CN112809441B - 一种可集成于铣床的刀具-工件摩擦系数测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可集成于铣床的刀具‑工件摩擦系数测量装置及测量方法，解决了现有技术中测量装置接触区域压力不稳定的问题，具有提高摩擦系数测试结果精度的有益效果，具体方案如下：一种可集成于铣床的刀具‑工件摩擦系数测量装置，包括机架，机架设置可直线移动的横梁；用于夹持刀具材料的第一夹持机构，第一夹持机构与横梁连接，横梁带动第一夹持机构实现移动；用于夹持工件材料的第二夹持机构，设于第一夹持机构的下方，第二夹持机构夹持的工件材料能够与第一夹持机构夹持的刀具材料呈设定角度设置；测力仪，设于第二夹持机构下方，并通过机架支撑；计算终端，测力仪与计算终端连接，计算终端计算刀具‑工件摩擦系数。

Description

一种可集成于铣床的刀具-工件摩擦系数测量装置及方法

技术领域

本发明涉及测量方法领域，尤其是一种可集成于铣床的刀具-工件摩擦系数测量装置及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

刀具-工件之间摩擦严重影响刀具寿命和工件加工表面质量，刀具-工件之间摩擦系数过大，切削热增加，加剧刀具-工件之间的扩散或者化学反应，引起刀具磨损，并使得工件的表面加工质量变差，因此，测试获得刀具-工件之间的摩擦系数具有重要意义。但铣削加工过程中刀具与工件-侧面的接触面积通常小于刀具-切屑的接触面积，此外加工过程的高温高压，使得铣削刀具-工件侧面摩擦难以在位测量。

现有对于刀具-工件摩擦的测试一般应用针盘式、销球挤压式等离线测量方法。

针盘式方法能够在不影响气体吸收和磨料粉尘沉积的情况下测量摩擦力，但为了达到高压，需要施加较高负载，因此需要坚固结构才可以保持这种高压。造成测试成本高，测试仪器尺寸大，使得该方法难以应用于刀具-工件接触摩擦的在位测量。

销球挤压式方法采用销钉球形的顶部与工件表面接触来施加载荷，并沿螺旋路径移动，但这种方式的运动使得销钉与工件接触区域非均匀，接触状态也受运动方向的影响，使得接触区域的压力不稳定，测得的摩擦系数不稳定，与真实的铣削加工条件存在较大差异。

综上所述，发明人发现现有的刀具-工件摩擦的测试方法不适用于刀具-工件接触摩擦测试，特别难以适用于铣床用刀具-工件的摩擦在位测量，而且测量过程中受测量原理误差的影响使得摩擦系数测试结果不够精确。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种可集成于铣床的刀具-工件摩擦系数测量装置，工件材料与刀具材料之间接触区域的压力稳定，可减小测量误差，使得测得的摩擦系数稳定性及测试精度得到提高。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

一种可集成于铣床的刀具-工件摩擦系数测量装置，包括：

机架，机架设置可直线移动的横梁；

用于夹持刀具材料的第一夹持机构，第一夹持机构与横梁连接，横梁带动第一夹持机构实现移动；

用于夹持工件材料的第二夹持机构，设于第一夹持机构的下方，第二夹持机构夹持的工件材料能够与第一夹持机构夹持的刀具材料呈设定角度设置，且工件材料能够与刀具材料实现接触；

测力仪，设于第二夹持机构下方，并通过机架支撑；

计算终端，测力仪与计算终端连接，计算终端根据测力仪测量工件材料轴向力和摩擦力，进而计算刀具-工件摩擦系数。

上述的测量装置，第一夹持机构不仅可有效夹持刀具材料，而且可通过刀具材料向工件材料提供稳定压力，保持工件材料和刀具材料接触区域的压力稳定；横梁可带动刀具材料实现直线运动，工件材料位置保持不动，可以减小塑性变形引发的测量误差，所得刀具-工件摩擦系数测试结果稳定，提高测试精度。

如上所述的一种可集成于铣床的刀具-工件摩擦系数测量装置，所述计算终端根据所述测力仪测量的工件材料轴向力、工件材料水平方向摩擦力和工件材料竖直方向摩擦力，获得所述的刀具-工件摩擦系数，测力仪与工件材料联接接触，可实时获取刀具材料作用于工件材料的受力情况。

