非接觸式車削測力儀設計與開發

呼 燁，徐明旭，張 富，曹 晉

（1.吉林大學 機械科學與工程學院，吉林 長春 130025；2.長春理工大學 光電信息學院，吉林 長春 130022）

在切削加工中，切削力是一個非常重要的參數。切削力信號含有豐富的刀具磨損信息，反映刀具的磨損情況最為直接，與刀具磨損的相關性好，信號處理的實時性強，因此可利用它作為特征量來實時在線監測刀具磨損［1－3］。切削力還是設計和合理使用機床、刀具、夾具的重要依據［4－7］。因此設計一種高精度的切削力測量裝置很必要的。目前，我校機械制造實驗室用于測量車削力的裝置為八角環應變片式測力儀，其結構簡單、制造容易、成本低廉，可進行多個方向上分力的測量［8］，因此在切削力測量方面得到了廣泛的應用［9－11］。然而長期以來，人們對八角環應變式測力儀應變片的布片方式一直存在不同的看法，這主要是由于單個八角環和測力儀上的耳環的變形規律有一定的差異［8，12］。同時，應變片粘貼時不可避免地存在定位誤差，造成的測量誤差無法通過標定來消除。

本文針對八角環應變片式測力儀存在的不足，提出一種非接觸式切削力測力儀，以消除因貼片位置不準確造成的測量誤差。利用3個電容式位移傳感器取代應變片來測量八角環刀架在x、y、z3個方向上的變形，進而較精確計算3個方向切削力的大小。

1 八角環刀架的力學模型分析

1.1 八角環刀架的力學模型

本文以傳統的八角環刀架為力學模型，對其分別施加x、y、z3個方向上的力Fx、Fy和Fz，來研究八角環刀架的變形規律。為了便于分析，首先對八角環測力刀架的幾何模型進行了簡化處理（見圖1），過程如下：

（1）去掉刀架的壓緊螺栓，把車刀直接與八角環刀架粘結于一體；（2）八角環刀架后端面全約束；（3）對車刀進行剛化處理。

圖1 八角環測力刀架簡化模型

1.2 力學模型分析

刀架材料為45鋼，車刀為硬質合金，在刀尖處分別施加Fx＝1 500N、Fy＝1 500N、Fz＝2 500N，利用ANSYS軟件求解有限元模型，可以得到八角環刀架的應變分布，如圖2所示。

圖2 八角環刀架的應變分布

由圖2（a）可以看出，在刀尖處施加力Fx時，八角環刀架左側耳環受拉應力，右側耳環受壓應力，這樣八角環刀架前端沿x方向向右產生了位移，而八角環刀架前端的中間部分在y方向上未產生位移。由圖2（b）可以看出，在刀尖處施加Fy力時，所有耳環承受y方向上的壓力，使得八角環刀架前端只在y方向向后端產生了位移。圖2（c）可以看出，在刀尖處施加Fz力時，八角環刀架的上部耳環承受拉應力，下部耳環承受壓應力，即上部耳環產生拉變形，下部耳環產生壓變形。

2 位移傳感器安裝位置確定

在實際車削加工過程中，由于刀尖處承受的切削力的方向無法確定，很難直接測量到切削力的大小，為此將切削力分解為Fx、Fy和Fz3個分力，如圖3所示。傳統八角環應變片式測力儀通過對各面的應變進行適當的組合，以抵消其他各分力的影響，實現各分力之間的解耦。本文根據八角環刀架的有限元分析結果，來確定位移傳感器的安裝位置，實現各分力之間的解耦。

根據上述八角環刀架力學模型的分析結果可知，當刀尖承受力Fx時，八角環刀架的一側耳環受拉，另一側耳環受壓，則在兩側耳環之間存在一個受力為零的平面M（見圖4），在平面M刀架材料未發生受力變形。同理，當刀尖刀尖承受力Fz時，八角環刀架的上部耳環受拉，下部耳環受壓，耳環之間存在一個受力為零的平面N，在平面N刀架材料未發生受力變形。因此，將x、y、z軸位移傳感器安裝于平面M內，同時y軸位移傳感器軸線位于平面M與平面N的交線上。

圖3 車削加工切削力分解

圖4 位移傳感器安裝位置

3 測量原理分析

本文所述測力儀是根據八角環刀架受力時在x、y、z方向上的微位移來測量Fx、Fy、Fz的大小，減小了維間干擾，其具體分析如下：

在測量進給力Fx時，主切削力Fz及背向力Fy不會對x軸位移傳感器產生干擾，這是因為x軸位移傳感器是通過測量八角環刀架的前端與固定端之間沿x軸方向上的位移變化來測量進給力Fx大小的，且主切削力Fz使得八角環刀架產生彎曲變形，背向力Fy使得八角環刀架的前端向八角環刀架的固定端移動，即主切削力Fz和背向力Fy均不會使八角環刀架的前端和固定端在x軸方向上發生相對位移變化。

如圖5（a）所示，在測量背向力Fy時，進給力Fx也不會對y軸位移傳感器產生干擾，y軸位移傳感器是通過測量八角環刀架的前端與固定端之間沿y軸方向上的位移變化來測量背向力Fy大小的；由于y軸位移傳感器軸線在平面N內，主切削力Fz也不會對y軸位移傳感器產生干擾。同時，與八角環應變片測力儀相比，該測力儀消除了因平衡梁變形產生的測量誤差，刀架平衡梁變形如圖5（b）所示。

在測量主切削力Fz時，z軸位移傳感器是通過測量八角環刀架的前端與固定端之間沿y軸方向上的位移變化來測量主切削力Fz的，進給力Fx使得八角環刀架前端相對于固定端在x方向上產生位移，因此不會對z軸位移傳感器產生干擾；由于背向力Fy的作用會使得八角環刀架的前端與固定端之間沿y軸方向上的位移發生變化，即對z軸位移傳感器測量產生干擾。設z軸位移傳感器所測量到的變形量Δ為

圖5 八角環應變片式測力儀示意圖

式中：Δz為主切削力Fz作用于車刀刀尖部位使得八角環刀架所產生的變形量；Δy為背向力Fy作用于車刀刀尖部位使得八角環刀架所產生的變形量；K為影響因子。

得到主切削力Fz所產生的變形量為

4 總結

本文對傳統八角環應變片式測力儀進行了改進設計，通過對八角環刀架進行有限元分析，得出了八角環刀架的受力變形特點。根據受力變形特點，對位移傳感器的安裝進行確定。該切削測力儀可以準確測量三維切削力，并實現了維間解耦，消除了傳統應變片式測力儀中的平衡梁誤差，提高了測量精度，為刀具的磨損信息采集提供了數據基礎，為工藝參數的選擇提供了必要的信息。通過在本科生實驗教學中使用表明，該測力儀減小了傳統切削力存在的零點漂移，有利于學生對切削力原理的理解，取得了良好的教學效果。

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