CN208297120U - 刀具-刀柄-主轴系统的结合部静刚度模拟测试分析装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及刀具‑刀柄‑主轴系统的结合部静刚度模拟测试分析装置，主要针对刀具‑刀柄‑主轴系统的结合部静刚度进行模拟测试和显示分析，获得刀具‑刀柄结合部和刀柄‑主轴结合部的静刚度值。该装置包括了测试箱体，刀具，刀柄，拉刀机构，模拟主轴头，轴向、径向加载装置，轴向、径向压力传感器，轴向、径向位移传感器及其支架，控制箱数显表和计算机。本实用新型可以实现多种类型的刀具‑刀柄‑主轴系统静刚度测试，测试时拆装方便，获得的数据可以通过控制箱数显表显示记录，也可以输出到计算机上显示分析，对研究刀具‑刀柄‑主轴系统的静态性能具有重要意义。
Description
技术领域
本实用新型属于机械设计制造技术领域，具体涉及一种刀具-刀柄-主轴系统的结合部静刚度模拟测试分析装置。
背景技术
高速加工机床是一个国家制造业发达的基本指标，而高速加工工具系统的性能直接影响到加工机床的加工性能。高速加工工具系统可以简单概括为刀具-刀柄-主轴系统，由于工具系统中的刀柄、刀具、主轴等材料静刚度已经确定，所以系统中传递动力和精度的部分，即结合部，对系统性能的影响尤为重要。影响刀柄-主轴结合部刚度的因素主要是拉刀机构的拉紧力，影响刀具-刀柄结合部刚度的因素主要是刀具刀柄的配合长度，目前实际加工过程中，对此没有科学合理的有效参考依据，不合理的拉紧力、刀具过盈量和配合长度会影响机床的加工精度和质量，严重情况下还会损坏部件，引发重大安全事故，本实用新型的目的即通过实验方法研究不同拉紧力状态下刀柄-主轴结合部和不同刀具过盈量、不同配合长度下刀具-刀柄结合部的刚度变化规律，将数据显示记录，并交由计算机辅助分析，可以合理确定刀柄拉紧力、刀具过盈量和刀具刀柄配合长度，对提高机床的加工质量、精度与效率具有重要意义。
HSK刀柄作为目前市场上高速数控机床和加工中心最常用的刀柄工具，具有刚度高、连接性能可靠、传动链短等优点，但是该型刀柄成为国际标准的时间短，市场用户对其有很多错误认识，很多问题也没有足够的科学论证，缺乏完整全面的使用规范，如拉紧力大小和拉刀机构的标准不满足加工精度要求，刀柄、刀具过盈量和刀具刀柄配合长度没有依据标准。因此研究其与主轴、刀具结合部的静刚度对提高机床加工性能具有重要意义。
实用新型内容
为了解决上述现有技术上的缺陷，本实用新型提供一种刀具-刀柄-主轴系统的结合部静刚度模拟测试分析装置，其特征包含：
测试箱体，
所述测试箱体第一侧面嵌入并固定有模拟主轴头前端，且延伸在测试箱体里面的模拟主轴头前端部分之上设置有刀柄，组成刀柄-主轴结合部；
在测试箱体外面的所述模拟主轴头前端部分与模拟主轴头后端连接，并在所述模拟主轴头后端设置施加轴向力给所述刀柄-主轴结合部的轴向加载装置；
所述测试箱体顶部嵌入施加径向力给所述刀柄-主轴结合部的径向加载装置；
所述刀柄的下侧设置第一径向位移传感器、第二径向位移传感器，测得的位移是刀柄相对于主轴头前端的位移。
优选地，所述轴向加载装置包含：拉杆、轴向加载螺母、平面轴承、轴向压力传感器、碟形弹簧、垫圈A和垫圈B；
所述轴向压力传感器第一侧面与所述模拟主轴头后端连接；
所述拉杆依次穿过碟形弹簧、垫圈A、平面轴承、垫圈B、轴向压力传感器、模拟主轴头后端、模拟主轴头前端后，第一末端接触所述模拟主轴头前端设置的拉刀结构；
所述轴向加载螺母设置在所述拉杆的第二末端。
优选地，所述刀柄的上下两侧设置第一轴向位移传感器、第二轴向位移传感器，检测刀柄在拉紧力加大的过程中对刀柄的轴向倾斜情况进行检测。
优选地，在所述模拟主轴头前端设置轴向位移传感器支架，支撑所述第一轴向位移传感器、第二轴向位移传感器；