如上所述的一种可集成于铣床的刀具-工件摩擦系数测量装置，所述第一夹持机构为剪叉式夹持机构，剪叉式夹持机构可实现对第一夹持机构设置高度的调整，满足于不同的刀具材料结构。

如上所述的一种可集成于铣床的刀具-工件摩擦系数测量装置，所述第一夹持机构包括顶板，顶板与所述横梁的下表面连接，顶板下表面活动连接两根第一连杆，每一第一连杆与连接件的一端活动连接，连接件的另一端与第二连杆连接，第二连杆的底端与底板活动连接，底板设置用于夹持所述刀具材料的夹持件；

所述连接件设置螺纹孔，锁紧件穿过螺纹孔设置，锁紧件可为螺丝或螺栓，这样可实现第一夹持机构的自锁，保证第一夹持机构向刀具材料提供压紧力，可在位实现实际切削环境下的高压状态。

如上所述的一种可集成于铣床的刀具-工件摩擦系数测量装置，所述夹持件包括固定块，固定块设于所述底板的下表面，固定块的一侧设置限位块，限位块开有螺纹孔，螺栓穿过螺纹孔能够与固定块抵接，通过螺栓与固定块实现对所述刀具材料的夹持，通过螺栓与固定块配合，不仅可保证对刀具材料的稳定夹持，而且通过调整螺栓可实现对不同结构，不同厚度刀具材料的夹持。

如上所述的一种可集成于铣床的刀具-工件摩擦系数测量装置，所述第二夹持机构包括本体，本体设于所述测力仪的上方，本体的侧部设置夹板，夹板与本体之间间隔设定距离设置，且若干螺栓穿过夹板并能够与本体侧部相抵，通过螺栓的旋转，实现螺栓与本体对工件材料进行夹持。

如上所述的一种可集成于铣床的刀具-工件摩擦系数测量装置，所述机架包括底座，底座支撑所述的测力仪，底座在测力仪的两侧分别设置支架。

如上所述的一种可集成于铣床的刀具-工件摩擦系数测量装置，所述支架的顶端分别设置导轨，所述横梁的下表面设置滑槽，滑槽与导轨配合且可沿着导轨移动；

所述横梁的侧部固定有传动齿条，传动齿条与齿轮啮合，齿轮固定于旋转轴，旋转轴与动力源连接，通过动力源带动旋转轴旋转，进而带动齿轮转动，通过传动齿条与齿轮配合，实现横梁的横向移动。

如上所述的一种可集成于铣床的刀具-工件摩擦系数测量装置，还包括加热机构，加热机构固定于所述第二夹持机构或设于所述第二夹持机构的侧部。

第二方面，本发明还提供了一种可集成于铣床的刀具-工件摩擦系数测量装置的测量方法，包括如下内容：

通过第二夹持机构夹持工件材料；

通过第一夹持机构夹持刀具材料，使得刀具材料与工件材料之间呈设定角度，且工件材料与刀具材料接触；

通过横梁带动刀具材料相对于工件材料实现移动；

在刀具材料移动过程中，通过测力仪测量工件材料摩擦力和轴向力；

计算终端根据工件材料在多个方向的受力计算刀具-工件摩擦系数。

上述本发明的有益效果如下：

1)本发明通过整体结构的设置，通过可移动的横梁与第一夹持机构连接，横梁可带动刀具材料实现直线运动，工件材料位置保持不动，刀具材料与工件材料之间呈设定角度设置，这样刀具材料与工件材料之间移动时没有点状的重复接触，可以减小塑性变形引发的测量原理引起的误差，所得刀具-工件摩擦系数测试结果比较稳定，提高测试精度。

2)本发明通过剪叉式夹持机构来夹持刀具材料，不仅可实现夹持件高度的调整以满足不同刀具材料的使用需求，而且通过锁紧件的设置，可借助锁紧件的保持刀具材料对工件材料的压紧力，真实反映实际切削环境下的高压状态；根据螺栓的设置，可在位实现对不同结构、不同厚度刀具材料的夹持。

