專利名稱：一種模塊化刀柄結合部靜剛度試驗裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于機械設計制造技術領域，具體涉及一種模塊化刀柄結合部靜剛度試驗
直O
背景技術：
刀柄是聯系刀具與機床主軸的主要元件，刀柄與主軸內錐孔之間的結合面接觸剛 度(也稱刀柄結合部剛度)直接影響著機床的加工質量與效率。由于刀柄本身剛度已經確定 (尺寸、形狀、材料等已經確定)，對刀柄的實際使用來說，刀柄結合部的剛度是可變的(與刀 柄的軸向拉力大小、刀柄錐與主軸內錐孔的接觸率、接觸狀態等有關系)，因此通過實驗方 法研究不同拉緊力狀態下的刀柄結合部剛度變化規律，對合理確定刀柄拉緊力、提高機床 的加工性能具有重要意義。目前市場上最為流行的是BT (7 :24錐柄)系列刀柄，它是中高速以下數控機床 (包括加工中心)的主要使用刀柄系列，理論上這種刀柄不自鎖，裝卸方便，需要通過拉刀機 構將刀柄拉緊，因此拉刀機構對刀柄施加的拉力大小將直接影響著刀柄與主軸的連接剛度 (刀柄結合部剛度)。目前拉刀機構施加給刀柄的拉力主要通過經驗或類比給出的，缺乏實 驗依據。如果拉力不夠，會造成刀柄與主軸連接剛度不足，影響加工質量；如果拉力過大，會 造成刀柄與主軸內錐孔之間的接觸面壓傷，甚至影響刀柄的裝卸。另一方面，刀柄與主軸內 錐孔之間的實際接觸面積(接觸率)也將影響刀柄與機床主軸內錐孔的連接剛度，因此對于 不同的接觸率，為了保持足夠的刀柄與機床主軸內錐孔之間的連接剛度，需要拉緊力也不 同。通過試驗研究可以獲得不同拉緊力作用下、不同接觸率下的刀柄與主軸之間的結合部 剛度，可以為刀柄的拉力確定提供科學合理的數據，因此設計一種科學合理的刀柄性能試 驗裝置及試驗方法將對研究刀柄性能及刀柄設計改進具有重要意義。

發明內容
本發明的目的是提供一種模塊化刀柄結合部靜剛度試驗裝置，以克服現有技術沒 有專門針對刀柄結合部靜剛度的試驗裝置，無法測試不同拉緊力狀態下的刀柄結合部剛度 變化規律。本發明采用的技術方案為一種模塊化刀柄結合部靜剛度試驗裝置，包括方箱、模 擬主軸頭、刀柄、軸向加載裝置、軸向位移傳感器、徑向加載裝置和徑向位移傳感器；刀柄由 刀柄錐柄部和刀柄懸伸端連接組成；模擬主軸頭固定在方箱上，刀柄錐柄部位于在模擬主 軸頭的內錐孔里，刀柄懸伸端懸伸在方箱內；刀柄錐柄部的端部設置有軸向加載裝置，刀柄 懸伸端上側設置有徑向加載裝置；
軸向加載裝置包括支承在模擬主軸頭上的支承墊塊、拉桿和套在拉桿上的軸向加載螺 母；拉桿穿過支承墊塊與刀柄錐柄部端部連接，軸向加載螺母與支承墊塊之間的拉桿上設 置有軸向力傳感器；模擬主軸頭上還設置有軸向位移傳感器支架，所述軸向位移傳感器設 置在軸向位移傳感器支架上；徑向加載裝置包括固定在方箱上的徑向加載套筒、穿過徑向加載套筒的徑向加載螺 釘；徑向加載螺釘底端與刀柄懸伸端之間設置有徑向力傳感器和鋼球；徑向加載螺釘與鋼 球的中軸線位于同一條直線上，且與刀柄的中軸線垂直；模擬主軸頭上還設置有徑向位移 傳感器支架，徑向位移傳感器設置在徑向位移傳感器支架上。
其特征在于，軸向加載螺母與支承墊塊之間的拉桿上依次設置有軸向加載壓塊A、 推力球軸承、軸向加載壓塊B和軸向力傳感器。其中，軸向位移傳感器支架上設置有兩個軸向位移傳感器，分別位于刀柄懸伸端 的上下兩側。其特征還在于，徑向加載螺釘底端與鋼球之間依次設置有徑向加載壓塊A、徑向力 傳感器和徑向加載壓塊B。其中，徑向位移傳感器支架上設置有兩個徑向位移傳感器，同時位于刀柄懸伸端 下側。另外，方箱上可以安裝不同規格的刀柄及模擬主軸頭。本發明的有益效果是，利用本發明裝置可以獲得不同拉力作用下的刀柄軸向剛 度、徑向剛度、角剛度曲線，為刀柄拉力的合理選擇及刀柄的設計制造及其技術改進提供依 據。并且采用模塊化結構可以實現一套裝置進行多種BT系列刀柄的剛度試驗(更換不同的 模擬主軸頭及刀柄)，包括30、40、50等規格，也可以實現一次裝夾下的軸向剛度、徑向剛度 及角剛度試驗。本裝置結構簡單，功能多，適用范圍寬，可以獲得真實的刀柄結合部剛度值， 對研究刀柄靜態性能及確定合理的刀柄拉緊力具有重要意義。


