張 軍，王尊豪，李新陽(yáng)，任宗金，錢 敏

(大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連 116024)

0 引言

在現(xiàn)代機(jī)械制造技術(shù)中，車削加工是主要的加工方式之一，而切削力是描述車削過(guò)程的重要參數(shù)。切削力可以反映刀具磨損或破損、機(jī)床故障、顫振等切削狀態(tài)[1-3]，故準(zhǔn)確獲取切削力的大小有利于監(jiān)控切削過(guò)程、提高切削效率、降低零件廢品率，且對(duì)研究切削原理、切削動(dòng)力學(xué)、設(shè)計(jì)機(jī)床、夾具以及評(píng)價(jià)先進(jìn)刀具也具有重要意義。

由于切削條件的復(fù)雜性和不確定性使得切削力動(dòng)態(tài)分量的大小很難通過(guò)理論計(jì)算和仿真的方式準(zhǔn)確獲取，因此，使用測(cè)力儀對(duì)切削力進(jìn)行測(cè)量是準(zhǔn)確獲取切削力大小的常用且可靠的方法[4]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究人員就車削力的準(zhǔn)確測(cè)量開展了大量的研究工作，并基于不同測(cè)量機(jī)理研制了多種不同形式的車削測(cè)力儀，其中以應(yīng)變式[5-7]和壓電式[8-10]為主。壓電式測(cè)力儀具有靜剛度高、固有頻率高、穩(wěn)定性好以及靜、動(dòng)態(tài)特性良好等優(yōu)點(diǎn)，且不存在結(jié)構(gòu)剛度與靈敏度相互制約的問(wèn)題，因此適合車削力等動(dòng)態(tài)力的測(cè)量。

目前壓電式車削測(cè)力儀以平臺(tái)式[11]和刀桿式[12]為主，但平臺(tái)式測(cè)力儀體積大、造價(jià)高、不宜安裝，而刀桿式測(cè)力儀雖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其以刀桿為結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)進(jìn)行改造，適用性受限且不易密封。針對(duì)上述問(wèn)題，同時(shí)為滿足三維動(dòng)態(tài)車削力的測(cè)量要求，本文以壓電石英三向傳感器為基礎(chǔ)，研制了一種帶有雙彈性環(huán)結(jié)構(gòu)的整體式壓電三向車削測(cè)力儀，其具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、易于密封和裝夾、易換刀以及適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

1 測(cè)力儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)平臺(tái)式與刀桿式測(cè)力儀的不足之處，同時(shí)結(jié)合2種測(cè)力儀的優(yōu)點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種新型的壓電車削測(cè)力儀結(jié)構(gòu)，如圖1所示。該測(cè)力儀由測(cè)力儀體、2個(gè)壓電石英三向傳感器以及若干預(yù)緊和密封零件組成。該形式的測(cè)力儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、尺寸較小，既容易裝夾又方便換刀，實(shí)際應(yīng)用時(shí)使用刀架夾持測(cè)力儀底部即可實(shí)現(xiàn)該測(cè)力儀在機(jī)床上的安裝，使用螺栓連接的方式實(shí)現(xiàn)刀具的安裝及更換。此外，為在標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中模擬測(cè)力儀實(shí)際受力狀態(tài)，設(shè)計(jì)了一個(gè)模擬刀桿充當(dāng)加載塊。

圖1 新型車削測(cè)力儀結(jié)構(gòu)預(yù)想

考慮到測(cè)力儀的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、密封及引線，采用2個(gè)壓電傳感器對(duì)裝的形式裝入測(cè)力儀體中并預(yù)緊，通過(guò)測(cè)力儀體底部的引線孔將傳感器的信號(hào)線引出。

為了保證壓電測(cè)力儀的測(cè)試性能，必須要保證其具有良好的密封及防護(hù)。為此提出了2種結(jié)構(gòu)方案，按照結(jié)構(gòu)形式將其分別命名為整體式測(cè)力儀和組合式測(cè)力儀。

整體式測(cè)力儀如圖2所示，采用了一種雙彈性環(huán)結(jié)構(gòu)，傳感器內(nèi)置于彈性環(huán)中，并利用預(yù)緊螺栓實(shí)現(xiàn)傳感器的預(yù)緊，使用密封板、螺紋堵以及密封堵實(shí)現(xiàn)測(cè)力儀的密封與防護(hù)。

