CN114589325A - 一种机床镗削加工工艺下的虚拟刀装置及加载方法 - Google Patents

一种机床镗削加工工艺下的虚拟刀装置及加载方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种机床镗削加工工艺下的虚拟刀装置及加载方法，包括刀柄等构件，所述刀柄同轴安装于机床主轴，并通过刀柄螺帽、筒夹与虚拟刀杆一侧连接，所述虚拟刀杆另一侧设置有深沟球轴承和推力轴承，靠近深沟球轴承侧的虚拟刀杆端部设置Z向加载块，所述虚拟刀杆上设有径向轴肩和台阶面，与轴承套筒、Z向加载块共同对深沟球轴承和推力轴承进行定位，从而限定深沟球轴承和推力轴承的轴向位移。本发明能够实现机床主轴高速旋转状态下三向载荷的同时加载，更加全面真实得模拟机床镗削过程中切削力的加载情况，从而提高机床刚度分析的准确性。

Description

一种机床镗削加工工艺下的虚拟刀装置及加载方法
技术领域
本发明属于机床镗削加工技术领域，具体涉及一种机床镗削加工工艺下的虚拟刀装置及加载方法。
背景技术
机床刚度是影响机床加工精度的重要因素，刚度不足会导致加工精度降低，从而无法满足使用要求。机床在镗削加工过程中会受到切削力的影响，机床各构件所受载荷的大小及受载位置均发生变化，机床的静刚度也随之改变，从而影响加工精度和表面质量。现有技术手段主要通过设置加载装置来检测机床主轴的刚度，但大部分装置只能在机床静态时加载或在机床镗削工作状态下模拟施加某一个方向的负载，这与实际机床工作状态的受力差别很大，并不能真实地反映出机床镗削工作时所受的真实切削力。
发明内容
为了克服以上技术问题，本发明的目的在于提供一种机床镗削加工工艺下的虚拟刀装置及加载方法，能够实现机床主轴高速旋转状态下三向载荷的同时加载，更加全面真实得模拟机床镗削过程中切削力的加载情况，从而提高机床刚度分析的准确性。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种机床镗削加工工艺下的虚拟刀装置，包括刀柄8，所述刀柄8同轴安装于机床主轴，并通过刀柄螺帽6、筒夹7与虚拟刀杆5一侧连接，所述虚拟刀杆5另一侧设置有深沟球轴承4和推力轴承2，靠近深沟球轴承4侧的虚拟刀杆5端部设置Z向加载块3，所述虚拟刀杆5上设有径向轴肩和台阶面，与轴承套筒7、Z向加载块3共同对深沟球轴承4和推力轴承2进行定位，从而限定深沟球轴承4和推力轴承2的轴向位移。
所述深沟球轴承4承受径向载荷，推力轴承2承受轴向载荷，深沟球轴承4的内圈与虚拟刀杆5为过盈配合，并与虚拟刀杆5的轴肩接触，与虚拟刀杆5保持同步转动，推力轴承2的松环与虚拟刀杆5为过盈配合，并与虚拟刀杆5的台阶面接触，与虚拟刀杆5保持同步转动。
所述深沟球轴承4外侧设置轴承套筒1，所述轴承套筒1外部连接X、Y两向动力设备和拉压力传感器，轴承套筒1内圈设有台阶面，与深沟球轴承4的外圈配合保持不动，再经虚拟刀杆5和刀柄8将X、Y两向载荷施加给机床主轴，模拟镗削加工时机床所受的径向力。
所述Z向加载块3外部连接Z向动力设备和拉压力传感器，端面与推力轴承2的紧环连接，使推力轴承2的紧环与Z向加载块3保持不动，再经虚拟刀杆5和刀柄8将Z向载荷的施加给机床主轴，模拟镗削加工时机床所受的轴向力。
一种机床镗削加工工艺下的虚拟刀装置的加载方法，包括以下步骤：
步骤一：将机床在镗削过程中的切削力沿笛卡尔坐标系分解成三个互相垂直的作用力，即主切削力、切深抗力和进给抗力，并利用双刃镗刀指数切削力经验公式求解其理论数值，经验公式的表达式为：
Figure BDA0003549377290000031
式中Fc表示理论主切削力，Fp表示理论切深抗力，Ff表示理论进给抗力，ap表示背吃刀量，f表示进给量，vc表示切削速度，
Figure BDA0003549377290000032
Figure BDA0003549377290000033
分别为工件材料以及切削条件对三个切削分力的影响系数，
Figure BDA0003549377290000034
分别为背吃刀量ap对三个切削分力的影响指数，
