CN112317785B - 一种具有插嵌紧定式敏感结构的车削力测量刀具系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及车削加工中的车削力测量技术，具体是一种具有插嵌紧定式敏感结构的车削力测量刀具系统。本发明解决了现有车削力测量技术测量精度低、适用范围受限、无法在同一刀具上实现多量程测量的问题。一种具有插嵌紧定式敏感结构的车削力测量刀具系统，包括车刀刀柄、车刀刀头、弹性方梁、四个工字形弹性基片、四对第I紧定螺钉、四对第II紧定螺钉、四个第I螺纹销、四个第II螺纹销、四个薄膜传感器、车刀刀垫、车刀刀片、沉头螺钉；其中，车刀刀柄的前端面四角各开设有一个第I方形缺口；车刀刀柄的前端面四边缘各开设有一道第I插嵌卡槽。本发明适用于各种场合（例如实验室、生产现场等）下的车削加工。

Description

一种具有插嵌紧定式敏感结构的车削力测量刀具系统

技术领域

本发明涉及车削加工中的车削力测量技术，具体是一种具有插嵌紧定式敏感结构的车削力测量刀具系统。

背景技术

在车削加工过程中，车削力直接影响着工艺系统的变形、刀具磨损、功率消耗以及切削热的产生。因此，车削力的测量对研究车削机理和指导实际车削加工具有十分重要的意义。在现有技术条件下，车削力的测量主要是采用安装在刀具上的应变式测力仪或压电式测力仪来实现的。然而，这两种测力仪由于自身结构和安装方式所限，存在如下问题：其一，应变式测力仪存在的问题是：由于电阻应变片粘贴工艺的局限性，一方面导致其测量精度低，另一方面导致其不适合在高温环境下使用，由此导致其适用范围受限。其二，压电式测力仪存在的问题是：由于压电晶体单向性不够，导致其测量三向力时存在相互干涉、测量静态力时具有滞后性，由此导致其测量精度低。其三，应变式测力仪和压电式测力仪共同存在的问题是：体积较大，由此导致其适用范围受限。其四，应变式测力仪和压电式测力仪共同存在的问题还包括：拆装过程过于繁琐，导致其无法实现量程更换，由此导致其无法在同一刀具上实现多量程测量。基于此，有必要发明一种具有插嵌紧定式敏感结构的车削力测量刀具系统，以解决现有车削力测量技术测量精度低、适用范围受限、无法在同一刀具上实现多量程测量的问题。

发明内容

本发明为了解决现有车削力测量技术测量精度低、适用范围受限、无法在同一刀具上实现多量程测量的问题，提供了一种具有插嵌紧定式敏感结构的车削力测量刀具系统。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种具有插嵌紧定式敏感结构的车削力测量刀具系统，包括车刀刀柄、车刀刀头、弹性方梁、四个工字形弹性基片、四对第I紧定螺钉、四对第II紧定螺钉、四个第I螺纹销、四个第II螺纹销、四个薄膜传感器、车刀刀垫、车刀刀片、沉头螺钉；

其中，车刀刀柄的前端面四角各开设有一个第I方形缺口；车刀刀柄的前端面四边缘各开设有一道第I插嵌卡槽；四个第I方形缺口和四道第I插嵌卡槽围绕车刀刀柄的中心线交错排列且连通为一体；四道第I插嵌卡槽的内侧壁中部各开设有一对相互对称的第I安装盲孔；四对第I安装盲孔均为盲螺孔；四道第I插嵌卡槽的外侧壁中部各开设有一对相互对称的第I安装通孔；四对第I安装通孔均为螺孔，且四对第I安装通孔与四对第I安装盲孔一一正对；四道第I插嵌卡槽的内侧壁一端各开设有一个第I定位盲孔；四个第I定位盲孔均为盲螺孔；四道第I插嵌卡槽的外侧壁一端各开设有一个第I定位通孔；四个第I定位通孔与四个第I定位盲孔一一正对；

