加工过程和指导现实应用具有重要的意义，并且有助于进一步弄清超声振动车削机理，同时对寻找工艺参数优化组合非常重要，便于有效地控制超声振动参数与切削参数之间的相互关系，最终实现优质高效加工。切削力需要在车削过程中进行实时测量，所以有必要研制一种用于超声振动车削的切削力测量系统。

发明内容

针对现有技术存在的问题，适应现实需要，本发明提供一种用于超声振动车削的切削力测量系统，该系统用在CA6140型普通车床上，它不仅能够进行超声振动车削加工，而且还能够同时测量出加工过程中的切削力。另外，在不需要使用超声加工的情况下，该系统也可以进行普通车削加工，并可测量出普通车削的切削力。可根据实际情况应用该系统的不同功能，使用方便灵活，同时该系统还具有结构安装方便，拆卸简单容易，经济成本低等特点。在利用该系统进行超声振动车削加工时，可以克服传统车削技术的不足，有效改善加工质量，提高加工效率。

本发明通过以下技术方案加以实现：

所述的一种用于超声振动车削的切削力测量系统，其特征在于包括超声振动机构、专用夹具、测力机构、普通车床，所述专用夹具包括底座部分及夹具部分，所述测力机构包括通过信号线依次连接的测力仪、电荷放大器、数据采集系统、数据分析系统、计算机，所述测力仪与普通车床通过底座部分连接，测力仪与超声振动机构通过夹具部分连接。

所述的一种用于超声振动车削的切削力测量系统，其特征在于所述超声振动机构包括超声发生器、超声换能器、超声变幅杆、刀具系统，所述超声发生器与超声换能器之间通过信号线连接到一起，超声换能器和超声变幅杆之间通过双头螺柱紧固到一起，所述刀具系统由刀杆和刀具组成，在刀杆靠近刀具的位移节点处加工有通孔，在该通孔处通过专用螺杆将超声变幅杆和刀具系统紧固到一起，在超声变幅杆的位移节点处设有法兰。

所述的一种用于超声振动车削的切削力测量系统，其特征在于所述底座部分包括连接板、固定压块、紧固螺栓，所述夹具部分包括刀架、微调预紧螺栓、支撑竖板、下固定压板、上固定压板、后支撑肋板、前支撑肋板、短内六角螺钉、长内六角螺钉，所述测力仪通过固定压块及紧固螺栓与连接板连接，所述连接板固定设置在机床溜板上，所述刀架固定设置在测力仪上并用短内六角螺钉进行紧固，刀架内设置刀杆，并用微调预紧螺栓固定，所述前支撑肋板、后支撑肋板通过支撑竖板一起固定于刀架上，三者均通过短内六角螺钉进行紧固，所述前支撑肋板与下固定压板之间通过短内六角螺钉连接，所述下固定压板和上固定压板之间通过长内六角螺钉连接，各长内六角螺钉之间形成的空间用于固定法兰。

所述的一种用于超声振动车削的切削力测量系统，其特征在于测力仪采用三向测力仪，主要由四组压电传感器组成，其中每组压电传感器又包括三组石英压电应变片，用于测量X、Y、Z三个反向上的力。

所述的一种用于超声振动车削的切削力测量系统，其特征在于所述刀具的刀尖高度低于工件旋转中心一个振幅值。

所述的一种用于超声振动车削的切削力测量系统，其特征在于所述超声变幅杆和超声换能器的中心轴线与车床水平面垂直。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

1）本发明可进行普通车削加工和超声振动车削加工，而且可以实时测量加工过程的切削力情况，可根据实际情况应用其不同的功能，使用方便灵活；

2）本发明在普通车床的基础上搭建超声振动车削加工系统，工艺简便，容易实现，且成本低。同时，该系统还具有结构安装方便，拆卸简单容易的特点；

3）本发明解决难加工材料加工难的问题，实现加工过程的高质、高效及低损伤，有利于超声加工技术的推广应用，也有助于难加工材料在工业领域的推广使用。

4）本发明与普通车削相比，在中低速的情况下进行半精加工或精加工时，能够改善动态切削稳定性，降低表面粗糙度和切削力，获得较好的已加工表面形貌和切屑形态，减轻刀具磨损程度，提高刀具使用寿命。