3)本发明通过变角度夹具的设置，可改变刀具材料与工件材料之间的角度，来探究角度对摩擦系数的影响规律。

4)本发明通过将测力仪设于第二夹持机构的下方，可准确获取刀具材料对工件材料的作用力，通过三个方向作用力的测试，获取实时的摩擦系数。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明根据一个或多个实施方式的刀具材料相对于工件材料的位置变化示意图。

图2是本发明根据一个或多个实施方式的刀具材料相对于工件材料示意图。

图3是本发明根据一个或多个实施方式的一种可集成于铣床的刀具-工件摩擦系数测量装置的示意图一。

图4是本发明根据一个或多个实施方式的一种可集成于铣床的刀具-工件摩擦系数测量装置的主视图。

图5是本发明根据一个或多个实施方式的一种可集成于铣床的刀具-工件摩擦系数测量装置的示意图二。

图6是本发明根据一个或多个实施方式的一种可集成于铣床的刀具-工件摩擦系数测量装置的俯视图。

图7是本发明根据一个或多个实施方式的一种可集成于铣床的刀具-工件摩擦系数测量装置中剪叉式夹持机构的示意图。

图8是本发明根据一个或多个实施方式的一种可集成于铣床的刀具-工件摩擦系数测量装置中第二夹持机构的部分放大图。

图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意。

其中：1、导轨；2、支架；3、测力仪；4、剪叉式夹持机构；5、齿轮；6、变角度夹具；7、传动齿条；8、齿轮架；9、齿轮轴；10、横梁；11、底座；12、夹板；13、螺丝；14、顶板；15、第一连杆；16、连接件；17、第二连杆；18、底板；19、固定块；20、限位块；21、螺栓；22、本体。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语解释部分：本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在摩擦系数测试结构不够精确的问题，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种可集成于铣床的刀具-工件摩擦系数测量装置。

本发明的一种典型的实施方式中，参考图3、图4和图5所示，一种可集成于铣床的刀具-工件摩擦系数测量装置，包括：

机架，机架设置可直线移动的横梁；

用于夹持刀具材料的第一夹持机构，第一夹持机构与横梁连接，横梁带动第一夹持机构实现移动；

第二夹持机构，设于第一夹持机构的下方以夹持工件材料，工件材料能够与第一夹持机构夹持的刀具材料呈设定角度设置，且工件材料能够与刀具材料实现接触；

测力仪，设于第二夹持机构的下方，并通过机架支撑；

计算终端，测力仪与计算终端连接，计算终端根据测力仪测量工件材料轴向力和摩擦力，进而计算刀具-工件摩擦系数。

计算终端根据测力仪测量的工件材料轴向力、工件材料水平方向摩擦力和工件材料竖直方向摩擦力，来获得所述的刀具-工件摩擦系数，测力仪与工件材料接触，可实时获取刀具材料作用于工件材料的受力情况。

另外，系统还包括控制器，控制器与控制横梁的移动机构连接，控制器还与计算终端连接，通过计算终端即可控制控制器开始工作。

需要说明的是，计算终端为计算机，控制器可为PLC控制器或其他类型的控制器。

第一夹持机构为剪叉式夹持机构，剪叉式夹持机构可实现对第一夹持机构高度的调整，进而满足于不同结构与厚度刀具的安装。

参考图7所示，剪叉式夹持机构4包括顶板14，顶板14与横梁10的下表面固定连接，顶板14下表面活动连接两根第一连杆15，两根第一连杆呈八字型设置，每一第一连杆15与连接件16的一端铰接连接，连接件16的另一端与第二连杆17铰接连接，这样两根第二连杆17的底端分别与底板18铰接连接，底板18设置用于夹持刀具材料的夹持件；

两连接件16设于同一高度，且两连接件均设置螺纹孔，锁紧件穿过螺纹孔设置，锁紧件可为螺丝13或螺栓，螺丝13或螺栓可穿过两连接件的螺纹孔设置，螺丝或螺栓相对于连接件的螺纹孔实现锁紧，这样可实现第一夹持机构的反向自锁，保证第一夹持机构向刀具材料提供压紧力，可真实反映实际切削环境下的高压状态；而且通过两连接件之间位置的调整，可实现剪叉式夹持机构高度的调整，以满足于不同高度刀具材料的夹持。