车刀刀头的后端面四角各开设有一个第II方形缺口；车刀刀头的后端面四边缘各开设有一道第II插嵌卡槽；四个第II方形缺口和四道第II插嵌卡槽围绕车刀刀头的中心线交错排列且连通为一体；四道第II插嵌卡槽的内侧壁中部各开设有一对相互对称的第II安装盲孔；四对第II安装盲孔均为盲螺孔；四道第II插嵌卡槽的外侧壁中部各开设有一对相互对称的第II安装通孔；四对第II安装通孔均为螺孔，且四对第II安装通孔与四对第II安装盲孔一一正对；四道第II插嵌卡槽的内侧壁一端各开设有一个第II定位盲孔；四个第II定位盲孔均为盲螺孔；四道第II插嵌卡槽的外侧壁一端各开设有一个第II定位通孔；四个第II定位通孔与四个第II定位盲孔一一正对；

弹性方梁的后端面与车刀刀柄的前端面中央固定为一体；弹性方梁的前端面与车刀刀头的后端面中央固定为一体；

四个工字形弹性基片的后横向段一一对应地嵌设于四道第I插嵌卡槽内；四个工字形弹性基片的后横向段各开设有一对相互对称的第I穿孔，且四对第I穿孔与四对第I安装通孔一一正对；四个工字形弹性基片的前横向段一一对应地嵌设于四道第II插嵌卡槽内；四个工字形弹性基片的前横向段各开设有一对相互对称的第II穿孔，且四对第II穿孔与四对第II安装通孔一一正对；四个工字形弹性基片的纵向段内侧面与弹性方梁的四个侧面一一正对；

四对第I紧定螺钉一一对应地贯穿四对第I安装通孔和四对第I穿孔，且四对第I紧定螺钉的尾端一一对应地旋拧于四对第I安装盲孔内；四对第II紧定螺钉一一对应地贯穿四对第II安装通孔和四对第II穿孔，且四对第II紧定螺钉的尾端一一对应地旋拧于四对第II安装盲孔内；四个第I螺纹销一一对应地贯穿四个第I定位通孔，且四个第I螺纹销的尾端一一对应地旋拧于四个第I定位盲孔内；四个第II螺纹销一一对应地贯穿四个第II定位通孔，且四个第II螺纹销的尾端一一对应地旋拧于四个第II定位盲孔内；

四个薄膜传感器一一对应地磁控溅射沉积于四个工字形弹性基片的纵向段外侧面，且四个薄膜传感器通过导线共同连接构成惠斯通电桥电路；每个薄膜传感器均由四个对称分布的薄膜电阻栅组成；每个薄膜电阻栅的每根栅条的内侧面中部均刻蚀有一道减薄凹槽；

车刀刀头的上侧面前端开设有装配凹槽；装配凹槽的槽底开设有装配盲孔，且装配盲孔为盲螺孔；车刀刀垫嵌设于装配凹槽内，且车刀刀垫的下表面与装配凹槽的槽底接触；车刀刀垫的表面开设有第I装配通孔；第I装配通孔与装配盲孔对接；车刀刀片嵌设于装配凹槽内，且车刀刀片的下表面与车刀刀垫的上表面接触；车刀刀片的表面开设有第II装配通孔，且第II装配通孔为沉头孔；第II装配通孔与第I装配通孔对接；沉头螺钉贯穿第II装配通孔和第I装配通孔，且沉头螺钉的尾端旋拧于装配盲孔内。

