CN112797948A - 一种刀具变形能测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种刀具变形能测量装置，涉及热量测量设备领域，尤其涉及刀具变形能测量装置的改进。提出了一种结构精巧、使用方便且可对刀具的变形进行有效的测量、分析的刀具变形能测量装置。本发明的技术方案为：包括测量平台以及试验件；所述测量平台包括L型基板11、支撑导轨13、激振器12、机床16、芯棒15、磁力座33以及红外热像仪测温系统；本发明的有益效果是，能够有效验证在切削加工时刀具变形是致使刀具温升的原因之一；可以将热量源作为研究对象来分析热力耦合中热量的产生机理及规律。

Description

一种刀具变形能测量装置

技术领域

本发明涉及热量测量设备领域，尤其涉及刀具变形能测量装置的改进。

背景技术

刀具变形和温升问题近年来已成为航天制造领域的研究热点。在金属切削过程中，力-热效应导致刀具发生变形，致使刀具磨损增加，寿命缩减，严重降低了精密零件的加工精度。为了研究切削系统的力-热效应，建立准确的热力耦合误差模型，有必要确定热的产生来源。而在加工系统中，刀具的弯扭势能通常以摩擦或振动的形式转化为热量，导致刀具的温度升高，从而产生加工误差。在现有的相关研究领域中，尚未有学者考虑这种情况。

发明内容

本发明针对以上问题，提出了一种结构精巧、使用方便且可对刀具的变形进行有效的测量、分析的刀具变形能测量装置。

本发明的技术方案为：包括测量平台以及试验件；所述测量平台包括L型基板11、支撑导轨13、激振器12、机床16、芯棒15、磁力座33以及红外热像仪测温系统；

所述L型基板11包括连为一体的底板和立板，所述支撑导轨13水平设置、且固定连接在立板上，所述试验件通过支架可拆卸的连接在支撑导轨13上、且试验件上固定连接有力传感器14；

所述激振器12固定连接在底板上、且处于支撑导轨13的一侧，所述激振器12的输出轴与力传感器14相接触；

所述机床16处于L型基板11之上，所述芯棒15安装在所述机床16上、且在机床16的驱动下绕自身轴心旋转，所述芯棒15与试验件相接触；

所述红外热像仪测温系统包括测温摄像头32，所述测温摄像头32朝向芯棒15设置、且通过连杆固定连接磁力座33，所述磁力座33吸附在机床16的加工主轴上。

所述红外热像仪测温系统还包括数据线和计算机31，所述计算机31通过数据线连接所述测温摄像头32。

所述芯棒15作为等效铣刀，是一根细长金属棒。

所述试验件为摩擦组件，所述摩擦组件包括动摩擦块21和静摩擦块22，所述动摩擦块21、静摩擦块22分别通过两个支架与支撑导轨13可拆卸的相连接，所述动摩擦块21和静摩擦块22之间留有用于容置芯棒15的间隙；

所述动摩擦块21背向静摩擦块22的端面与力传感器14固定相连，通过摩擦组件模拟出仅有刀具摩擦时的温升。

所述动摩擦块21朝向静摩擦块22的端面上开设有用于容置芯棒15的竖直通槽一，所述静摩擦块22朝向动摩擦块21的端面上开设有用于容置芯棒15的竖直通槽二，所述芯棒15同时与竖直通槽一以及竖直通槽二保持接触。

所述竖直通槽一和竖直通槽二沿芯棒15对称设置、且二者的截面均呈弧形。

所述竖直通槽一、竖直通槽二的截面所成圆弧的圆心角为120°。

所述试验件为试件23，所述试件23通过支架与支撑导轨13可拆卸的相连接，所述试件23的顶面上开设有用于容置芯棒15底端的沉槽；

所述试件23朝向激振器12的端面与力传感器14固定相连，通过试件模拟出刀具变形以及摩擦时的总温升，并采集、控制所述激振器12输出的模拟切削力。

所述试件23呈长方体状，其上端面被加工有一个沉槽，所述沉槽的形状为一个顶点为圆弧形的等腰三角形，该三角形的底边边缘重合，其圆弧半径与所述芯棒的半径相同。

所述沉槽的形状为一个顶点为圆弧形的等腰三角形，该顶点的圆心角为120°。

本发明的有益效果是，一、本申请涉及到的测量装置能够有效验证在切削加工时刀具变形是致使刀具温升的原因之一；二、动摩擦块和静摩擦块两侧夹紧芯棒，可以有效抵消刀具因一侧受力而产生的弯曲变形；三、可以将热量源作为研究对象来分析热力耦合中热量的产生机理及规律。

附图说明

图1是用于测量仅有刀具摩擦温升的装置结构示意图，

图2是用于测量刀具变形与摩擦的总温升的装置结构示意图，

图3a是动摩擦块的正视图，

图3b是图3a的左视图，

图3c是图3a的俯视图，

图4a是试件的正视图，

图4b是图4a的左视图，

图4c是图4a的俯视图，

图5是支撑导轨的结构示意图，

图6是图5的俯视图，

图7是激振器的结构示意图，

图8是图7的俯视图；

图中11是L型基板；12是激振器；13是支撑导轨；14是力传感器；15是芯棒；16是机床；21是动摩擦块；22是静摩擦块；23是试件；31是计算机；32是测温摄像头；33是磁力座。