夹持件包括固定块19，固定块19设于底板18的下表面，固定块19的一侧设置限位块20，限位块20开有螺纹孔，螺栓21穿过螺纹孔能够与固定块抵接，通过螺栓21与固定块19实现对刀具材料的夹持，通过螺栓与固定块配合，不仅可保证对刀具材料的稳定夹持，而且通过调整螺栓可实现对不同厚度刀具材料的夹持。

参考图图6和图8所示，第二夹持机构包括本体22，本体22可拆卸安装于测力仪的上方，本体的侧部设置夹板12，夹板同样与测力仪可拆卸连接，夹板12与本体22之间间隔设定距离设置，且若干螺栓穿过夹板并能够与本体侧部相抵，通过螺栓的旋转，实现螺栓与本体对工件材料的夹持，这样通过第二夹持机构限制工件材料的自由度。

可以理解的是，第二夹持机构的本体可通过螺栓或其它紧固件与测力仪可拆卸连接，这样本体与螺栓夹持的工件材料相对于工具材料的角度可改变，由此可探究角度对摩擦系数的影响规律。

进一步，机架包括底座11，可固定于立式铣床工作台上，底座11支撑测力仪3，测力仪3可为三向测力仪，底座在测力仪的两侧分别设置支架，支架具有设定的高度以支撑横梁。

支架2的顶端分别设置导轨1，横梁10的下表面设置滑槽，滑槽与导轨1配合且可沿着导轨移动，通过导轨和滑槽限定了横梁的移动路径；

为了对横梁的水平移动进行控制，移动机构包括旋转轴，旋转轴通过传动机构与横梁10连接，在一些具体示例中，传动机构为齿轮齿条传动机构，横梁的侧部固定有传动齿条7，传动齿条7与齿轮5啮合，齿轮固定于旋转轴，旋转轴与动力源连接，通过动力源带动旋转轴旋转，进而带动齿轮转动，通过传动齿条与齿轮配合，实现横梁的横向移动。

或者，旋转轴也可为机床主轴，机床主轴与齿轮轴通过齿轮传动，齿轮轴9设置齿轮，齿轮轴设于横梁的侧部并通过齿轮架8支撑，齿轮架8固定于机架，机床主轴也可加装减速器调节齿轮5的转速，齿轮5带动传动齿条7直线运动，传动齿条7带动横梁10，第一夹持机构4沿导轨1直线运动。

另外，移动机构还可以是其他的直线机构，如电缸，电缸由机架支撑，电缸推动横梁进行水平移动。

上述的测量装置，横梁可带动刀具材料实现直线运动，工件材料位置保持不动，这样刀具材料与工件材料相对移动时没有点状重复接触，可以减小塑性变形引发的测量误差，所得刀具-工件摩擦系数测试结果比较稳定，测试精度高。

另外，切削过程中的高温利用加热机构实现，加热机构与控制器连接，加热机构固定于第二夹持机构或设于第二夹持机构的侧部；具体地，加热机构可为加热线圈或者其他的加热设备。

一种可集成于铣床的刀具-工件摩擦系数测量装置的测量方法，包括如下内容：

通过第二夹持机构夹持工件材料；

通过第一夹持机构夹持刀具材料，使得刀具材料与工件材料之间呈设定角度，且工件材料与刀具材料接触；

通过横梁使得刀具材料和工件材料相对运动，运动过程中，测力仪3固定于变角度夹具6下方，可以实时测出刀具材料与工件材料接触点的力信号，包括轴向力Fz，水平方向摩擦力Fx与竖直方向摩擦力Fy，利用公式

计算出实时的摩擦系数f。

使用后，再次使用前，机床主轴反向旋转使得装置的传动齿条7返回初始位置后可再次连续使用。

需要解释的是，刀具材料和工件材料可采用任何形状的材料，不必非得是具体的刀具和具体的工件，比如刀具材料和工件材料可为圆柱杆材料(也可用一对矩形材料)，刀具材料和工件材料的边缘水平接触，接触面积极小，第一夹持机构4可以通过刀具材料的位置，从而使刀具材料与工件材料接触并借助螺丝13的反向自锁提供压紧力，参考图1和图2所示，刀具材料和工件材料垂直分布，且刀具材料、工件材料与水平线成设定的夹角，刀具材料沿水平线方向运动，工件材料保持位置不变，这种运动方式没有点状重复接触，可以减小塑性变形引发的测量误差，所得摩擦系数测试结果比较稳定。

