1绪论
1.1课题来源与研究意义
切削力与切削工艺密切相关,利用测力仪在切削过程中检测切削力对车削工艺的研究、监控以及优化意义重大。在过去的几十年里,工厂和实验室用各式各样的测力仪来研究切屑的成型原理,预测加工工件表面质量,改进切削力预算模型以及控制切削工艺、优化刀具几何参数、监控刀具状态-TCM,探测和抑制震颤。Tangjitsitcharoen⑴用切削力功率谱密度监测切屑形状和车削震颤,进而实现任意条件下的加工过程智能化控制。Choudhury和Kishore 用进给力和主切削力的比例关系建立刀具磨损预测模型。Dimla 出切削过程中,动态力和震颤信号比静态信号更能反映刀具状况(急剧磨损,破损,崩刃),用动态力和震颤信号监控刀具磨损更具实用性。Scheffer等人"]提出,采用神经网络建立车削力预测模型是监控刀具磨损的最佳方法。文献提出,刀具和工件的接触面积增大,切削力静态分量也随之增大,因此可用切削力静态分量检测刀具磨损;而切削力动态分量反映刀具磨损过程中的刀具震颤幅频特性。近年来,将切削力应用于即时或适应性控制也是国内外学者的一个研究热点。如S. Yange5]等建立了一种基于切削力测量的即时切削误差补偿系统。EyUp Sabri Topal〔…提出了一种能实际应用于数控车削加工的简单误差补偿方法,该模型建立了切削力与加工工件加工误差之间的经验公式,计算机根据由测力仪实际测量出的切削力计算出加工参数补偿量,实现加工误差的补偿。
为满足研究需求,测力仪必须具有高灵敏度,宽工作频带,能准确反映各种切削条件下切削力的动态和静态分量。车削加工场合中,将刀具与测力元件制成一体的动态测力仪应用于机械加工行业的经济性差,而且较难实现多种切削条件下切削力的测量。因此,从工程实际需求出发,设计制造一种性能稳定可靠,结构简洁、维护和使用方便的可换刀具车削测力仪意义重大。
本文力求克服现有可换刀具车削测力仪的缺点和不足,设计出一种可换刀具的刀杆式车削压电测力仪。同时,针对设计出的刀打式ffi电可换刀具车削测力仪切削测试信号失真的问题展开研究。
针对切削测试信号失真的问题,现有的改进方案都将重点放在了增加外围设备、或者改进测力仪结构补偿失真误差,软件补偿方法还未有可靠的成果。因此测力仪切削测试误差软件补偿方法的进一步研究意义重大。
资源优化是当前工业发展的一项重要要求,因此简化测试系统和用虚拟仪器代择硬件设备是测力仪设计的一项重要内容。本文提出的压电车削测力仪性能改进方案采用信号误差的软件补偿方式,不需要任何的外围设备,对于提高刀杆式车削测力仪的市场竞争力具有重要意义。
1.2课题研究概况
1.2.1可换刀具车削测力仪研究概况
目前国内外已经研制出了一些系列化的可换刀具切削测力仪,这些产品在科研和工程实践中发挥了巨大作用。(1)压电式可换刀具切削测力仪
电切削测力仪是以ffi电石英传感器为传感元件的一类测力仪。不同的石英晶体切片,力敏感方向不同,使用不同切型石英晶片组合成的压电传感器可以将空间力自动分解为多向分力。这种性质使得多向压电测力仪与多向应变式测力仪相比,省去了力解锅设计的许多麻烦。压电石英力传感器弹性系数,体积小,以此为越础设计的牟削测力仪可以尽可能将测试系统刚度提高,而几乎不用考虑灵敏度的损失。此外,山于压电石英传感器对温度的敏感性比电阻传感器小很多,所以压电测力仪的温度稳定性也比应变测力仪好。另外,压电测力仪抵抗Hi磁场r?扰的能力也很强。更重要的是,石英晶体自振频率高,而且振频稳定性非常好,具有非常优秀的动态品质,因此,在动态力测量方面,以压电石英传感器为基础设计的车削测力仪比其他类型测力仪性能优越。
目前常见的三向压.电车削测力仪从结构特点上可分为三类:刀架式,刀台式,刀杆式。YDC-78系列刀架式伍电车削测力仪是最早应用于机械加工行业的一类测力仪,这种测力仪整个测力仪相当于方刀架,采用悬臂刀杆做变形元件,传感器布置在其下方(或上方),实现了三向力的测量。其中YDC-78III测力仪的刀具部分改成了小车刀,可以巧;受刀架的限制更换刀具。但是,这种测力仪体积大,制造和标定困难,应用也越来越少。
刀台式压电车削测力仪是目前工业上应用最广的一类测力仪。这种测力仪结构并不太复杂,设计方法基本与统削平台相同,多数采用辅助夹具装夹车刀,更换刀II简便,而且刚性好,测力范围大。
Kislter公司最新研制的9121A、9265B、9129A型车削测力仪都采用在测力平台上装夹车刀的设计方式"如图所示,测力平台中配赏四个Ili屯传感器,也可以用其他的夹具实现铣削等其他加工形式切削力的测觉。似足这种测力仪采用按照一定规禅分布的多个传感器实现力屯转换,具而"平均效应,对切削力动态分量的敏感度低。
2测力仪结构设计与标定
可换刀具车削测力仪不但要满足测试要求的各向性能指标,还要能实现不同刀具切削条件下切削力的测量,即不能将测力仪做成整体式结构,需要在测力仪头部添加刀具连接模块。本章根据测力仪的设计要求,分析压电晶组结构、弹性变形环、刀具连接模块等各设计环节,确定了测力仪的详细结构,并进行静态和动态标定,评价其各项性能指标。
2.1整体设计方案
2.1.1性能要求
测力仪的静态性能和动态性能,以及稳定性是评价其测量精度和测量可靠性的技术参数。测力仪的静刚度直接影响测力仪静态和动态性能。(1)静态特性车削测力仪的静态特性主要包括以下几项指标:灵敏度:在车削测力仪中,灵敏度的设计尤为靈要,它直接影响线性度、横向干扰等性能参数。测力仪灵敏度的主要影响因素是传感器的分载比和传感器的灵敏度。压电传感器灵敏度的选择和确定与石英晶体力传感器其它参数密切相关,如晶体的切型、转换方式、品组结构、绝缘阻值等,必须综合考虑。
3 切削性能测试与分析..............29
3.1 劣验方案..............29
3.2实验结果与分析..............30
3.3本章小结..............34
4切削信号失真问题的有限元分析..............35