具体实施方式

为能清楚说明本专利的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本专利进行详细阐述。

本发明如图1-8所示，包括测量平台以及试验件；所述测量平台包括L型基板11、支撑导轨13、激振器12、机床16、芯棒15、磁力座33以及红外热像仪测温系统；

所述L型基板11包括连为一体的底板和立板，所述支撑导轨13水平设置、且固定连接在立板上，所述试验件通过支架可拆卸的连接在支撑导轨13上、且试验件上固定连接有力传感器14；

所述激振器12固定连接在底板上、且处于支撑导轨13的一侧，所述激振器12的输出轴与力传感器14相接触；用于模拟机床16切削加工时产生的切削力；力传感器14用于测量激振器12产生的模拟切削力的大小，并以此来调整该模拟切削力的大小；

所述机床16处于L型基板11之上，所述芯棒15安装在所述机床16上、且在机床16的驱动下绕自身轴心旋转，所述芯棒15与试验件相接触；

所述红外热像仪测温系统包括测温摄像头32，所述测温摄像头32朝向芯棒15设置、且通过连杆固定连接磁力座33，所述磁力座33吸附在机床16的加工主轴上。所述测温摄像头32用于测量切削加工时所述刀具温度的总体变化量，温度测量中心点在离刀具刀尖4mm高度处，计算机31中安装有配套测温摄像头32的数据处理软件，用于对所采集到的温度数据进行分析处理。

使用时，通过更换不同的试验件即可进行测量仅有刀具摩擦的温升实验过程或者是测量刀具变形与摩擦的总温升实验过程，最终，将两种结果结合比对，即可得出摩擦升温与刀具变形的关系，从而刀具的变形进行有效的测量、分析。从整体上具有构精巧、使用方便、模拟效果好以及试验效果好等优点。

所述红外热像仪测温系统还包括数据线和计算机31，所述计算机31通过数据线连接所述测温摄像头32。

所述芯棒15作为等效铣刀，是一根细长金属棒。所述芯棒15采用钨钴合金细长棒作为等效刀具，其直径为10mm。

所述试验件为摩擦组件或试件，所述摩擦组件包括动摩擦块21和静摩擦块22，用于测量仅有刀具摩擦的温升；所述试件是一个试件23，用于测量刀具变形与摩擦的总温升。

所述试验件为摩擦组件，所述摩擦组件包括动摩擦块21和静摩擦块22，所述动摩擦块21、静摩擦块22分别通过两个支架与支撑导轨13可拆卸的相连接，所述动摩擦块21和静摩擦块22之间留有用于容置芯棒15的间隙；

所述动摩擦块21背向静摩擦块22的端面与力传感器14固定相连，通过摩擦组件模拟出仅有刀具摩擦时的温升。

所述动摩擦块21朝向静摩擦块22的端面上开设有用于容置芯棒15的竖直通槽一，所述静摩擦块22朝向动摩擦块21的端面上开设有用于容置芯棒15的竖直通槽二，所述芯棒15同时与竖直通槽一以及竖直通槽二保持接触。

所述竖直通槽一和竖直通槽二沿芯棒15对称设置、且二者的截面均呈弧形。

所述动摩擦块21是一个长方体，竖直通槽一以及竖直通槽二的截面均为圆弧形，圆弧半径为5mm；所述静摩擦块22和所述动摩擦块21大小和形状均相同。

在测量仅有刀具摩擦的温升实验过程中，所述力传感器14固定在所述动摩擦块21上，动摩擦块21和所述激振器12位置固定，力传感器14处在动摩擦块21和激振器12之间，以采集并控制激振器12输出的模拟切削力。

所述芯棒15夹在所述动摩擦块21和静摩擦块22之间，所述芯棒15在轴向方向与所述动摩擦块21和静摩擦块22的接触面宽度为3mm，作为模拟的铣削深度；所述激振器12加载模拟的切削力到动摩擦块21上，在该力的作用的下，所述动摩擦块21、芯棒15和静摩擦块22之间相互夹紧，由于所述芯棒15两侧受力，根据受力平衡原理，不会发生弯曲和扭转变形，故仅在摩擦力的作用下产生温升。

在进一步的实施例中，所述竖直通槽一、竖直通槽二的截面所成圆弧的圆心角为120°。一方面可以更好的与芯棒接触，另一方面可以等效模拟在绝大多数实际加工场景下刀具与工件的接触圆弧角度。

所述试验件为试件23，所述试件23通过支架与支撑导轨13可拆卸的相连接，所述试件23的顶面上开设有用于容置芯棒15底端的沉槽；

所述试件23朝向激振器12的端面与力传感器14固定相连，通过试件模拟出刀具变形以及摩擦时的总温升，并采集、控制所述激振器12输出的模拟切削力。

所述试件23呈长方体状，其上端面被加工有一个沉槽，所述沉槽的形状为一个顶点为圆弧形的等腰三角形，该三角形的底边边缘重合，其圆弧半径与所述芯棒的半径相同。所述试件23是一个长方体，其上端面被加工有一个沉槽，槽深为3mm，该沉槽形状为一个顶点为圆弧形的等腰三角形，且底边边缘重合，其圆弧半径与所述芯棒15的半径相同，为5mm。