所述模拟主轴头前端设置径向位移传感器支架，支撑并移动所述第一径向位移传感器、第二径向位移传感器。
优选地，所述测试箱体里面还包括：所述刀柄另一侧的悬伸端之上设置刀具，组成刀柄-刀具结合部；
所述第一径向位移传感器、第二径向位移传感器也位于所述刀具的下侧，检测刀具相对于主轴头前端的位移；
所述径向加载装置进一步包含：
径向加载座，
所述径向加载座内设置有径向加载螺钉，所述径向加载螺钉的第一末端露在所述测试箱体外面，其第二末端之上设置在径向压力传感器的第一侧面；
所述径向压力传感器的第二侧面设置压力头，所述压力头对所述刀柄或刀具施加径向加载力。
优选地，测试箱体上根据测试具体要求安装不同规格型号的模拟主轴头前端、模拟主轴头后端、刀柄及刀具；
所述装置还包含控制箱数显表和计算机与所述测试箱体各部分间信号连接传输装置。
优选地，所述刀柄锥柄部位于主轴头前端内锥孔内；所述模拟主轴头前端的拉刀结构与所述刀柄固定，对刀柄施加拉力，以拉紧刀柄-主轴结合部。
本实用新型可以实现多种类型的刀具-刀柄-主轴系统静刚度测试，测试时拆装方便，获得的数据可以通过控制箱数显表显示记录，也可以输出到计算机上显示分析，对研究刀具-刀柄-主轴系统的静态性能具有重要意义。
附图说明
图1是模拟测试分析装置示意图；
图2是模拟测试分析装置结构示意图；
图3是轴向刚度测试示意图；
图4是刀柄-主轴静刚度测试示意图；
图5是刀具-刀柄静刚度测试示意图；
图6是刀柄-主轴结合部径向刚度及角刚度求解示意图；
图7是刀具-刀柄结合部径向刚度及角刚度求解示意图。
具体实施方式
下面对具体实施方式进行详细说明。
如图2所示，一种刀具-刀柄-主轴系统的结合部静刚度模拟测试分析装置，包含：测试箱体(1)、测试箱体防护屏(2)、模拟主轴前端(3)、模拟主轴后端(4)、拉杆(5)、轴向加载螺母(6)、碟形弹簧(7)、垫圈A(8)、垫圈B(9)、平面轴承(10)、拉刀结构(11)、轴向位移传感器支架(12)、径向位移传感器支架(13)、轴向压力传感器(14)、径向压力传感器(15)、刀柄(16)、刀具(17)、径向加载座(18)、径向加载螺钉(19)、压力头(20)、轴向位移传感器A(21)、轴向位移传感器B(22)、径向位移传感器A(23)、径向位移传感器B(24)。
测试箱体(1)第一侧面嵌入并固定有模拟主轴头前端(3)，且延伸在测试箱体里面的模拟主轴头前端(3)部分之上设置有刀柄(16)，组成刀柄-主轴结合部；刀柄(16)另一侧的悬伸端上可设置刀具(17)，组成刀柄-刀具结合部。所述刀柄(16)锥柄部位于主轴头前端(3)内锥孔内，且所述模拟主轴头前端(3)设置拉刀结构(11)，与所述刀柄(16)固定。
在测试箱体外面的模拟主轴头前端(3)部分与模拟主轴头后端(4)连接，并在模拟主轴头后端(4)与轴向压力传感器(14)的第一侧面贴合；拉杆(5)依次穿过轴向压力传感器(14)、模拟主轴头后端(4)、模拟主轴头前端(3)，且其第一末端接触所述刀柄-主轴结合部；拉杆(5)第二末端设置轴向加载螺母(6)；防止旋转运动传给轴向压力传感器(14)的平面轴承(10)，设置在轴向压力传感器(14)的第二面，且垫圈A(8)和垫圈B(9)设置在所述平面轴承(10)的两侧；垫圈A(8)和垫圈B(9)使用过程中对上紧的持续要求的碟形弹簧(7)，设置在所述垫圈A(8)和轴向加载螺母(6)之间；所述碟形弹簧(7)、垫圈A(8)、垫圈B(9)、平面轴承(10)均都套在所述拉杆(5)之上。
所述测试箱体顶部插入有径向加载座(18)，所述径向加载座(18)内设置有径向加载螺钉(19)，旋转径向加载螺钉(19)，将径向压力经径向压力传感器(15)传递给设置在径向加载座(18)底部的压力头(20)，所述压力头(20)对所述刀柄(16)或刀具(17)施加径向加载力；测量径向加载力的径向压力传感器(15)，设置于径向加载螺钉(19)与压力头(20)之间。