圖1是本發明的軸向剛度試驗裝置結構示意圖2是軸向拉力與刀柄結合部軸向位移的關系曲線圖； 圖3是刀柄結合部的軸向剛度與軸向拉力之間的關系曲線圖； 圖4是本發明的徑向剛度試驗裝置結構示意圖； 圖5是本發明徑向剛度及角剛度求解示意圖； 圖6是徑向作用力與刀柄結合部徑向位移之間的關系曲線圖； 圖7是徑向作用力與刀柄結合部徑向剛度之間的關系曲線圖； 圖8是彎矩與刀柄結合部角位移之間的關系曲線圖； 圖9是彎矩與刀柄結合部角剛度之間的關系曲線圖。圖中，1.方箱，2.模擬主軸頭，3.刀柄，4.拉桿，5.支承墊塊，6.軸向力傳感器， 7.推力球軸承，8.軸向加載螺母，9.軸向加載壓塊A，10.軸向加載壓塊B，11.刀柄錐柄部， 12.刀柄懸伸端，13.軸向位移傳感器支架，14.軸向位移傳感器A，15.軸向位移傳感器B， 16.徑向位移傳感器支架，17.徑向位移傳感器A，18.徑向位移傳感器B，19.鋼球，20.緊固 螺釘，21.徑向加載螺釘，22.徑向加載套筒，23.徑向加載壓塊A，24.徑向力傳感器，25.徑 向加載壓塊B。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明進行詳細說明。如圖1和圖4所示，本發明提供一種模塊化刀柄結合部靜剛度試驗裝置，包括方 箱1、模擬主軸頭2、刀柄3、軸向加載裝置、軸向位移傳感器14、15、徑向加載裝置和徑向位 移傳感器17、18 ；刀柄3由刀柄錐柄部11和刀柄懸伸端12連接組成；模擬主軸頭2通過 緊固螺釘固定在方箱1上，刀柄錐柄部11設置在模擬主軸頭2的內錐孔里，刀柄懸伸端12 懸伸在方箱1內。刀柄錐柄部11的端部設置有軸向加載裝置(反映刀柄拉力)，刀柄懸伸端 12 (安裝刀具用)上側設置有徑向加載裝置(反映刀具所受的徑向力，用于檢測刀柄徑剛度 及角剛度)。為了真實反映機床主軸與刀柄3之間的接觸，模擬主軸頭2的內錐孔與機床主 軸內錐孔一致，刀柄3為試驗對象。模擬主軸 頭2、刀柄3、軸向加載裝置、軸向位移傳感器 14、15、徑向加載裝置和徑向位移傳感器17、18都集成在一個方箱1中，以實現刀柄3的軸 向、徑向剛度及角剛度測試。如圖1所示，軸向加載裝置包括支承在模擬主軸頭2上的支承墊塊5、拉桿4和套 在拉桿4上的軸向加載螺母8 ；拉桿4穿過支承墊塊5擰緊在刀柄錐柄部11的端部上；軸 向加載螺母8與支承墊塊5之間的拉桿4上依次設置有軸向加載壓塊A9、推力球軸承7、軸 向加載壓塊BlO和軸向力傳感器6。模擬主軸頭2上還通過螺釘固定有軸向位移傳感器支 架13，軸向位移傳感器支架13上設置有兩個軸向位移傳感器14、15，分別位于刀柄懸伸端 12的上下兩側。這里采用兩個軸向位移傳感器14、15可以監測刀柄3在加力過程中是否發 生傾斜，以保證加載沿軸線方向。采用推力球軸承7主要防止軸向加載螺母8的旋轉運動 傳給軸向力傳感器6，對軸向力傳感器6起到保護作用。由于本發明中的軸向位移傳感器支 架13是固定在模擬主軸頭2上，故軸向位移傳感器14、15測到的位移是刀柄3相對于模擬 主軸頭2的軸向位移，即刀柄3結合部位移，并且保證所測得的位移是刀柄3結合部的軸向 變形，避免其他元件變形的干擾。在針對BT系列刀柄進行的軸向剛度試驗中，先擰緊軸向加載螺母8，通過軸向加 載壓塊A9、推力球軸承7、軸向加載壓塊B10、軸向力傳感器6和支承在模擬主軸頭2上的支 承墊塊5給刀柄3施加軸向拉力，軸向拉力通過軸向力傳感器6測得。