工作时，惠斯通电桥电路的输出端与信号处理模块的输入端连接；信号处理模块的输出端与PC机的输入端连接。具体工作过程如下：在进行车削加工时，车刀刀片的刀尖处受到车削力，车削力经车刀刀头作用于弹性方梁和四个工字形弹性基片，使得弹性方梁和四个工字形弹性基片产生较大的应力，由此使得弹性方梁和四个工字形弹性基片发生形变，从而使得四个薄膜传感器发生形变。此时，由于四个薄膜传感器的输出信号不一致，使得惠斯通电桥电路处于非平衡状态，惠斯通电桥电路由此输出电压信号，该电压信号经信号处理模块进行处理后传输至PC机，PC机根据接收到的电压信号即可实时获取车削加工中的车削力信息。在上述过程中，弹性方梁具有较小的截面惯性矩，且四个薄膜传感器与弹性方梁之间留有较大的距离，由此有助于提高惠斯通电桥电路的输出灵敏度，从而有助于提高测量精度。减薄凹槽有助于提高薄膜传感器的形变量，由此同样有助于提高惠斯通电桥电路的输出灵敏度，从而同样有助于提高测量精度。根据实际测量要求，可以更换不同量程的敏感结构（即四个工字形弹性基片和四个薄膜传感器），由此实现量程更换。具体更换过程如下：先将四对第I紧定螺钉、四对第II紧定螺钉拧下，再将原来的敏感结构从四道第I插嵌卡槽、四道第II插嵌卡槽内抽出，然后将不同量程的敏感结构插入四道第I插嵌卡槽、四道第II插嵌卡槽内，而后将四对第I紧定螺钉、四对第II紧定螺钉拧上，由此实现量程更换，从而在同一刀具上实现多量程测量。

基于上述过程，与现有车削力测量技术相比，本发明所述的一种具有插嵌紧定式敏感结构的车削力测量刀具系统通过采用全新结构，实现了集车削加工功能和车削力测量功能于一体，由此具备了如下优点：其一，与应变式测力仪相比，本发明不再受电阻应变片粘贴工艺的局限性影响，因此其测量精度更高，且适合在高温环境下使用，由此使得适用范围不再受限。其二，与压电式测力仪相比，本发明不再受压电晶体单向性不够的影响，因此其测量三向力时不存在相互干涉、测量静态力时不具有滞后性，由此使得测量精度更高。其三，与应变式测力仪和压电式测力仪相比，本发明的体积更小，因此其适用范围不再受限。其四，与应变式测力仪和压电式测力仪相比，本发明中的敏感结构能够实现快速拆装，因此其能够实现量程更换，由此在同一刀具上实现多量程测量。

本发明结构合理、设计巧妙，有效解决了现有车削力测量技术测量精度低、适用范围受限、无法在同一刀具上实现多量程测量的问题，适用于各种场合（例如实验室、生产现场等）下的车削加工。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图。

图2是本发明中车刀刀柄、车刀刀头、弹性方梁的立体结构示意图。

图3是本发明中车刀刀柄、车刀刀头、弹性方梁的平面结构示意图。

图4是本发明中车刀刀柄的平面结构示意图。

图5是图4的A-A剖视图。

图6是本发明中车刀刀头的平面结构示意图。

图7是图6的B-B剖视图。

图8是本发明中工字形弹性基片和薄膜传感器的平面结构示意图。

图9是图8的仰视图。

图10是图9中C处的局部放大图。

图11是本发明中工字形弹性基片和薄膜传感器的立体结构示意图。

图12是图11中D处的局部放大图。

图中：1-车刀刀柄，2-车刀刀头，3-弹性方梁，4-工字形弹性基片，5-第I紧定螺钉，6-第II紧定螺钉，7-第I螺纹销，8-第II螺纹销，9-薄膜电阻栅，10-车刀刀垫，11-车刀刀片，12-沉头螺钉，13-第I方形缺口，14-第I插嵌卡槽，15-第I安装盲孔，16-第I安装通孔，17-第I定位盲孔，18-第I定位通孔，19-第II方形缺口，20-第II插嵌卡槽，21-第II安装盲孔，22-第II安装通孔，23-第II定位盲孔，24-第II定位通孔，25-第I穿孔，26-第II穿孔，27-装配盲孔，28-减薄凹槽。