Figure BDA0003549377290000035
Figure BDA0003549377290000036
分别为进给量f对三个切削分力的影响指数，
Figure BDA0003549377290000037
分别为切削速度vc对三个切削分力的影响指数，
Figure BDA0003549377290000038
分别为各种影响因素对三个切削分力影响的修正系数的乘积；
步骤二：将步骤一求解得到的三个机床镗削过程中相互垂直的理论切削力Fc、Fp、Ff在机床坐标系中表示，并令机床镗削虚拟刀装置提供的三向载荷Fx、Fy、Fz与理论切削力的数值大小、施加方向保持一致，即：
Figure BDA0003549377290000039
式中，Fx为虚拟刀装置加载在机床x向上的模拟载荷，Fy为虚拟刀装置加载在机床y向上的模拟载荷，Fz为虚拟刀装置加载在机床Z向上的模拟载荷，至此即可获得虚拟刀装置应模拟的机床镗削过程理论加载量，至此即可获得虚拟刀装置模拟的机床镗削加工工艺下的理论加载量；
步骤三：通过刀柄螺帽6、筒夹7将刀柄8与虚拟刀杆5连接，再将深沟球轴承4与推力轴承2安装于虚拟刀杆5上，然后将轴承套筒1安装于深沟球轴承4外圈，将Z向加载块3与推力轴承2、虚拟刀杆5连接，并通过刀柄8将虚拟刀装置与机床主轴连接，至此可完成虚拟刀装置的装配；
步骤四：在轴承套筒1和Z向加载块3外接动力设备，并在轴承套筒1和Z向加载块3上布置拉压力传感器，启动动力装置，通过观测拉压力传感器测量反馈的实时载荷数值，控制虚拟刀装置将X、Y、Z向实际加载量等于步骤二所计算的机床镗削过程中的理论加载量，即可达到对数控机床进行镗削工艺切削力模拟加载的目的；
步骤五：根据不同试验的试验目的，可在虚拟刀刀柄8及机床各零部件处布置位移传感器，通过测量测点的位移量数值获得机床工作状态下整机或各零部件的刚度。
本发明的有益效果：
(1)本发明通过本发明方法搭建的机床镗削虚拟刀装置，能够在机床主轴高速旋转的情况下，对机床主轴同时施加三个方向的作用力，从而模拟机床镗削加工时的实际切削力载荷，更加真实得反映机床的镗削加工工艺过程。
(2)本发明便于获得机床镗削过程中的刚度参数。本发明方法搭建的虚拟刀装置通过引入等效的原理解决了现有试验条件不能满足的机床镗削三向载荷同时加载问题，便于设计人员通过等效模拟的方法，更加全面得收集镗削复杂工况下机床刚度参数，为后期研究提供数据参考。
(3)本发明可帮助设计人员发现机床结构设计过程中较为薄弱的环节。通过对利用本发明获得的机床刚度结果进行数据分析及研究分析，可以较为直观的了解机床刚度场分布，从而可以发现机床刚度链中的薄弱环节，便于了后期机床结构设计及镗削工艺的优化改进，便于提高机床镗削加工精度。
附图说明：
图1是使用本发明方法搭建的机床镗削加工工艺下的虚拟刀装置的结构示意图。
图2是使用本发明方法搭建的机床镗削加工工艺下的虚拟刀装置的总体外观图。
图3是机床镗削加工时理论切削力在机床坐标系中的分解示意图。
图中具体标号说明如下：1为轴承套筒、2为推力轴承、3为Z向加载块、4为深沟球轴承、5为虚拟刀杆、6为刀杆螺帽、7为筒夹、8为刀柄。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1～图2所示为以国内某机床企业生产的数控镗铣床为对象，按照本发明方法搭建的机床镗削加工工艺下的虚拟刀装置，该装置可同时承受、传递并施加径向力和轴向力，模拟施加镗削加工时机床所受的三向切削力。虚拟刀装置刀柄8的一端同轴安装在机床主轴上，另一端通过筒夹7与刀柄螺帽6连接，并通过拧紧刀柄螺帽6使得虚拟刀杆5固定在刀柄8中，防止在Z向力作用下虚拟刀杆5发生轴向窜动。虚拟刀杆5的另一端还安装有深沟球轴承4及推力轴承2。深沟球轴承4的内圈与虚拟刀杆5间为过盈配合，且深沟球轴承4利用虚拟刀杆5的轴肩进行定位，使得深沟球轴承4的内圈与虚拟刀杆5的轴肩接触。轴承套筒1外部连接有X、Y两向动力设备和拉压力传感器，并设置有内台阶面，使得轴承套筒1的内台阶面与深沟球轴承4的外圈接触。在机床工作的状态下，深沟球轴承4的外圈与轴承套筒1保持不动，深沟球轴承4的内圈与虚拟刀杆5同步转动，也与机床主轴同步转动，这样虚拟刀装置在施加作用力时不会影响机床主轴的转动。推力轴承2的松环与虚拟刀杆5间为过盈配合，推力轴承2利用虚拟刀杆5端部的台阶进行定位，使得推力轴承5的松环与虚拟刀杆5的台阶面接触。Z向加载块3外部连接有Z向动力设备和拉压力传感器，Z向加载块3安装在推力轴承2的紧环上，使得Z向加载块3与推力轴承2的紧环接触。在机床工作的状态下，推力轴承2的松环与机床与虚拟刀杆5同步转动，也与机床主轴同步转动，这样施加作用力时也不会影响机床主轴的转动。