所述刀柄(16)或刀具(17)的下侧设置径向位移传感器(23)(24)，测得的位移是刀柄(16)相对于主轴头前端(3)或刀具(17)相对于刀柄(16)的位移；所述刀柄(16)的上下两侧设置轴向传感器(21)(22)，检测刀柄(16)在拉紧力加大的过程中对刀柄(16)的轴向倾斜情况进行检测；在所述模拟主轴头前端(3)设置轴向位移传感器支架(12)，支撑所述轴向位移传感器(21)(22)；在所述模拟主轴头前端(3)设置径向位移传感器支架(13)，支撑并移动所述径向位移传感器(24)(25)。
如附图1所示，此装置还包含控制箱数显表和计算机，通过调节轴向和径向加载装置，测得结合部位移情况，由控制箱数显表显示；或由数据传输装置传送到计算机上分析，计算得到不同拉紧力状态下刀柄-主轴结合部的静刚度，不同刀具-刀柄配合长度、不同刀具过盈量下刀具-刀柄结合部的静刚度。
测试箱体(1)上根据测试具体要求安装不同规格型号的模拟主轴头(3)(4)、刀柄(16)及刀具(17)，本发明的优选实施例所使用的刀柄是HSK63系列刀柄(16)。
如附图3所示，本装置进行刀柄(16)-主轴(3)结合部轴向刚度测试时，不夹持刀具(17)，不施加径向压力，通过拧紧松开轴向加载螺母(6)，对刀柄(16)施加不同大小的拉紧力，拉紧力大小由轴向压力传感器(14)测得。轴向加载装置中采用碟形弹簧(7)可以降低垫圈(8)(9)使用过程中对上紧的持续要求。采用平面轴承(10)，主要是为了防止轴向加载螺母(6)旋转过程中，将旋转运动传给轴向压力传感器(14)。轴向位移传感器支架(12)固定在主轴头前端(3)，所以轴向位移传感器(21)(22)测得的位移是刀柄(16)相对于主轴头前端(3)的轴向位移，也即刀柄(16)-主轴(3)结合部轴向位移，这样可以保证该位移只包含刀柄(16)-主轴(3)结合部的轴向变形，不会因其他部件变形而影响数据准确性。采用两套轴向位移传感器(21)(22)，可以检测刀柄(16)在拉紧力加大的过程中是否发生倾斜，保证拉紧力沿着轴线方向。轴向压力大小与轴向位移值测得的数据会在控制箱数显表或计算机上显示。由轴向加载力-轴向位移关系，可以得到轴向加载力-结合部轴向刚度的关系。
如附图4所示，本装置进行刀柄(16)-主轴(3)结合部径向刚度和角刚度测试时，不夹持刀具(17)，调节径向加载装置的压力位置，使其对刀柄(16)悬伸端施加径向压力。旋转轴向加载螺母(6)确定一轴向拉紧力之后，通过调节径向加载螺钉(19)，使压力头(20)以不同大小压力作用于刀柄(16)，使结合部产生径向位移和角位移，径向压力大小由径向压力传感器(15)测得。
如附图5所示，本装置进行刀具(17)-刀柄(16)结合部径向刚度和角刚度测试时，夹持刀具(17)，调节径向加载装置的压力位置，使其对刀具(17)悬伸端施加径向压力。确定一刀具(17)刀柄(16)夹持长度之后，通过调节径向加载螺钉(19)，使压力头(20)以不同大小压力作用于刀具(16)，使结合部产生位移，径向压力大小由径向压力传感器(15)测得。
采用径向加载座(18)，可以实现径向加载螺钉(19)和压力头(20)位于同一个轴线上，且可以保证径向压力垂直作用于刀具(17)和刀柄(16)的中轴线。径向位移传感器支架(13)固定在主轴头前端(3)，所以径向位移传感器(23)(24)测得的位移是刀具(17)和刀柄(16)相对于主轴头前端(3)的位移，这样可以保证不会因其他部件变形而影响数据准确性。采用两套径向位移传感器(23)(24)，可以分解出结合部的径向位移和角位移，从而计算出结合部的径向刚度和角刚度。径向压力大小与径向位移值测得的数据会在控制箱数显表或计算机上显示。由径向加载力-径向位移关系，可以得到径向加载力-结合部径向刚度的关系；由弯矩-角位移关系，可以得到弯矩-结合部角刚度的关系。