具体实施方式

一种具有插嵌紧定式敏感结构的车削力测量刀具系统，包括车刀刀柄1、车刀刀头2、弹性方梁3、四个工字形弹性基片4、四对第I紧定螺钉5、四对第II紧定螺钉6、四个第I螺纹销7、四个第II螺纹销8、四个薄膜传感器、车刀刀垫10、车刀刀片11、沉头螺钉12；

其中，车刀刀柄1的前端面四角各开设有一个第I方形缺口13；车刀刀柄1的前端面四边缘各开设有一道第I插嵌卡槽14；四个第I方形缺口13和四道第I插嵌卡槽14围绕车刀刀柄1的中心线交错排列且连通为一体；四道第I插嵌卡槽14的内侧壁中部各开设有一对相互对称的第I安装盲孔15；四对第I安装盲孔15均为盲螺孔；四道第I插嵌卡槽14的外侧壁中部各开设有一对相互对称的第I安装通孔16；四对第I安装通孔16均为螺孔，且四对第I安装通孔16与四对第I安装盲孔15一一正对；四道第I插嵌卡槽14的内侧壁一端各开设有一个第I定位盲孔17；四个第I定位盲孔17均为盲螺孔；四道第I插嵌卡槽14的外侧壁一端各开设有一个第I定位通孔18；四个第I定位通孔18与四个第I定位盲孔17一一正对；

车刀刀头2的后端面四角各开设有一个第II方形缺口19；车刀刀头2的后端面四边缘各开设有一道第II插嵌卡槽20；四个第II方形缺口19和四道第II插嵌卡槽20围绕车刀刀头2的中心线交错排列且连通为一体；四道第II插嵌卡槽20的内侧壁中部各开设有一对相互对称的第II安装盲孔21；四对第II安装盲孔21均为盲螺孔；四道第II插嵌卡槽20的外侧壁中部各开设有一对相互对称的第II安装通孔22；四对第II安装通孔22均为螺孔，且四对第II安装通孔22与四对第II安装盲孔21一一正对；四道第II插嵌卡槽20的内侧壁一端各开设有一个第II定位盲孔23；四个第II定位盲孔23均为盲螺孔；四道第II插嵌卡槽20的外侧壁一端各开设有一个第II定位通孔24；四个第II定位通孔24与四个第II定位盲孔23一一正对；

弹性方梁3的后端面与车刀刀柄1的前端面中央固定为一体；弹性方梁3的前端面与车刀刀头2的后端面中央固定为一体；

四个工字形弹性基片4的后横向段一一对应地嵌设于四道第I插嵌卡槽14内；四个工字形弹性基片4的后横向段各开设有一对相互对称的第I穿孔25，且四对第I穿孔25与四对第I安装通孔16一一正对；四个工字形弹性基片4的前横向段一一对应地嵌设于四道第II插嵌卡槽20内；四个工字形弹性基片4的前横向段各开设有一对相互对称的第II穿孔26，且四对第II穿孔26与四对第II安装通孔22一一正对；四个工字形弹性基片4的纵向段内侧面与弹性方梁3的四个侧面一一正对；

四对第I紧定螺钉5一一对应地贯穿四对第I安装通孔16和四对第I穿孔25，且四对第I紧定螺钉5的尾端一一对应地旋拧于四对第I安装盲孔15内；四对第II紧定螺钉6一一对应地贯穿四对第II安装通孔22和四对第II穿孔26，且四对第II紧定螺钉6的尾端一一对应地旋拧于四对第II安装盲孔21内；四个第I螺纹销7一一对应地贯穿四个第I定位通孔18，且四个第I螺纹销7的尾端一一对应地旋拧于四个第I定位盲孔17内；四个第II螺纹销8一一对应地贯穿四个第II定位通孔24，且四个第II螺纹销8的尾端一一对应地旋拧于四个第II定位盲孔23内；