本发明中，Z向作用力由外接动力设备提供直接作用在虚拟刀装置的Z向加载块3上，经Z向加载块3传递给推力轴承2的紧环，进而传递到推力轴承2的松环，然后传递到虚拟刀杆5进而传递给机床主轴，从而在机床主轴高速旋转的情况下也可模拟机床镗削加工时所受的轴向力。X、Y两向作用力由外接动力设备提供垂直作用在轴承套筒1上，作用力经轴承套筒1依次传递到深沟球轴承4的外圈、深沟球轴承4的内圈、虚拟刀杆5，最后传递到机床主轴上。这样由刀柄8、虚拟刀杆5、深沟球轴承4、推力轴承2、轴承套筒1以及Z向加载块3组成的虚拟刀装置，就能够在机床主轴高速旋转的情况下实现同时施加X、Y、Z三向载荷，模拟镗削加工工艺下机床所受切削力。
本发明的机床镗削加工工艺下的虚拟刀装置加载方法，包括以下步骤：
(1)将机床在镗削过程中的切削力沿笛卡尔坐标系分解成三个互相垂直的作用力，即主切削力、切深抗力和进给抗力，并利用双刃镗刀指数切削力经验公式求解其理论数值，经验公式的表达式为：
Figure BDA0003549377290000071
(2)如图3，将步骤一求解得到的三个机床镗削过程中相互垂直的理论切削力Fc、Fp、Ff在机床坐标系中表示，并令机床镗削虚拟刀装置提供的三向载荷Fx、Fy、Fz与理论切削力的数值大小、施加方向保持一致，即：
Figure BDA0003549377290000072
至此即可获得虚拟刀装置模拟的机床镗削加工工艺下的理论加载量；
(3)通过刀柄螺帽6、筒夹7将刀柄8与虚拟刀杆5连接，再将深沟球轴承4与推力轴承2安装于虚拟刀杆5上，然后将轴承套筒1安装于深沟球轴承4外圈，将Z向加载块3与推力轴承2、虚拟刀杆5连接，至此完成虚拟刀装置的装配，并通过刀柄8将虚拟刀装置与机床主轴连接；
(4)在轴承套筒1和Z向加载块3外接动力设备，并在轴承套筒1和Z向加载块3上布置拉压力传感器，启动动力装置，通过观测拉压力传感器测量反馈的实时载荷数值，控制虚拟刀装置将X、Y、Z向实际加载量等于步骤二所计算的机床镗削过程中的理论加载量，即可达到对数控机床进行镗削工艺切削力模拟加载的目的；
(5)根据不同试验的试验目的，可在虚拟刀装置的刀柄8及机床各零部件处布置位移传感器，通过测量测点的位移量数值获得机床工作状态下整机或各零部件的刚度，从而找出刚度的薄弱环节进行优化设计，即可实现提高机床刚度的目的。
本方法以机床切削力公式为理论依据，提出了一种机床镗削加工工艺下的虚拟刀装置及加载方法，能够在机床主轴同时施加三向载荷来模拟实际镗削加工时的交变切削力。此外，本方法还可以应用于机床工作状态下的可靠性测试试验中，即在机床主轴高速转动过程中，通过给机床主轴施加三个方向的镗削模拟切削力来检测机床主轴形变或持续无故障工作时间，以达到评价机床可靠性的目的。由此可见，本方法对机床整机及其部件的改进设计工作有着较为重要的实际意义。

Claims (5)

1.一种机床镗削加工工艺下的虚拟刀装置，其特征在于，包括刀柄(8)，所述刀柄(8)同轴安装于机床主轴，并通过刀柄螺帽(6)、筒夹(7)与虚拟刀杆(5)一侧连接，所述虚拟刀杆(5)另一侧设置有深沟球轴承(4)和推力轴承(2)，靠近深沟球轴承(4)侧的虚拟刀杆(5)端部设置Z向加载块(3)，所述虚拟刀杆(5)上设有径向轴肩和台阶面，与轴承套筒(7)、Z向加载块(3)共同对深沟球轴承(4)和推力轴承(2)进行定位，从而限定深沟球轴承(4)和推力轴承(2)的轴向位移。