通过调节轴向加载螺母(6)、选择不同刀具(17)过盈量和刀具(17)刀柄(16)配合长度，结合上述结合部径向刚度和角刚度测试方法，可以得到径向加载力-结合部径向刚度关系，和弯矩-结合部角刚度关系。
下面对刀柄(16)-主轴(3)结合部的径向刚度和角刚度求解过程进行详细说明。
在测量刀柄(16)-主轴(3)结合部的径向刚度和角刚度时，刀柄(16)不夹持刀具(17)。
如附图6所示，建立刀柄(16)-主轴(3)结合部坐标系O-XYZ,径向加载力Fz作用于刀柄(16)悬伸端，由径向位移传感器A(23)、径向位移传感器B(24)测得径向位移δZA和δZB，该位移由三部分组成：刀柄(16)受径向加载力Fz产生的相对径向位移d0，刀柄(16)受径向加载力发生角位移d1产生的位移d1'和刀柄(16)受径向加载力产生的弹性变形d2，即：
由于刀柄(16)锥柄部较短且位于主轴(3)头内，这里假设刀柄(16)锥柄部不发生弯曲变形，因此只有刀柄(16)-主轴(3)结合部的相对径向位移d0和角位移d1。
根据上述假设，通过有限元软件计算出刀柄(16)悬伸端的弹性变形d2。
测得O点到径向位移传感器A(23)的距离为l1,O点到传感器B的距离为l2。
由几何关系，知：
解得刀柄(16)-主轴(3)结合部的相对径向位移d0和角位移d1：
由测量装置测得径向加载力Fz与δZA、δZB的函数关系，结合上述公式得到径向加载力Fz与相对径向位移d0的函数关系，进一步求导得到刀柄(16)-主轴(3)结合部的径向刚度K0：
由测量装置测得径向加载力Fz与δZA、δZB的函数关系，根据弯矩公式有M1＝FZ·l3(l3:O点到径向加载力着力点的距离)，结合上述公式得到弯矩M1与角位移d1的函数关系，进一步求导得到刀柄(16)-主轴(3)结合部的角刚度K1：
下面对刀具(17)-刀柄(16)结合部的径向刚度和角刚度求解过程进行详细说明。
刀柄(16)夹持刀具(17)后，调整径向加载座(18)的位置，使其径向压力作用于刀具(17)，刀具(17)与刀柄(16)都因受力发生位移。如附图7所示，当径向负载作用于刀具(17)时，此时刀柄(16)受力情况相当于上述情况的径向加载力Fz作用于刀柄(16)悬伸端末端，此时l3等于O到刀柄(16)悬伸端末端的距离，此时刀柄(16)的位移情况参照上述情况分析。
先将径向位移传感器B(24)置于刀柄(16)悬伸端末端，测得刀柄(16)悬伸端末端径向位移δZB后，再将径向位移传感器A(23)、径向位移传感器B(24)置于刀具(17)部分，测得径向位移δZA'和δZB'，则刀具(17)相对于刀柄(16)的径向位移为
位移δZA”和δZB”由三部分组成：刀具(17)相对于刀柄(16)受径向加载力产生的相对径向位移d3，刀具(17)相对于刀柄(16)受径向加载力发生角位移d4产生的位移d4'和刀具(17)受径向加载力产生的弹性变形d5，即：
因为刀具(17)被夹持部分在刀柄(16)内，且被夹持部分较短，所以被夹持部分发生的弹性变形可以忽略，即刀具(17)的弹性变形只发生在刀具(17)悬伸端。
通过有限元软件可以计算刀具(17)部分发生的弹性变形d5。
测得刀柄(16)悬伸端末端到传感器A的距离为l4,刀柄(16)悬伸端末端到传感器B的距离为l5。
由几何关系，知：
解得刀具(17)-刀柄(16)结合部的相对径向位移d3和角位移d4：
由测量装置测得径向加载力Fz'与δZA”、δZB”的函数关系，结合上述公式得到径向加载力Fz'与相对径向位移d3的关系，进一步求导得到刀具(17)-刀柄(16)结合部的径向刚度K2：