附图说明

图1为本发明的用于超声振动车削的切削力测量系统主体部分的结构示意图；

图2为图1所示的切削力测量系统主体部分与普通车床整体装配示意图；

图3为图1所示的切削力测量系统中超声振动机构主体部分的结构示意图；

图4为图1所示的切削力测量系统中专用夹具主体部分的结构示意图；

图5为本发明的用于超声振动车削的切削力测量系统的结构简图；

图6为图5所示的切削力测量系统中测力机构的工作原理图；

图中：1-连接板，2-测力仪，3-刀杆，4-刀架，5-微调预紧螺栓，6-后支撑肋板，7-支撑竖板，8-下固定压板，9-上固定压板，10-超声变幅杆，11-超声换能器，12-固定压块，13-紧固螺栓，14-专用螺杆，15-刀具，16-前支撑肋板，17-短内六角螺钉，18-长内六角螺钉，19-法兰，20-机床主轴，21-机床溜板，22-工件，23-超声发生器，24-电荷放大器，25-数据采集系统，26-计算机。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明做进一步详细说明，并给出具体实施方式。

如图1-5所示，本发明用于超声振动车削的切削力测量系统，包括超声振动机构、专用夹具、测力机构、普通车床。通过专用夹具将超声振动机构、测力机构、普通车床三者连接到一起。

超声振动机构包括超声发生器23、超声换能器11、超声变幅杆10、刀具系统。其中，刀具系统主要由刀杆3和刀具15组成。超声振动机构的主要作用是在加工的过程中使刀具15的刀尖处获得一定振幅的超声振动作用于工件22表面，进而实现超声振动车削加工。超声发生器23和超声换能器11通过信号线连接到一起，超声换能器11和超声变幅杆10通过双头螺柱紧固到一起。在刀杆3靠近刀具15的位移节点处加工有通孔，在该通孔处通过专用螺杆14将超声变幅杆10和刀具系统紧固到一起。在超声变幅杆10的位移节点处设有法兰19，为避免超声振动的能量损失，整个超声振动机构只能通过法兰19与其它机构固定。本发明中利用专用夹具固定法兰19，实现了超声振动机构与普通车床的有效连接。

专用夹具主要由两个部分构成，第一部分是能够使测力仪2和机床溜板21固定到一起的底座部分，底座部分包括连接板1，固定压块12，紧固螺栓13；第二部分是能够使测力仪2和超声振动机构固定到一起的夹具部分，夹具部分包括刀架4，微调预紧螺栓5，支撑竖板7，下固定压板8，上固定压板9，后支撑肋板6，前支撑肋板16，短内六角螺钉17，长内六角螺钉18。利用专用夹具的底座部分以及夹具部分固定测力仪2，利用专用夹具的夹具部分固定超声振动机构。整个专用夹具通过连接板1与机床溜板21相连。测力仪2直接固定到连接板1上，并通过固定压块12和紧固螺栓13进行紧固。刀架4直接固定到测力仪2上，并通过短内六角螺钉17进行紧固。通过支撑竖板7将前支撑肋板16与后支撑肋板6连接到一起并固定于刀架4上，它们之间利用短内六角螺钉17进行紧固。前支撑肋板16和下固定压板8通过短内六角螺钉17紧固到一起，下固定压板8和上固定压板9用长内六角螺钉18相连，用于固定法兰19。刀杆3放于刀架4之内，并利用微调预紧螺栓5固定，同时可利用微调预紧螺栓5微调刀杆3的高度，保证刀具15的刀尖高度低于工件22旋转中心即机床主轴20旋转中心一个振幅值，这样就可以实现当对刀具15施加超声振动时刀尖正好处于工件22的旋转中心处。

