本發(fā)明涉及一種切削力測(cè)量方法，特別涉及一種基于刀桿兩點(diǎn)變形的切削力測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

文獻(xiàn)1“Albrecht A,Park S S,Altintas Y,et al.High frequency bandwidth cutting force measurement in milling using capacitance displacement sensors.International Journal of Machine Tools and Manufacture,2005,45:993–1008.”公開(kāi)了一種基于主軸變形的切削力測(cè)量方法，該方法通過(guò)電容位移傳感器測(cè)量加工過(guò)程中的主軸變形間接獲取切削力。但該方法存在刀尖點(diǎn)到主軸的變形位移傳遞率較低以及主軸自身的振動(dòng)影響測(cè)量準(zhǔn)確度，不利于誤差分離等問(wèn)題。

文獻(xiàn)2“朱堅(jiān)民,王健,張統(tǒng)超等.基于刀具振動(dòng)位移的動(dòng)態(tài)銑削力測(cè)量方法.儀器儀表學(xué)報(bào),2014,35(12):2772–2782.”公開(kāi)了一種基于刀具變形的切削力測(cè)量方法，該方法使用激光測(cè)振儀測(cè)量加工過(guò)程中的刀具單點(diǎn)變形量，并且利用材料力學(xué)的知識(shí)確定刀具剛度，從而間接獲取切削力。但這種方法只能測(cè)量進(jìn)給方向的切削力，且提出的確定刀具剛度的方法忽略了主軸-刀柄部分的變形，當(dāng)?shù)毒卟牧蠗钍夏Ａ亢艽髸r(shí)，該方法確定的刀具剛度將嚴(yán)重偏離真實(shí)值。

以上文獻(xiàn)存在的技術(shù)問(wèn)題是：在使用測(cè)量位移信號(hào)間接獲得切削力的方法時(shí)，主軸-刀柄部分的變形位移獲取困難，操作不方便，而目前測(cè)量刀具變形獲取切削力的方法只能測(cè)得進(jìn)給方向的切削力，且不能適用于材料楊氏模量很大的刀具(如硬質(zhì)合金刀具)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有切削力測(cè)量方法實(shí)用性差的不足，本發(fā)明提供一種基于刀桿兩點(diǎn)變形的切削力測(cè)量方法。該方法首先沿刀桿豎直方向選取兩處位移傳感器測(cè)量點(diǎn)，利用材料力學(xué)的理論知識(shí)計(jì)算刀具剛度。其次，使用磁力表座、輔助樹(shù)脂夾具將位移傳感器固定安裝在選定位置處，采集刀桿上下兩處測(cè)量點(diǎn)的變形位移。再次，將兩個(gè)位移傳感器采集得到的位移信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到切削力引起的刀桿上下測(cè)量點(diǎn)的變形，再將二者相減，即可得到切削力引起的刀桿下端測(cè)量點(diǎn)相對(duì)于上端測(cè)量點(diǎn)的變形量。最后，結(jié)合使用已確定的刀具剛度，即可間接獲得切削力。本發(fā)明適用于高速鋼、硬質(zhì)合金等多種刀具，且能準(zhǔn)確測(cè)量進(jìn)給方向和進(jìn)給法向兩個(gè)方向的切削力，實(shí)用性好。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案：一種基于刀桿兩點(diǎn)變形的切削力測(cè)量方法，其特點(diǎn)是包括以下步驟：

步驟一、刀具裝夾在刀柄上，并一起安裝于機(jī)床之后，沿刀桿豎直方向選取位移傳感器上端測(cè)量點(diǎn)I和下端測(cè)量點(diǎn)II。測(cè)量點(diǎn)在切削進(jìn)給方向，測(cè)得切削力即為進(jìn)給方向切削力；測(cè)量點(diǎn)在切削進(jìn)給法向，測(cè)得切削力即為進(jìn)給法向切削力。

