CN110202412A - 一种重型立式车床测力仪装夹装置及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种重型立式车床测力仪装夹装置及其设计方法，解决了测力仪在立式车床上无法直接安装的问题；采用至上而下的设计方式，依次设计了连接架、刀夹等零部件，各个零件通过螺栓、螺钉连接，节约了装配时间；设计方法主要包括结构设计、可行性分析、CAD、CAE、强度校验以及CAM几个步骤，相对于传统设计方法缩短了设计时间、降低了设计成本；该设计方法适用于不同型号的立式车床，所设计的装置稳定可靠，由于车刀与测力仪直接接触，车削力测量更加准确、误差小。
Description
技术领域
本发明涉及机械设计制造行业，具体涉及一种重型立式车床测力仪装夹装置及其设计方法。
背景技术
在切削加工中，由于切削力的大小会影响工艺系统强度、刚度和被加工工件表面质量，故对切削力的监控就显得尤为重要。在重型车削加工中，通常其进给量为1～2mm/r，车削速度为15～20m/min(精加工时，可达40～60m/min)，切削深度可达50mm，这势必会产生极大的切削力，而常见的测力仪又无法在立式车床上直接安装，如果采用已有的间接测力装置来测量其车削力，所测得的数据必然存在很大的误差。
发明内容
为解决在重型立式车床上无法直接测量切削力的问题，本发明提供一种重型立式车床测力仪装夹装置及其设计方法，这种方法设计过程简单可靠,设计所需时间较短，所设计的产品结构安排合理、易于零部件的加工和装配，且装置的测量精度高。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案如下。
第一步，结构设计：采用自上而下的设计方式，整体包括连接架、测力仪和刀夹；所述连接架上端有一个与底面垂直的夹持块，两侧各有一个挡板，下端有对称分布的4个带榫沉头螺栓孔；所述测力仪通过螺栓与所述连接架连接固定；所述刀夹底面分布有4个U型口，通过螺钉与所述测力仪连接固定；所述刀夹侧面均匀分布着3个螺纹孔，车刀安装在刀夹的刀槽内。
第二步，可行性分析：对所设计结构的工作原理、结构的刚度以及设计的合理性进行分析，分析其在保持稳定的状态下是否能够达到测力的目的。
第三步，模型的建立及有限元分析计算：将所设计的结构进行CAD建模并进行有限元仿真分析计算，找出其不合理和需加强的部分。
第四步，零部件的强度计算：针对仿真分析的结果对装置的部分零件进行强度计算，找出合理的几何尺寸。
第五步，根据计算的结果对装置的结构进行优化，并重新进行建模和有限元仿真校核，若至此还未达到所需要求，需要再次进行结构优化直到满足要求为止。
最后，根据优化后的图纸加工零件再进行装配即可。
本发明包括以下几个有益效果。
1.本发明采用自上而下的设计方式，先设计与机床相连接的部分，确定了装置的基本尺寸，便于后续的零件设计。
2.本发明采用CAD/CAE/CAM的设计模式，降低了设计成本，缩短了设计时间，提高了设计效率。
3.本发明所设计的结构简单可靠，采用螺栓、螺钉完成定位夹紧，安装方便快捷，定位精度高。
4.本发明所设计的装置由于车刀与测力仪直接接触，车削力测量更加准确、误差小；刀夹能分别在两端装夹刀具，可根据实际需要选择车刀的装夹方向。
5.本发明具有通用性，针对不同型号的机床只需根据其刀架尺寸改变连接架的夹持块的长度即可。
附图说明
图1为本发明的设计流程图。
图2为本发明的零件爆炸图。
图3为本发明的零件装配图。
图4为本发明连接架的结构示意图。
图5为本发明刀夹的结构示意图。
图6为本发明的仿真结果图(上视图)。
图7为本发明的仿真结果图(左视图)。
图8为本发明的仿真检验图。
具体实施方式
本发明提供了一种重型立式车床测力仪装夹装置及其设计方法，下面结合附图对本发明做进一步的详细说明(设计流程如图1所示)。
第一步，结构设计：采用自上而下的设计方式，包括连接架(1)、测力仪(2)、刀夹(3)，如图2～5；所述连接架(1)上端的夹持块置于立式车床刀架的刀槽中，通过连接架(1)左右两端的挡板和下端的固定板定位后，利用立式车床刀架上的螺钉夹紧固定；所述测力仪(2)通过带榫沉头螺栓(7)完成与连接架(1)连接固定；所述刀夹(3)通过螺钉(6)完成与测力仪(2)的定位夹紧；所示车刀(4)置于刀夹(3)的刀槽处，通过螺栓(5)完成定位夹紧，可根据实际加工情况的需要，选择车刀刀头的朝向。