2.根据权利要求1所述的一种机床镗削加工工艺下的虚拟刀装置，其特征在于，所述深沟球轴承(4)承受径向载荷，推力轴承(2)承受轴向载荷，深沟球轴承(4)的内圈与虚拟刀杆(5)为过盈配合，并与虚拟刀杆(5)的轴肩接触，与虚拟刀杆(5)保持同步转动，推力轴承(2)的松环与虚拟刀杆(5)为过盈配合，并与虚拟刀杆(5)的台阶面接触，与虚拟刀杆(5)保持同步转动。
3.根据权利要求1所述的一种机床镗削加工工艺下的虚拟刀装置，其特征在于，所述深沟球轴承(4)外侧设置轴承套筒(1)，所述轴承套筒(1)外部连接X、Y两向动力设备和拉压力传感器，轴承套筒(1)内圈设有台阶面，与深沟球轴承(4)的外圈配合保持不动，再经虚拟刀杆(5)和刀柄(8)将X、Y两向载荷施加给机床主轴，模拟镗削加工时机床所受的径向力。
4.根据权利要求1所述的一种机床镗削加工工艺下的虚拟刀装置，其特征在于，所述Z向加载块(3)外部连接Z向动力设备和拉压力传感器，端面与推力轴承(2)的紧环连接，使推力轴承(2)的紧环与Z向加载块(3)保持不动，再经虚拟刀杆(5)和刀柄(8)将Z向载荷的施加给机床主轴，模拟镗削加工时机床所受的轴向力。
5.基于权利要求1-4任一项所述的一种机床镗削加工工艺下的虚拟刀装置的加载方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将机床在镗削过程中的切削力沿笛卡尔坐标系分解成三个互相垂直的作用力，即主切削力、切深抗力和进给抗力，并利用双刃镗刀指数切削力经验公式求解其理论数值，经验公式的表达式为：
Figure FDA0003549377280000021
式中Fc表示理论主切削力，Fp表示理论切深抗力，Ff表示理论进给抗力，ap表示背吃刀量，f表示进给量，vc表示切削速度，
Figure FDA0003549377280000022
Figure FDA0003549377280000023
分别为工件材料以及切削条件对三个切削分力的影响系数，
Figure FDA0003549377280000024
分别为背吃刀量ap对三个切削分力的影响指数，
Figure FDA0003549377280000025
Figure FDA0003549377280000026
分别为进给量f对三个切削分力的影响指数，
Figure FDA0003549377280000027
分别为切削速度vc对三个切削分力的影响指数，
Figure FDA0003549377280000028
分别为各种影响因素对三个切削分力影响的修正系数的乘积；
步骤二：将步骤一求解得到的三个机床镗削过程中相互垂直的理论切削力Fc、Fp、Ff在机床坐标系中表示，并令机床镗削虚拟刀装置提供的三向载荷Fx、Fy、Fz与理论切削力的数值大小、施加方向保持一致，即：
Figure FDA0003549377280000031
式中，Fx为虚拟刀装置加载在机床x向上的模拟载荷，Fy为虚拟刀装置加载在机床y向上的模拟载荷，Fz为虚拟刀装置加载在机床Z向上的模拟载荷，至此即可获得虚拟刀装置应模拟的机床镗削过程理论加载量，至此即可获得虚拟刀装置模拟的机床镗削加工工艺下的理论加载量；
步骤三：通过刀柄螺帽(6)、筒夹(7)将刀柄(8)与虚拟刀杆(5)连接，再将深沟球轴承(4)与推力轴承(2)安装于虚拟刀杆(5)上，然后将轴承套筒(1)安装于深沟球轴承(4)外圈，将Z向加载块(3)与推力轴承(2)、虚拟刀杆(5)连接，并通过刀柄(8)将虚拟刀装置与机床主轴连接，至此可完成虚拟刀装置的装配；
步骤四：在轴承套筒(1)和Z向加载块(3)外接动力设备，并在轴承套筒(1)和Z向加载块(3)上布置拉压力传感器，启动动力装置，通过观测拉压力传感器测量反馈的实时载荷数值，控制虚拟刀装置将X、Y、Z向实际加载量等于步骤二所计算的机床镗削过程中的理论加载量，即可达到对数控机床进行镗削工艺切削力模拟加载的目的；
步骤五：根据不同试验的试验目的，可在虚拟刀刀柄(8)及机床各零部件处布置位移传感器，通过测量测点的位移量数值获得机床工作状态下整机或各零部件的刚度。
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