王進(jìn)峰, 范孝良, 商 正, 權(quán)凱軍

(華北電力大學(xué) 機(jī)械工程系, 河北 保定 071003)

切削力不僅是研究切削規(guī)律的重要指標(biāo),而且是探究新型材料切削加工性的重要方式之一。朱堅(jiān)民等[1]針對(duì)銑削加工中動(dòng)態(tài)銑削力難于測(cè)量的問(wèn)題,提出了一種通過(guò)測(cè)量銑刀振動(dòng)位移來(lái)確定動(dòng)態(tài)銑削力的方法。Park等[2]設(shè)計(jì)了環(huán)形壓電晶體式力傳感器, 并將其集成在主軸上以測(cè)量銑削力。周曉輝等[3]利用模糊理論通過(guò)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流提取切削力。劉曉龍等[4]利用一種分頻映射的非線性映射方法由驅(qū)動(dòng)電流間接測(cè)量動(dòng)態(tài)銑削力。為了保證切削力數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,王素娟等[5]利用功率譜密度分析切削力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。隨著材料科學(xué)不斷發(fā)展,新型材料不斷涌現(xiàn),切削力是研究新型材料的切削加工性的重要指標(biāo)[6]。劉剛等[7]研究了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的螺旋銑孔切削力的變化規(guī)律。王進(jìn)峰等[8]研究了SiCp/Al復(fù)合材料車削時(shí)切削力與切削用量的關(guān)系。任鳳章等[9]研究了利用切削力評(píng)價(jià)材料切削加工性應(yīng)注意的問(wèn)題。由于切削工況不同,切削力測(cè)量的方式略有區(qū)別,王進(jìn)峰等[10]為了在高速車床使用Kistler9272測(cè)量切削力,設(shè)計(jì)了用于連接刀塔和測(cè)力儀的實(shí)驗(yàn)裝置。徐旭松等[11]針對(duì)深孔鉆削切削力測(cè)量困難的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種基于電阻應(yīng)變片的切削力測(cè)量裝置。趙玉龍等[12]為降低銑削位置變化對(duì)傳感器輸出的影響,研制了一種四豎直敏感梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)變型固定式三維銑削測(cè)力儀。為了研究新型材料高速銑削時(shí)銑削力與切削用量的變化規(guī)律,本文設(shè)計(jì)了一種切削力測(cè)力儀連接法蘭,用于高速銑削時(shí)銑削力的測(cè)量。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在實(shí)驗(yàn)中使用的壓電晶體測(cè)力儀為Kistler9272,實(shí)驗(yàn)銑床為寶雞機(jī)床廠生產(chǎn)的VMC650銑床(圖1)。

圖1 Kistler9272測(cè)力儀和VMC650機(jī)床

由于棒料加工時(shí)一般是用卡盤進(jìn)行定位和夾緊,根據(jù)Kistler9272測(cè)力儀的特點(diǎn),選用了K11-130三爪卡盤。在VMC650機(jī)床上使用Kislter9272測(cè)力儀進(jìn)行棒料銑削力測(cè)量存在一定的困難,因此需要設(shè)計(jì)連接法蘭。為了設(shè)計(jì)用于連接 K11-130三爪卡盤和Kislter9272測(cè)力儀的連接法蘭,對(duì)三爪卡盤和測(cè)力儀進(jìn)行了測(cè)量,并利用 SolidWorks進(jìn)行了三維建模。其中K11-130三爪卡盤和Kislter9272測(cè)力儀的三維模型如圖2所示。

圖2 K11-130三爪卡盤和測(cè)力儀三維模型

連接法蘭三維模型如圖3所示。

圖3 連接法蘭模型

通過(guò)螺釘將K11-130三爪卡盤、連接法蘭、Kistler9272測(cè)力儀進(jìn)行裝配,其虛擬裝配體圖如圖4所示。

圖4 裝配體

2 驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)

連接法蘭使用45鋼經(jīng)加工完畢后,與三爪卡盤和測(cè)力儀連接并裝配。該套裝置安裝到銑床工作臺(tái)時(shí),通過(guò)螺栓連接將測(cè)力儀的凸緣與工作臺(tái)的滑槽連接,再通過(guò)本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)制造的連接法蘭將Kislter9272測(cè)力與三爪卡盤連接在一起。在進(jìn)行銑削力測(cè)量時(shí),將工件夾持在三爪卡盤上進(jìn)行固定,實(shí)現(xiàn)銑床切削力的測(cè)量,見圖5。

圖5 連接法蘭及安裝

進(jìn)行了驗(yàn)證性銑削實(shí)驗(yàn),銑削對(duì)象為45鋼。采用兩種工況的切削實(shí)驗(yàn)條件,見表1。

表1 切削實(shí)驗(yàn)1的兩種切削條件

兩種工況下輸出的切削力曲線分別見圖6和圖7。從圖6和圖7可看出，上述兩種銑削切削工況下,切削力輸出曲線無(wú)較大波動(dòng),不存在振動(dòng)等問(wèn)題,初步證明該實(shí)驗(yàn)裝置的有效性。

圖6 工況1下切削力

圖7 工況2下切削力

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該連接法蘭在進(jìn)行銑削力測(cè)量的準(zhǔn)確性,進(jìn)行了不使用連接法蘭時(shí)銑削力測(cè)量實(shí)驗(yàn),零件直接通過(guò)螺栓擰緊在測(cè)力儀的螺紋孔上。使用連接法蘭和不使用連接法蘭的對(duì)比性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)各進(jìn)行了4組,實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表2。

表2 法蘭驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)參數(shù)

不使用連接法蘭的銑削力測(cè)量結(jié)果記為F(Ff為進(jìn)給力，F(xiàn)p為背向力，F(xiàn)c為主切削力),使用連接法蘭的銑削力測(cè)量結(jié)果記為F′,二者對(duì)比結(jié)果見表3。

表3 使用連接法蘭與否的切削力對(duì)比

從上表的切削力對(duì)比數(shù)據(jù)可以看出,使用了連接法蘭的銑削力與不使用連接法蘭的銑削力基本相同,偏差基本不超過(guò)5%,進(jìn)一步驗(yàn)證了該裝置進(jìn)行銑削力測(cè)量的有效性和準(zhǔn)確性。

3 結(jié)語(yǔ)

為了在數(shù)控銑床進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn),并測(cè)量切削力,設(shè)計(jì)了一種用于連接k11-130三爪卡盤和Kislter9272測(cè)力儀的法蘭。利用SolidWorks建模和虛擬裝配后,獲得了該連接法蘭的正確結(jié)構(gòu)和尺寸,該連接法蘭經(jīng)切削加工后,用于連接測(cè)力儀和卡盤,并正確安裝于立式銑床工作臺(tái)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該連接法蘭能夠用于數(shù)控銑床VMC650的銑削力測(cè)量實(shí)驗(yàn)。