四个薄膜传感器一一对应地磁控溅射沉积于四个工字形弹性基片4的纵向段外侧面，且四个薄膜传感器通过导线共同连接构成惠斯通电桥电路；每个薄膜传感器均由四个对称分布的薄膜电阻栅9组成；每个薄膜电阻栅9的每根栅条的内侧面中部均刻蚀有一道减薄凹槽28；

车刀刀头2的上侧面前端开设有装配凹槽；装配凹槽的槽底开设有装配盲孔27，且装配盲孔27为盲螺孔；车刀刀垫10嵌设于装配凹槽内，且车刀刀垫10的下表面与装配凹槽的槽底接触；车刀刀垫10的表面开设有第I装配通孔；第I装配通孔与装配盲孔27对接；车刀刀片11嵌设于装配凹槽内，且车刀刀片11的下表面与车刀刀垫10的上表面接触；车刀刀片11的表面开设有第II装配通孔，且第II装配通孔为沉头孔；第II装配通孔与第I装配通孔对接；沉头螺钉12贯穿第II装配通孔和第I装配通孔，且沉头螺钉12的尾端旋拧于装配盲孔27内。

工字形弹性基片4的前横向段厚度和后横向段厚度相等，且工字形弹性基片4的前横向段厚度和后横向段厚度均大于其纵向段厚度。工作时，上述设计有助于提高工字形弹性基片的形变量，由此有助于提高惠斯通电桥电路的输出灵敏度，从而有助于提高测量精度。

减薄凹槽28采用湿法刻蚀形成。

车刀刀柄1、车刀刀头2、弹性方梁3为一体成型结构。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种具有插嵌紧定式敏感结构的车削力测量刀具系统，其特征在于：包括车刀刀柄（1）、车刀刀头（2）、弹性方梁（3）、四个工字形弹性基片（4）、四对第I紧定螺钉（5）、四对第II紧定螺钉（6）、四个第I螺纹销（7）、四个第II螺纹销（8）、四个薄膜传感器、车刀刀垫（10）、车刀刀片（11）、沉头螺钉（12）；

其中，车刀刀柄（1）的前端面四角各开设有一个第I方形缺口（13）；车刀刀柄（1）的前端面四边缘各开设有一道第I插嵌卡槽（14）；四个第I方形缺口（13）和四道第I插嵌卡槽（14）围绕车刀刀柄（1）的中心线交错排列且连通为一体；四道第I插嵌卡槽（14）的内侧壁中部各开设有一对相互对称的第I安装盲孔（15）；四对第I安装盲孔（15）均为盲螺孔；四道第I插嵌卡槽（14）的外侧壁中部各开设有一对相互对称的第I安装通孔（16）；四对第I安装通孔（16）均为螺孔，且四对第I安装通孔（16）与四对第I安装盲孔（15）一一正对；四道第I插嵌卡槽（14）的内侧壁一端各开设有一个第I定位盲孔（17）；四个第I定位盲孔（17）均为盲螺孔；四道第I插嵌卡槽（14）的外侧壁一端各开设有一个第I定位通孔（18）；四个第I定位通孔（18）与四个第I定位盲孔（17）一一正对；

车刀刀头（2）的后端面四角各开设有一个第II方形缺口（19）；车刀刀头（2）的后端面四边缘各开设有一道第II插嵌卡槽（20）；四个第II方形缺口（19）和四道第II插嵌卡槽（20）围绕车刀刀头（2）的中心线交错排列且连通为一体；四道第II插嵌卡槽（20）的内侧壁中部各开设有一对相互对称的第II安装盲孔（21）；四对第II安装盲孔（21）均为盲螺孔；四道第II插嵌卡槽（20）的外侧壁中部各开设有一对相互对称的第II安装通孔（22）；四对第II安装通孔（22）均为螺孔，且四对第II安装通孔（22）与四对第II安装盲孔（21）一一正对；四道第II插嵌卡槽（20）的内侧壁一端各开设有一个第II定位盲孔（23）；四个第II定位盲孔（23）均为盲螺孔；四道第II插嵌卡槽（20）的外侧壁一端各开设有一个第II定位通孔（24）；四个第II定位通孔（24）与四个第II定位盲孔（23）一一正对；