由测量装置测得径向加载力Fz'与δZA”、δZB”的关系，根据弯矩公式有M2＝FZ'·l6(l6:刀柄(16)悬伸端末端到径向加载力着力点的距离)，结合上述公式得到弯矩M2与角位移d4的关系，进一步求导得到刀具(17)-刀柄(16)结合部的角刚度K2：
尽管本实用新型的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本实用新型的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本实用新型的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本实用新型的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (7)
1.一种刀具-刀柄-主轴系统的结合部静刚度模拟测试分析装置，其特征在于，包含：
测试箱体(1)，
所述测试箱体第一侧面嵌入并固定有模拟主轴头前端(3)，且延伸在测试箱体里面的模拟主轴头前端(3)部分之上设置有刀柄(16)，组成刀柄-主轴结合部；
在测试箱体外面的所述模拟主轴头前端(3)部分与模拟主轴头后端(4)连接，并在所述模拟主轴头后端(4)设置施加轴向力给所述刀柄-主轴结合部的轴向加载装置；
所述测试箱体顶部嵌入施加径向力给所述刀柄-主轴结合部的径向加载装置；
所述刀柄(16)的下侧设置第一径向位移传感器(23)、第二径向位移传感器(24)，测得的位移是刀柄(16)相对于主轴头前端(3)的位移。
2.如权利要求1所述的刀具-刀柄-主轴系统的结合部静刚度模拟测试分析装置，其特征在于，所述轴向加载装置包含：拉杆(5)、轴向加载螺母(6)、平面轴承(10)、轴向压力传感器(14)、碟形弹簧(7)、垫圈A(8)和垫圈B(9)；
所述轴向压力传感器(14)第一侧面与所述模拟主轴头后端(4)连接；
所述拉杆(5)依次穿过碟形弹簧(7)、垫圈A(8)、平面轴承(10)、垫圈B(9)、轴向压力传感器(14)、模拟主轴头后端(4)、模拟主轴头前端(3)后，第一末端接触所述模拟主轴头前端(3)设置的拉刀结构(11)；
所述轴向加载螺母(6)设置在所述拉杆(5)的第二末端。
3.如权利要求2所述的刀具-刀柄-主轴系统的结合部静刚度模拟测试分析装置，其特征在于，所述刀柄(16)的上下两侧设置第一轴向位移传感器(21)、第二轴向位移传感器(22)，检测刀柄(16)在拉紧力加大的过程中对刀柄(16)的轴向倾斜情况进行检测。
4.如权利要求3所述的刀具-刀柄-主轴系统的结合部静刚度模拟测试分析装置，其特征在于，在所述模拟主轴头前端(3)设置轴向位移传感器支架(12)，支撑所述第一轴向位移传感器(21)、第二轴向位移传感器(22)；
所述模拟主轴头前端(3)设置径向位移传感器支架(13)，支撑并移动所述第一径向位移传感器(23)、第二径向位移传感器(24)。
5.如权利要求4所述的刀具-刀柄-主轴系统的结合部静刚度模拟测试分析装置，其特征在于，所述测试箱体里面还包括：所述刀柄(16)另一侧的悬伸端之上设置刀具(17)，组成刀柄-刀具结合部；
所述第一径向位移传感器(23)、第二径向位移传感器(24)也位于所述刀具(17)的下侧，检测刀具(17)相对于主轴头前端(3)的位移；
所述径向加载装置进一步包含：
径向加载座(18)，
所述径向加载座(18)内设置有径向加载螺钉(19)，所述径向加载螺钉(19)的第一末端露在所述测试箱体(1)外面，其第二末端之上设置在径向压力传感器(15)的第一侧面；
所述径向压力传感器(15)的第二侧面设置压力头(20)，所述压力头(20)对所述刀柄(16)或刀具(17)施加径向加载力。