通過緊固在模擬主 軸頭2上軸向位移傳感器支架13上的兩個軸向位移傳感器14、15測得軸向位移值。將測 得的刀柄3軸向拉力及刀柄3的軸向位移值進行曲線擬合，得到如圖2所示的曲線圖(即軸 向拉力一軸向位移函數曲線)，然后對軸向拉力一軸向位移函數進行求導進一步得到如圖3 所示的刀柄3結合部的軸向剛度與刀柄3軸向拉力之間的關系曲線圖。如圖4所示，徑向加載裝置包括通過緊固螺釘20固定在方箱1上的徑向加載套筒 22、穿過徑向加載套筒22的徑向加載螺釘21 ；徑向加載螺釘21底端與刀柄懸伸端12之間 依次設置有徑向加載壓塊A23、徑向力傳感器24、徑向加載壓塊B25和鋼球19。徑向加載螺 釘21與鋼球19的中軸線位于同一條直線上，且與刀柄3的中軸線垂直。模擬主軸頭2上 還固定有徑向位移傳感器支架16，徑向位移傳感器支架16上設置有兩個徑向位移傳感器 17、18，同時位于刀柄懸伸端12下側。采用兩套徑向位移傳感器17、18的目的是獲取刀柄 3結合部在不同軸向拉力作用下刀柄3結合部的角剛度。在針對BT系列刀柄進行的徑向剛度及角剛度試驗中，徑向加載螺釘21將徑向力 通過徑向加載壓塊A23、徑向力傳感器24、徑向加載壓塊B25和鋼球19作用在刀柄懸伸端12 (相當于刀具)，從而使刀柄3結合部產生徑向位移及角位移，所加載的徑向力通過徑向 力傳感器24測得。徑向位移傳感器17、18通過徑向位移傳感器支架16固定在模擬主軸頭 2上，因此所測得的徑向位移是刀柄3相對于模擬主軸頭2的相對位移，通過布置兩套徑向 位移傳感器17、18可以分離出刀柄結合部的徑向位移(變形)及角位移。
本裝置采用兩套徑向位移傳感器17、18測量刀柄3與模擬主軸頭2之間的徑向相 對位移，從而獲得在不同刀柄3軸向拉緊作用下，圖6所示的刀柄3徑向載荷與徑向相對位 移之間的關系曲線，及圖8所示的施加給刀柄3的彎矩與刀柄3結合部角位移之間的關系 曲線，這些曲線均通過試驗獲取數據擬合得到，再通過對所獲得的刀柄3徑向載荷與徑向 相對位移函數及刀柄3的彎曲扭矩與刀柄3結合部角位移函數求導，進一步得到不同刀柄3 軸向拉力作用下，圖7所示的刀柄3的徑向載荷與徑向剛度之間的關系曲線及圖9所示的 施加給刀柄3的彎矩與刀柄3結合部角剛度之間的關系曲線。 如圖5所示本發明徑向剛度及角剛度求解示意圖，為了求解方便建立刀柄3結合 部坐標系O-X1X2X3，刀柄3在徑向載荷Fr作用下刀柄懸伸端12會產生位移，通過徑向位移 傳感器17、18分別測得徑向位移S1* δ 2，該位移由三部分組成刀柄3結合部的徑向位
移D2、刀柄3結合部角位移D4產生的位移Js及刀柄3本身彈性變形而產生的位移δ Ε三
部分，即
為了分離出刀柄3結合部徑向位移込和角位移隊，必須從測得的徑向位移S1* δ2 中，扣除由刀柄本身彈性變形而產生的位移SE1、δΕ2。由于刀柄3在模擬主軸頭2的內錐孔中，且較短，假設刀柄錐柄部11本身不發生 彎曲變形，在刀柄錐柄部11只有結合部的變形，即只有刀柄3結合部的徑向位移D2及角位 移D4。如圖5所示，按照上述假設將結合部固接處理，通過有限元軟件先計算出刀柄懸伸端 12所產生的彈性變形δ Ε1、δ E2，從而可以得到由于刀柄3結合部所引起的測量點A、B處的 位移為(S1 — δΕ1)和(δ2 — δΕ2)。根據圖5所建立的徑向剛度及角剛度求解示意圖，由幾何關系可得刀柄3結合部 位移D2、D4與測得徑向位移δ” δ 2和由刀柄本身彈性變形而產生的位移δΕ1、δΕ2之間的 關系式
其中，a為0點到A點之間的距離，b為0點到B點之間的距離。由上式可以解得刀柄結合部在不同徑向力作用下的徑向位移D2與角位移D4