弹性方梁（3）的后端面与车刀刀柄（1）的前端面中央固定为一体；弹性方梁（3）的前端面与车刀刀头（2）的后端面中央固定为一体；

四个工字形弹性基片（4）的后横向段一一对应地嵌设于四道第I插嵌卡槽（14）内；四个工字形弹性基片（4）的后横向段各开设有一对相互对称的第I穿孔（25），且四对第I穿孔（25）与四对第I安装通孔（16）一一正对；四个工字形弹性基片（4）的前横向段一一对应地嵌设于四道第II插嵌卡槽（20）内；四个工字形弹性基片（4）的前横向段各开设有一对相互对称的第II穿孔（26），且四对第II穿孔（26）与四对第II安装通孔（22）一一正对；四个工字形弹性基片（4）的纵向段内侧面与弹性方梁（3）的四个侧面一一正对；

四对第I紧定螺钉（5）一一对应地贯穿四对第I安装通孔（16）和四对第I穿孔（25），且四对第I紧定螺钉（5）的尾端一一对应地旋拧于四对第I安装盲孔（15）内；四对第II紧定螺钉（6）一一对应地贯穿四对第II安装通孔（22）和四对第II穿孔（26），且四对第II紧定螺钉（6）的尾端一一对应地旋拧于四对第II安装盲孔（21）内；四个第I螺纹销（7）一一对应地贯穿四个第I定位通孔（18），且四个第I螺纹销（7）的尾端一一对应地旋拧于四个第I定位盲孔（17）内；四个第II螺纹销（8）一一对应地贯穿四个第II定位通孔（24），且四个第II螺纹销（8）的尾端一一对应地旋拧于四个第II定位盲孔（23）内；

四个薄膜传感器一一对应地磁控溅射沉积于四个工字形弹性基片（4）的纵向段外侧面，且四个薄膜传感器通过导线共同连接构成惠斯通电桥电路；每个薄膜传感器均由四个对称分布的薄膜电阻栅（9）组成；每个薄膜电阻栅（9）的每根栅条的内侧面中部均刻蚀有一道减薄凹槽（28）；

车刀刀头（2）的上侧面前端开设有装配凹槽；装配凹槽的槽底开设有装配盲孔（27），且装配盲孔（27）为盲螺孔；车刀刀垫（10）嵌设于装配凹槽内，且车刀刀垫（10）的下表面与装配凹槽的槽底接触；车刀刀垫（10）的表面开设有第I装配通孔；第I装配通孔与装配盲孔（27）对接；车刀刀片（11）嵌设于装配凹槽内，且车刀刀片（11）的下表面与车刀刀垫（10）的上表面接触；车刀刀片（11）的表面开设有第II装配通孔，且第II装配通孔为沉头孔；第II装配通孔与第I装配通孔对接；沉头螺钉（12）贯穿第II装配通孔和第I装配通孔，且沉头螺钉（12）的尾端旋拧于装配盲孔（27）内。

2.根据权利要求1所述的一种具有插嵌紧定式敏感结构的车削力测量刀具系统，其特征在于：工字形弹性基片（4）的前横向段厚度和后横向段厚度相等，且工字形弹性基片（4）的前横向段厚度和后横向段厚度均大于其纵向段厚度。

3.根据权利要求1所述的一种具有插嵌紧定式敏感结构的车削力测量刀具系统，其特征在于：减薄凹槽（28）采用湿法刻蚀形成。

4.根据权利要求1所述的一种具有插嵌紧定式敏感结构的车削力测量刀具系统，其特征在于：车刀刀柄（1）、车刀刀头（2）和弹性方梁（3）为一体成型结构。

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