6.如权利要求5所述的刀具-刀柄-主轴系统的结合部静刚度模拟测试分析装置，其特征在于，测试箱体(1)上根据测试具体要求安装不同规格型号的模拟主轴头前端(3)、模拟主轴头后端(4)、刀柄(16)及刀具(17)；
所述装置还包含控制箱数显表和计算机通过各部分间信号连接传输装置与所述测试箱体(1)信号连接。
7.如权利要求2所述的刀具-刀柄-主轴系统的结合部静刚度模拟测试分析装置，其特征在于，所述刀柄(16)锥柄部位于主轴头前端(3)内锥孔内；所述模拟主轴头前端(3)的拉刀结构(11)与所述刀柄(16)固定，对刀柄(16)施加拉力，以拉紧刀柄-主轴结合部。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201821023199.XU CN208297120U (zh) | 2018-06-29 | 2018-06-29 | 刀具-刀柄-主轴系统的结合部静刚度模拟测试分析装置 |
Applications Claiming Priority (1)
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| CN201821023199.XU CN208297120U (zh) | 2018-06-29 | 2018-06-29 | 刀具-刀柄-主轴系统的结合部静刚度模拟测试分析装置 |
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| CN208297120U true CN208297120U (zh) | 2018-12-28 |
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| CN201821023199.XU Active CN208297120U (zh) | 2018-06-29 | 2018-06-29 | 刀具-刀柄-主轴系统的结合部静刚度模拟测试分析装置 |
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| CN (1) | CN208297120U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108760275A (zh) * | 2018-06-29 | 2018-11-06 | 上海第二工业大学 | 刀具-刀柄-主轴系统结合部静刚度分析装置及分析方法 |
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2018
- 2018-06-29 CN CN201821023199.XU patent/CN208297120U/zh active Active
Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN108760275A (zh) * | 2018-06-29 | 2018-11-06 | 上海第二工业大学 | 刀具-刀柄-主轴系统结合部静刚度分析装置及分析方法 |
| CN108760275B (zh) * | 2018-06-29 | 2024-04-05 | 上海第二工业大学 | 刀具-刀柄-主轴系统结合部静刚度分析装置及分析方法 |
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|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
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