测力机构包括测力仪2，电荷放大器24，数据采集系统25，数据分析系统，计算机26，它们之间通过信号线进行连接。测力仪2是测力机构的重要组成部分，它的大小和形状是固定的，需要用专门的夹具固定到需要测力的地方。测力仪2采用三向测力仪，主要由四组压电传感器组成，其中每组压电传感器又包括三组石英压电应变片，可以测量X、Y和Z三个方向上的力。当压电传感器在某一个方向上受到力的作用时，另外两个方向也同时会受到一定大小的剪切力作用。依照压电应变片原理，在压电晶体受到应变的时候会把受力信号转变成电信号。测力仪2将在三个方向上受到的切削分力Fc（即Fz）、Fp（即Fy）以及Ff（即Fx）转化为电压信号（即电荷信号）并传入到电荷放大器24中，通过电荷放大器24将电压信号进行滤波、放大、平滑和去噪后转化为模拟电信号，数据采集系统25将电荷放大器24输出的模拟信号转换成数字信号并输入到计算机26中，最后经过数据分析系统的分析处理便可在显示器中显示出切削扭矩和切削力的时域图。

普通车床采用CA6140型车床，去掉该车床的刀架部分，即机床溜板21上方的部分，置换成本发明的用于超声振动车削的切削力测量系统。

本发明专用夹具可以很好的将超声振动机构和测力仪2紧固到机床上，以满足振动加工和测力的需求。对于切削力测量系统的整体安装，首先安装专用夹具的底座部分和测力仪2，把连接板1固定到机床溜板21上后，再将测力仪2固定到连接板1上。其次安装专用夹具的夹具部分和刀杆3，为避免刀具15受力不均刀杆3必须垂直安装，同时采用薄垫片来辅助微调刀具15刀尖的高度，并利用微调预紧螺栓5将刀杆3进行固定，以提高整个加工系统的刚度。之后依次安装超声变幅杆10和超声换能器11，并连接好超声发生器23和超声换能器11的信号线，为保证刀具15的高频振动方向与主切削力方向一致，安装中应保证超声振动机构主体部分的中心轴线与车床水平面垂直。然后再将电荷放大器24、数据采集系统25、计算机26通过信号线连接到一起，并通过数据分析系统来进行切削力的相关设置。最后接通超声发生器23的电源，并调整好超声振幅后便可进行超声振动车削加工。在车削加工的过程中，观察计算机屏幕，通过数据分析系统便可实时监测切削力的变化情况。

本发明测力仪2采用瑞士奇石乐仪器公司生产的Kistler 9257B型石英压电式三向测力仪，电荷放大器24采用Kistler 5070A型多通道放大器，数据采集系统25采用Kistler 5697A型USB高速多功能采集系统，数据分析系统采用Kistler 2825A型DynoWare软件。Kistler 9257B型测力仪主要由四组压电传感器组成。其中，每组压电传感器又包括三组石英压电应变片。它属于三向测力仪，可以测量X、Y和Z三个方向上的力。当压电传感器在某一个方向上受到力的作用时，另外两个方向也同时会受到一定大小的剪切力作用。依照压电应变片原理，在压电晶体受到应变的时候会把受力信号转变成电信号。

本发明在CA6140型普通车床上加工304奥氏体不锈钢，属于难加工材料的一种，选择对超声振动车削加工相对较有利的刀具角度，其刀具型号为CCMT120404-HM YBM251，属于硬质合金涂层刀具。借助美国必能信超声公司生产的2000bdc型超声发生器给刀具在纵向上施加高频、小振幅的超声振动。

切削力测量系统中超声振动机构首先借助超声发生器23转换220 V或380 V的交流电为20 kHz超声频率的电振荡信号，然后利用超声换能器11形成同频率的机械振动，之后再利用超声变幅杆10放大该振动的振幅，使其在刀具15的端部产生10-30μm的机械振动幅值，并作用于工件22表面，最后结合CA6140型普通车床的旋转及进给运动来实现超声振动车削加工。若进行普通车削加工，只要关掉超声发生器23即可。