所述芯棒15在水平方向与所述试件23相接触，即二者具有一定宽度的接触面，作为模拟的铣削深度。

在进一步的实施例中，所述沉槽的形状为一个顶点为圆弧形的等腰三角形，该顶点的圆心角为120°。一方面可以更好的与芯棒接触，另一方面可以等效模拟在绝大多数实际加工场景下刀具与工件的接触圆弧角度。

测量刀具变形与摩擦的总温升实验过程中，所述试件23固定在支撑导轨13上，所述力传感器14固定在试件23的侧面，所述激振器12抵靠在所述力传感器14上；在空间位置上，所述芯棒15和试件23上端面中沉槽的圆弧同轴心，所述芯棒15在轴向方向与所述试件23的接触面宽度为3mm，作为模拟的铣削深度；实验时所述机床16主轴旋转，产生摩擦力，所述激振器12加载模拟切削力作用到所述试件23上，该作用力通过所述试件23作用在所述芯棒15上，所述芯棒15发生变形，故此时所述芯棒15产生的温升由所述芯棒15的变形和与所述试件23的接触摩擦共同产生。

在进一步的实施例中，本实施例中所取得的温度数据以及所输出的模拟切削力均需要保证高的频率和精度，因此要求所述激振器12、力传感器14和红外热像仪测温系统能够满足在高频和高精度要求下输入输出的稳定性和准确性。

本发明具体实施途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种刀具变形能测量装置，其特征在于，包括测量平台以及试验件；所述测量平台包括L型基板（11）、支撑导轨（13）、激振器（12）、机床（16）、芯棒（15）、磁力座（33）以及红外热像仪测温系统；

所述L型基板（11）包括连为一体的底板和立板，所述支撑导轨（13）水平设置、且固定连接在立板上，所述试验件通过支架可拆卸的连接在支撑导轨（13）上、且试验件上固定连接有力传感器（14）；

所述激振器（12）固定连接在底板上、且处于支撑导轨（13）的一侧，所述激振器（12）的输出轴与力传感器（14）相接触；

所述机床（16）处于L型基板（11）之上，所述芯棒（15）安装在所述机床（16）上、且在机床（16）的驱动下绕自身轴心旋转，所述芯棒（15）与试验件相接触；

所述红外热像仪测温系统包括测温摄像头（32），所述测温摄像头（32）朝向芯棒（15）设置、且通过连杆固定连接磁力座（33），所述磁力座（33）吸附在机床（16）的加工主轴上。

2.根据权利要求1所述的一种刀具变形能测量装置，其特征在于，所述红外热像仪测温系统还包括数据线和计算机（31），所述计算机（31）通过数据线连接所述测温摄像头（32）。

3.根据权利要求1所述的一种刀具变形能测量装置，其特征在于，所述芯棒（15）作为等效铣刀，是一根细长金属棒。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种刀具变形能测量装置，其特征在于，所述试验件为摩擦组件，所述摩擦组件包括动摩擦块（21）和静摩擦块（22），所述动摩擦块（21）、静摩擦块（22）分别通过两个支架与支撑导轨（13）可拆卸的相连接，所述动摩擦块（21）和静摩擦块（22）之间留有用于容置芯棒（15）的间隙；

所述动摩擦块（21）背向静摩擦块（22）的端面与力传感器（14）固定相连，通过摩擦组件模拟出仅有刀具摩擦时的温升。

5.根据权利要求4所述的一种刀具变形能测量装置，其特征在于，所述动摩擦块（21）朝向静摩擦块（22）的端面上开设有用于容置芯棒（15）的竖直通槽一，所述静摩擦块（22）朝向动摩擦块（21）的端面上开设有用于容置芯棒（15）的竖直通槽二，所述芯棒（15）同时与竖直通槽一以及竖直通槽二保持接触。

6.根据权利要求5所述的一种刀具变形能测量装置，其特征在于，所述竖直通槽一和竖直通槽二沿芯棒（15）对称设置、且二者的截面均呈弧形。

7.根据权利要求1、2或3所述的一种刀具变形能测量装置，其特征在于，所述试验件为试件（23），所述试件（23）通过支架与支撑导轨（13）可拆卸的相连接，所述试件（23）的顶面上开设有用于容置芯棒（15）底端的沉槽；

所述试件（23）朝向激振器（12）的端面与力传感器（14）固定相连，通过试件模拟出刀具变形以及摩擦时的总温升，并采集、控制所述激振器（12）输出的模拟切削力。

8.根据权利要求7所述的一种刀具变形能测量装置，其特征在于，所述试件（23）呈长方体状，其上端面被加工有一个沉槽，所述沉槽的形状为一个顶点为圆弧形的等腰三角形，该三角形的底边边缘重合，其圆弧半径与所述芯棒的半径相同。

Images