另外，刀具材料和工件材料抛光程度越好，得到的摩擦系数测试结果越为精确。

而且，因刀具材料与工件材料之间呈设定角度设置，刀具材料与工件材料接触面积极小，不用施加较大载荷即可模拟切削过程高压。

在一些示例中，在刀具材料和工件材料直接施加润滑剂以探究润滑剂对切削摩擦系数的影响。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可集成于铣床的刀具-工件摩擦系数测量装置，其特征在于，包括：

机架，机架设置可直线移动的横梁；

用于夹持刀具材料的第一夹持机构，第一夹持机构与横梁连接，横梁带动第一夹持机构实现移动；

用于夹持工件材料的第二夹持机构，设于第一夹持机构的下方，第二夹持机构夹持的工件材料能够与第一夹持机构夹持的刀具材料呈设定角度设置，且工件材料能够与刀具材料实现接触；

测力仪，设于第二夹持机构下方，并通过机架支撑；

计算终端，测力仪与计算终端连接，计算终端根据测力仪测量工件材料的轴向力和摩擦力，进而计算刀具-工件摩擦系数。

2.根据权利要求1所述的一种可集成于铣床的刀具-工件摩擦系数测量装置，其特征在于，所述计算终端根据所述测力仪测量的工件材料轴向力、工件材料水平方向摩擦力和工件材料竖直方向摩擦力，来获得所述的刀具-工件摩擦系数。

3.根据权利要求1所述的一种可集成于铣床的刀具-工件摩擦系数测量装置，其特征在于，所述第一夹持机构为剪叉式夹持机构。

4.根据权利要求1所述的一种可集成于铣床的刀具-工件摩擦系数测量装置，其特征在于，所述第一夹持机构包括顶板，顶板与所述横梁的下表面连接，顶板下表面活动连接两根第一连杆，每一第一连杆与连接件的一端活动连接，连接件的另一端与第二连杆连接，第二连杆的底端与底板活动连接，底板设置用于夹持所述刀具材料的夹持件；

所述连接件设置螺纹孔，锁紧件穿过螺纹孔设置。

5.根据权利要求4所述的一种可集成于铣床的刀具-工件摩擦系数测量装置，其特征在于，所述夹持件包括固定块，固定块设于所述底板的下表面，固定块的一侧设置限位块，限位块开有螺纹孔，螺栓穿过螺纹孔能够与固定块抵接，通过螺栓与固定块实现对所述刀具材料的夹持。

6.根据权利要求1所述的一种可集成于铣床的刀具-工件摩擦系数测量装置，其特征在于，所述第二夹持机构包括本体，本体设于所述测力仪的上方，本体的侧部设置夹板，夹板与本体之间间隔设定距离设置，且若干螺栓穿过夹板并能够与本体侧部相抵。

7.根据权利要求1所述的一种可集成于铣床的刀具-工件摩擦系数测量装置，其特征在于，所述机架包括底座，底座支撑所述的测力仪，底座在测力仪的两侧分别设置支架。

8.根据权利要求7所述的一种可集成于铣床的刀具-工件摩擦系数测量装置，其特征在于，所述支架的顶端分别设置导轨，所述横梁的下表面设置滑槽，滑槽与导轨配合且可沿着导轨移动；

所述横梁的侧部固定有传动齿条，传动齿条与齿轮啮合，齿轮固定于旋转轴。

9.根据权利要求1所述的一种可集成于铣床的刀具-工件摩擦系数测量装置，其特征在于，还包括加热机构，加热机构固定于所述第二夹持机构或设于所述第二夹持机构的侧部。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的一种可集成于铣床的刀具-工件摩擦系数测量装置的使用方法，其特征在于，包括如下内容：

通过第二夹持机构夹持工件材料；

通过第一夹持机构夹持刀具材料，使得刀具材料与工件材料之间呈设定角度，且工件材料与刀具材料接触；

通过横梁带动刀具材料相对于工件材料实现移动；

在工具材料移动过程中，通过测力仪测量工件材料的摩擦力和轴向力；

计算终端根据工件材料在多个方向的受力计算刀具-工件摩擦系数。

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