切削力测量系统中测力机构的工作原理如图6所示，测力仪2将在三个方向上受到的切削分力Fc（即Fz）、Fp（即Fy）以及Ff（即Fx）转化为电压信号（即电荷信号）并传入到电荷放大器24中，通过电荷放大器24将电压信号进行滤波、放大、平滑和去噪后转化为模拟电信号，数据采集系统25将电荷放大器24输出的模拟信号转换成数字信号并输入到计算机26中，最后经过数据分析系统的分析处理便可在显示器中显示出切削扭矩和切削力的时域图，进而得到切削分力Fc、Fp、Ff。

利用该系统可以进行有、无超声振动的车削加工，同时可以测量出超声振动车削和普通车削加工中的主切削力Fc、切深抗力Fp和进给抗力Ff。

Claims (6)

1.一种用于超声振动车削的切削力测量系统，其特征在于包括超声振动机构、专用夹具、测力机构、普通车床，所述专用夹具包括底座部分及夹具部分，所述测力机构包括通过信号线依次连接的测力仪（2）、电荷放大器（24）、数据采集系统（25）、数据分析系统、计算机（26），所述测力仪（2）与普通车床通过底座部分连接，测力仪（2）与超声振动机构通过夹具部分连接。

2.如权利要求1所述的一种用于超声振动车削的切削力测量系统，其特征在于所述超声振动机构包括超声发生器（23）、超声换能器（11）、超声变幅杆（10）、刀具系统，所述超声发生器（23）与超声换能器（11）之间通过信号线连接到一起，超声换能器（11）和超声变幅杆（10）之间通过双头螺柱紧固到一起，所述刀具系统由刀杆（3）和刀具（15）组成，在刀杆（3）靠近刀具（15）的位移节点处加工有通孔，在该通孔处通过专用螺杆（14）将超声变幅杆（10）和刀具系统紧固到一起，在超声变幅杆（10）的位移节点处设有法兰（19）。

3.如权利要求1所述的一种用于超声振动车削的切削力测量系统，其特征在于所述底座部分包括连接板（1）、固定压块（12）、紧固螺栓（13），所述夹具部分包括刀架（4）、微调预紧螺栓（5）、支撑竖板（7）、下固定压板（8）、上固定压板（9）、后支撑肋板（6）、前支撑肋板（16）、短内六角螺钉（17）、长内六角螺钉（18），所述测力仪（2）通过固定压块（12）及紧固螺栓（13）与连接板（1）连接，所述连接板（1）固定设置在机床溜板（21）上，所述刀架（4）固定设置在测力仪（2）上并用短内六角螺钉（17）进行紧固，刀架（4）内设置刀杆（3），并用微调预紧螺栓（5）固定，所述前支撑肋板（16）、后支撑肋板（6）通过支撑竖板（7）一起固定于刀架（4）上，三者均通过短内六角螺钉（17）进行紧固，所述前支撑肋板（16）与下固定压板（8）之间通过短内六角螺钉（17）连接，所述下固定压板（8）和上固定压板（9）之间通过长内六角螺钉（18）连接，各长内六角螺钉（18）之间形成的空间用于固定法兰（19）。

4.如权利要求1所述的一种用于超声振动车削的切削力测量系统，其特征在于测力仪（2）采用三向测力仪，主要由四组压电传感器组成，其中每组压电传感器又包括三组石英压电应变片，用于测量X、Y、Z三个反向上的力。

5.如权利要求2所述的一种用于超声振动车削的切削力测量系统，其特征在于所述刀具（15）的刀尖高度低于工件（22）旋转中心一个振幅值。

6.如权利要求2所述的一种用于超声振动车削的切削力测量系统，其特征在于所述超声变幅杆（10）和超声换能器（11）的中心轴线与车床水平面垂直。