4.1测力仪热变形分析有限元模型的建立..............35
4.2有限元分析结果..............39
4.3本章小结..............43
5切削倍号误差补偿函数的建立..............44
5.1传感器预紧力变化量与弹性长槽宽度热变形的关系..............44
5.2切削测试失真误差补偿函数的建立..............44
5.3 本章小结..............50
结 论
本文根据车削测力仪的受力特点和测试要求,设计出了一台可以用于多种刀具参数条件下车削力测量的刀杆式压电动态车削测力仪。按照实验规则,对可换刀具压电车削测力仪进行静态和动态标定,分析测力仪各向性能。静动态标定之后,在C620车床上进行实际的切削性能测试。针对切削实验中发现的测力仪测试信号失真问题,设计实验分析信号失真问题的原因和补偿方案。得到以下结论:
(1)用一个三向传感器测量三个正交切削分力时对测力仪壳体的结构对称性和各向刚度要求较高。对于可换刀具压电车削测力仪而g,弹性变形结构和刀具连接模块是测力仪壳体设计的关键。弹性环各结构参数对三向刚度的影响一致,且法向刚度^r最小。尤,随弹性环厚度的增大几乎成线性增大,因此设计时先确定其他参数,最后增大弹性环厚度提高弹性环刚度。用方槽的两个面和三个螺钉夹紧刀具的刀具连接模块,连接可靠,在切削力作用下的变形关于弹性环对称面对称,以此为基础设计出的车削测力仪线性度、灵敏度、横向干扰等指标都能满足工程需要。
(2)针对可换刀具压电车削测力仪在切削测试信号失真的问题,设计iH交试验,分析出切削测试信号失真产生的主要原因是切削热导致的测力仪温度场变化。
(3)建立模型,在ANSYS软件中分析切削过程中测力仪的温度场变化和热变形规律,证明了对于切削区温度为100-60CTC的干切削过程,弹性槽宽度热变形随时间的变化规律与车刀热伸长规律一致。
(4)依据可换刀具压电车削测力仪中传感器的预紧原理,以及测力仪弹性槽热变形与刀具热伸长的比例关系,建立了与实际切削实验条件对应的的切削测试失真误差补偿方程。在matlab软件屮分析误差方程式的补偿精度,分析表明误差方程与实际测量误差的相关系数大于0.97。
参考文献：
[1]Tangjitsitcharoen S . In-process monitoring and detection of chip formation and chatterfor CNC turning. [J]. J Mater Process Technol, 2009, 209(10):4682-4688.
[2]Choudhury S. K, Kishore K.K. Tool wear measurement inturning using force ratio. [J].Int J Mach Tool Manuf, 2000, 40(6): 899-909.
[3]Dimla DE Sr. The impact of cutting conditions on cutting forces and vibration signal sin turning with p]ane face geometry inserts. [J]. J Mater Process Technol, 2004,155 :1708-1715.
[4]Scheffer C, Kratz H, Heyns PS, et al. Development of a tool wear-monitoring systemforhard turning. [J]. Int J Mach Tool Manuf, 2003, 43(10):973-985.
[5]S. Yang, J. Yuan, J. Ni. Real-time cutting force induced error compensation on a turningcenter, Int. [J]. Mach. Tools Manuf, 1997,37 (1 1) : 1597-1610.
[6]Eyllp Sabri Topal, Can Qogun. A cutting force induced erroe elimination method for turningoperations [J]. Journal of Materials Processing Technologu, 2005, 170: 192-203 .
[7]Bill, Gosswei ler, Kirchheim,el al. Extending functionality and simplifying appl ications wi thmicroelectronics [C]. Sensor and Measurement Data Recording Symposium, EsslingenTechnical Academy, 2002: 4-6.
[8]Yusuf Allinlas, Andreas Kirchheim, Klocke. Sensors and Signal Analysis in High PerformanceCutting [C]. High Performance Cutting (UPC), Aachen Germany, 2004: 3-13.
[9]姚英学,陈朔冬等,.一种新结构多用途切削测力仪的研制[J].哈尔滨工业大学学报,1994,8(26):87-89.
[10]G.Totis,M. Sortino. Development of a modular dynamometer for triaxial cutting forcemeasurement in turning [J]. International Journa of Machine Tools& Manufacture,2010(51) : 34-42.