這樣可以擬合出刀柄結合部在某軸向拉緊力作用下的徑向力Fr與徑向位移D2之間的 關系曲線、彎矩(M4=FrXc)與角位移D4之間的關系曲線。進一步所獲得的徑向力Fr與徑 向位移D2之間的函數關系、彎矩(M4=FrXc)與角位移D4之間的函數關系進行求導，可以獲 得刀柄3結合部的徑向剛度-C2和角剛度
其中，Fr為徑向力，M4*彎矩。
權利要求
一種模塊化刀柄結合部靜剛度試驗裝置，其特征在于包括方箱(1)、模擬主軸頭(2)、刀柄(3)、軸向加載裝置、軸向位移傳感器(14、15)、徑向加載裝置和徑向位移傳感器(17、18)；所述刀柄(3)由刀柄錐柄部(11)和刀柄懸伸端(12)連接組成；所述模擬主軸頭(2)固定在方箱(1)上，刀柄錐柄部(11)位于在模擬主軸頭(2)的內錐孔里，刀柄懸伸端(12)懸伸在方箱(1)內；刀柄錐柄部(11)的端部設置有軸向加載裝置，刀柄懸伸端(12)上側設置有徑向加載裝置；所述軸向加載裝置包括支承在模擬主軸頭(2)上的支承墊塊(5)、拉桿(4)和套在拉桿(4)上的軸向加載螺母(8)；拉桿(4)穿過支承墊塊(5)與刀柄錐柄部(11)端部連接，軸向加載螺母(8)與支承墊塊(5)之間的拉桿(4)上設置有軸向力傳感器(6)；模擬主軸頭(2)上還設置有軸向位移傳感器支架(13)，所述軸向位移傳感器(14、15)設置在軸向位移傳感器支架(13)上；所述徑向加載裝置包括固定在方箱(1)上的徑向加載套筒(22)、穿過徑向加載套筒(22)的徑向加載螺釘(21)；徑向加載螺釘(21)底端與刀柄懸伸端(12)之間設置有徑向力傳感器(24)和鋼球(19)；所述徑向加載螺釘(21)與鋼球(19)的中軸線位于同一條直線上，且與刀柄(3)的中軸線垂直；模擬主軸頭(2)上還設置有徑向位移傳感器支架(16)，所述徑向位移傳感器(17、18)設置在徑向位移傳感器支架(16)上。
2.根據權利要求1所述的靜剛度試驗裝置，其特征在于所述軸向加載螺母(8)與支承 墊塊(5)之間的拉桿(4)上依次設置有軸向加載壓塊A (9)、推力球軸承(7)、軸向加載壓塊 B (10)和軸向力傳感器(6)。
3.根據權利要求1所述的靜剛度試驗裝置，其特征在于所述軸向位移傳感器支架(13)上設置有兩個軸向位移傳感器(14、15)，分別位于刀柄懸伸端(12)的上下兩側。
4.根據權利要求1所述的靜剛度試驗裝置，其特征在于所述徑向加載螺釘(21)底端 與鋼球(19)之間依次設置有徑向加載壓塊A (23)、徑向力傳感器(24)和徑向加載壓塊B (25)。
5.根據權利要求1所述的靜剛度試驗裝置，其特征在于所述徑向位移傳感器支架 (16)上設置有兩個徑向位移傳感器(17、18)，同時位于刀柄懸伸端(12)下側。
6.根據權利要求1 5中任何一項權利要求所述的靜剛度試驗裝置，其特征在于方 箱(1)上可以安裝不同規格的刀柄(3)及模擬主軸頭(2)。
全文摘要
本發明提供的一種模塊化刀柄靜剛度試驗裝置，包括固定試驗裝置的方箱，由模擬主軸頭與刀柄組成的刀柄結合部，軸向和徑向加載裝置，軸向位移和徑向位移測量裝置；徑向位移測量采用兩套位移傳感器，可以分離出刀柄結合部的徑向位移及角位移，從而實現刀柄結合部的徑向剛度及角剛度測試。采用模塊化結構設計，可以實現不同尺寸系列刀柄結合部的靜剛度測試，同時可以進行軸向剛度、徑向剛度及角剛度的測試。本裝置結構簡單，功能多，適用范圍寬，可以獲得真實的刀柄結合部剛度值，對研究刀柄靜態性能及確定合理的刀柄拉緊力具有重要意義。
文檔編號G01M13/00GK101865766SQ20101021368
公開日2010年10月20日 申請日期2010年6月30日 優先權日2010年6月30日
發明者張廣鵬, 段耀東, 謝永康, 韓華剛, 黃玉美 申請人:西安理工大學