步驟二、采用下式獲取刀具剛度：

式中，E_bar是刀具材料的楊氏模量，l_tool是刀具底端截面與刀柄夾持刀具處之間的距離，l_I是上端測(cè)量點(diǎn)I與刀柄夾持刀具處之間的距離，l_II是下端測(cè)量點(diǎn)II與刀柄夾持刀具處之間的距離。I_bar是刀具刀桿的截面二次矩，其表達(dá)式為：

式中，d為刀具直徑。

步驟三、使用磁力表座和輔助夾具將兩個(gè)電容式位移傳感器固定安裝在刀桿測(cè)量點(diǎn)旁，調(diào)節(jié)電容式位移傳感器探頭與刀桿測(cè)量點(diǎn)之間的距離，使之達(dá)到傳感器的測(cè)量范圍，并將電容位移傳感器與其配套驅(qū)動(dòng)器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備和計(jì)算機(jī)連接好。

步驟四、采集機(jī)床空轉(zhuǎn)和加工過(guò)程中的刀桿兩處測(cè)量點(diǎn)I和II的變形位移信號(hào)，分別選取測(cè)量點(diǎn)I和II的幾個(gè)穩(wěn)定的空轉(zhuǎn)段信號(hào)周期，并將其拓展至整個(gè)測(cè)量過(guò)程。

步驟五、分別將加工過(guò)程中測(cè)量點(diǎn)I和II的變形位移信號(hào)減去同步拓展得到的空轉(zhuǎn)段位移信號(hào)，獲取切削力引起的刀桿測(cè)量點(diǎn)I的變形δ_I和刀桿測(cè)量點(diǎn)II的變形δ_II。

步驟六、將δ_II減去δ_I，即可得到切削力引起的下端測(cè)量點(diǎn)II相對(duì)于上端測(cè)量點(diǎn)I的變形δ_II-δ_I。

步驟七、結(jié)合步驟二確定的K_δ和步驟六得到的δ_II-δ_I，通過(guò)下式測(cè)得切削力：

F＝(δ_II-δ_I)K_δ。

本發(fā)明的有益效果是：該方法首先沿刀桿豎直方向選取兩處位移傳感器測(cè)量點(diǎn)，利用材料力學(xué)的理論知識(shí)計(jì)算刀具剛度。其次，使用磁力表座、輔助樹(shù)脂夾具將位移傳感器固定安裝在選定位置處，采集刀桿上下兩處測(cè)量點(diǎn)的變形位移。再次，將兩個(gè)位移傳感器采集得到的位移信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到切削力引起的刀桿上下測(cè)量點(diǎn)的變形，再將二者相減，即可得到切削力引起的刀桿下端測(cè)量點(diǎn)相對(duì)于上端測(cè)量點(diǎn)的變形量。最后，結(jié)合使用已確定的刀具剛度，即可間接獲得切削力。本發(fā)明適用于高速鋼、硬質(zhì)合金等多種刀具，且能準(zhǔn)確測(cè)量進(jìn)給方向和進(jìn)給法向兩個(gè)方向的切削力，實(shí)用性好。

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說(shuō)明。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明基于刀桿兩點(diǎn)變形的切削力測(cè)量方法的流程圖。

圖2是本發(fā)明方法實(shí)施例1的切削力測(cè)量結(jié)果與商用測(cè)力儀測(cè)得切削力對(duì)比圖。

圖3是本發(fā)明方法實(shí)施例2的切削力測(cè)量結(jié)果與商用測(cè)力儀測(cè)得切削力對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

以下實(shí)施例參照?qǐng)D1-3。

實(shí)施例1：測(cè)量進(jìn)給法向切削力，刀具材料為高速鋼。

(1)按照?qǐng)D1所示的流程安裝實(shí)驗(yàn)設(shè)備。兩個(gè)雄獅CPL190系列電容位移傳感器安裝在切削力進(jìn)給法向上的刀桿指定位置之后與其配套驅(qū)動(dòng)器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)相連，再將兩個(gè)傳感器探頭調(diào)節(jié)至合適位置，即可進(jìn)行切削力測(cè)量。為驗(yàn)證本發(fā)明提供的基于刀桿兩點(diǎn)變形的切削力測(cè)量方法，Kistler9255B商用測(cè)力儀也將同時(shí)采集切削力，以供參考。加工工件材料為鋁合金7050，使用刀具為3刃高速鋼銑刀，刀具直徑為8mm，加工參數(shù)為：主軸轉(zhuǎn)速為2000rpm，軸向切深2mm，徑向切深4mm，進(jìn)給速度300mm/min，切削力方向?yàn)檫M(jìn)給法向；