第二步，可行性分析：所述连接架(1)两侧的梯形挡板可有效提高装置的刚度；在进行切削加工时，由于车刀(4)和测力仪(2)是直接接触的，车刀(4)受到的切削力可直接传递给测力仪(2)的感应面，后经过测力仪(2)进行处理后完成对切削力的实时显示。
第三步，CAD建模及有限元分析计算：以某机床为例，根据其刀架尺寸确定连接架的尺寸，再由测力仪尺寸确定刀夹螺纹孔的开口位置，然后建立模型；在模型建立之后，对其进行有限元分析计算，其结果如图6、图7所示，可以发现装置在连接架的左右两端的挡板、连接板以及刀夹变形最为严重。
第四步，零部件的强度计算：装置零件的材料为45#钢，硬质合金车刀进行车削时，在加工结构钢、铸钢时的切削力最大，此时车削力根据一般情况下重型车削时的切削参数，取其极限值计算得出切削力约等于20000N；由计算得出即装置的各个零部件的厚度应选择为10mm；由与推导出故连接螺栓型号应选择M14；由于沉头螺栓的强度比普通螺栓的强度高，还能避免干涉，并且为了预防螺栓松动，故选择沉头带榫螺栓；为提高整体结构的刚度，根据机床刀架型号适当增加夹持块的高度。
第五步，根据计算的结果优化结构，并重新进行建模和有限元仿真校核，仿真结果如图8所示；此时装置的最大变形量为0.1219mm，小于行业所公认的0.2mm，故该装置稳定可靠；需要提出的是，如果至此还未达到所需要求，需要再次进行有限元仿真及结构优化直到满足要求为止。
最后，根据优化后的图纸加工零件再进行装配即可。
Claims (6)
1.一种重型立式车床测力仪装夹装置及其设计方法，其测力仪装夹装置的特征在于，包括连接架（1）、测力仪（2）、刀夹（3）；所述连接架（1）的夹持块置于立式车床刀架的刀槽中，通过连接架（1）左右两侧的挡板和下端的固定板定位后，利用立式车床刀架上的螺钉夹紧固定；所述测力仪（2）通过沉头带榫螺栓（7）完成与连接架（1）的连接固定；所述刀夹（3）通过螺钉（6）完成与测力仪（2）的定位夹紧；所示车刀（4）置于刀夹（3）的刀槽中，通过螺栓（5）完成定位夹紧。
2.根据权利要求1所述的重型立式车床测力仪装夹装置及其设计方法，其测力仪装夹装置的特征还在于：所述连接架（1）下端的固定板上对称分布有4个带榫沉头螺栓孔，两侧各有一个梯形挡板。
3.根据权利要求1所述的重型立式车床测力仪装夹装置及其设计方法，其测力仪装夹装置的特征还在于：所述刀夹（3）底部两侧各有两个U型通口，刀槽一侧均匀分布三个螺纹孔。
4.一种重型立式车床测力仪装夹装置及其设计方法，其设计方法的特征在于：其设计步骤如下：
第一步，至上而下的对装置的结构进行设计，包括与机床连接部分和刀具装夹部分的设计以及各个部分的装配连接设计；
第二步，对装置的可行性进行分析，即是否能够达到测力的目的以及测力是否准确；
第三步，建立CAD模型并进行有限元仿真，找出装置结构的不合理之处，然后进行计算、优化；
第四步，对优化过后的模型进行仿真校验，如果校验结果不满足要求需重复第三步；
第五步，对装置的各个零件进行计算机辅助制造，导出NC代码；将导出的NC代码导入数控机床，完成零件的加工，最后进行装配。
5.根据权利要求4所述的重型立式车床测力仪装夹装置及其设计方法，其设计方法的特征还在于：在进行有限元分析计算时，固定连接架（1）的夹持块，在刀夹（3）的侧面施加一个由计算所得的大小为20000N的力，然后根据装置在各处的应变大小以及变形量判断该处是否需要优化和加强。
6.根据权利要求4所述的重型立式车床测力仪装夹装置及其设计方法，其设计方法的特征还在于：在进行有限元仿真校验时，其方法是在优化过后的模型的车刀刀尖施加一个由计算所得的大小为20000N的力，观察装置特别是刀尖的变形量，当刀尖的最大变形量小于0.2mm时则满足强度要求。
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