(2)利用下式獲取刀具剛度：

式中，E_bar＝210GPa，d＝8mm，l_tool＝65mm，l_I＝10mm，l_II＝30mm。經(jīng)計(jì)算得K_δ＝1.9488N/μm；

(3)采集機(jī)床空轉(zhuǎn)和加工過(guò)程中的刀桿兩處測(cè)量點(diǎn)I和II的變形位移信號(hào)，分別選取測(cè)量點(diǎn)I和II的幾個(gè)穩(wěn)定的空轉(zhuǎn)段信號(hào)周期，并將其拓展至整個(gè)測(cè)量過(guò)程，再將加工過(guò)程中測(cè)量點(diǎn)I和II的變形位移信號(hào)減去同步拓展得到的空轉(zhuǎn)段位移信號(hào)，獲取切削力引起的刀桿測(cè)量點(diǎn)I的變形δ_I和刀桿測(cè)量點(diǎn)II的變形δ_II。將δ_II減去δ_I，即可得到切削力引起的下端測(cè)量點(diǎn)II相對(duì)于上端測(cè)量點(diǎn)I的變形δ_II-δ_I；

(4)將確定的K_δ與δ_II-δ_I相乘，即可得到切削力(如圖2所示)。

實(shí)施例2：測(cè)量進(jìn)給法向切削力，刀具材料為硬質(zhì)合金。

(1)按照?qǐng)D1所示的流程安裝實(shí)驗(yàn)設(shè)備。兩個(gè)雄獅CPL190系列電容位移傳感器安裝在切削力進(jìn)給方向上的刀桿指定位置之后與其配套驅(qū)動(dòng)器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)相連，再將兩個(gè)傳感器探頭調(diào)節(jié)至合適位置，即可進(jìn)行切削力測(cè)量。為驗(yàn)證本發(fā)明提供的基于刀桿兩點(diǎn)變形的切削力測(cè)量方法，Kistler9255B商用測(cè)力儀也將同時(shí)采集切削力，以供參考。加工工件材料為鋁合金7050，使用刀具為4刃硬質(zhì)合金銑刀，刀具直徑為12mm，加工參數(shù)為：主軸轉(zhuǎn)速為1200rpm，軸向切深2mm，徑向切深3mm，進(jìn)給速度320mm/min，切削力方向?yàn)檫M(jìn)給方向；

(2)利用下式獲取刀具剛度：

式中，E_bar＝610GPa，d＝12mm，l_tool＝85mm，l_I＝15mm，l_II＝35mm。經(jīng)計(jì)算得K_δ＝17.2874N/μm；

(3)采集機(jī)床空轉(zhuǎn)和加工過(guò)程中的刀桿兩處測(cè)量點(diǎn)I和II的變形位移信號(hào)，分別選取測(cè)量點(diǎn)I和II的幾個(gè)穩(wěn)定的空轉(zhuǎn)段信號(hào)周期，并將其拓展至整個(gè)測(cè)量過(guò)程，再將加工過(guò)程中測(cè)量點(diǎn)I和II的變形位移信號(hào)減去同步拓展得到的空轉(zhuǎn)段位移信號(hào)，獲取切削力引起的刀桿測(cè)量點(diǎn)I的變形δ_I和刀桿測(cè)量點(diǎn)II的變形δ_II。將δ_II減去δ_I，即可得到切削力引起的下端測(cè)量點(diǎn)II相對(duì)于上端測(cè)量點(diǎn)I的變形δ_II-δ_I；

(4)將確定的K_δ與δ_II-δ_I相乘，即可得到切削力(如圖3所示)。