(a)爆炸視圖 (b)裝配圖圖2 整體式測(cè)力儀

組合式測(cè)力儀如圖3所示，采用分體式的測(cè)力儀體，傳感器內(nèi)置于測(cè)力儀體的凹槽中，同樣使用預(yù)緊螺栓實(shí)現(xiàn)傳感器的預(yù)緊，使用密封圈、螺紋堵以及密封堵實(shí)現(xiàn)測(cè)力儀的密封與防護(hù)。顯然，該形式測(cè)力儀的密封性受預(yù)緊力影響。

(a)爆炸視圖 (b)裝配圖圖3 組合式測(cè)力儀

經(jīng)分析，得出2種方案的優(yōu)劣如表1所示。

表1 2種方案對(duì)比

由于動(dòng)態(tài)車削力的測(cè)量對(duì)車削測(cè)力儀的固有頻率以及密封性有著嚴(yán)格的要求，因此采用整體式測(cè)力儀結(jié)構(gòu)方案。

整體式測(cè)力儀實(shí)物圖如圖4所示，其整體尺寸為130 mm×74.5 mm×30 mm。由于壓電傳感器的切向力的測(cè)量能力依賴于預(yù)緊提供的正壓力，且預(yù)緊起著消除傳感器內(nèi)外間隙、提升測(cè)力儀整體剛度的作用，因此傳感器的預(yù)緊對(duì)壓電測(cè)力儀來(lái)說(shuō)很重要。根據(jù)三向量程為1 500 N的測(cè)量要求，利用預(yù)緊螺栓對(duì)每個(gè)傳感器施加20 000 N的預(yù)緊力。

圖4 整體式車削測(cè)力儀

2 車削力測(cè)量原理

測(cè)力儀的測(cè)量原理如下：切削過(guò)程中產(chǎn)生的車削力將從刀尖傳遞至測(cè)力儀內(nèi)部的壓電石英傳感器，傳感器受進(jìn)給(X向)力作用時(shí)其內(nèi)部石英晶片的拉壓效應(yīng)作用，受主切削(Z向)力和徑向(Y向)力作用時(shí)其內(nèi)部石英晶片的剪切效應(yīng)作用，故傳感器將產(chǎn)生與所受車削力三分量成比例的三路電荷輸出，并輸入至高精度壓電測(cè)試系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)以便存儲(chǔ)和分析。

本文采用的高精度壓電測(cè)試系統(tǒng)的組成如圖5所示。由于傳感器產(chǎn)生的電荷信號(hào)很微弱且不易保持住，故須使用高阻抗、高增益的電荷放大器將測(cè)力儀的電荷輸出轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，然后使用高精度數(shù)據(jù)采集卡DT9804實(shí)現(xiàn)電壓信號(hào)的采集及A/D轉(zhuǎn)換，最終將信號(hào)輸入至計(jì)算機(jī)中，并利用DEWEsoft軟件顯示和處理數(shù)據(jù)。

圖5 壓電測(cè)試系統(tǒng)

3 測(cè)力儀的性能評(píng)估

3.1 測(cè)力儀的靜態(tài)性能

為評(píng)估測(cè)力儀的靜態(tài)性能，需要對(duì)測(cè)力儀進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定以獲取其各項(xiàng)性能指標(biāo)。本文將采用一套高精度標(biāo)定系統(tǒng)[13]對(duì)研制的測(cè)力儀進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定。該系統(tǒng)包括高剛度標(biāo)定平臺(tái)、力源發(fā)生器、標(biāo)準(zhǔn)力傳感器、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)及DEWEsoft軟件等，如圖6所示。

圖6 高精度標(biāo)定系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)時(shí)采用階梯加載的方式沿測(cè)力儀3個(gè)特征方向分別反復(fù)加載3次，以測(cè)力儀量程的20%為一個(gè)階梯，測(cè)力儀3個(gè)方向的標(biāo)定點(diǎn)均為300 N、600 N、900 N、1 200 N和1 500 N，加載力值由標(biāo)準(zhǔn)力傳感器實(shí)時(shí)獲取并在計(jì)算機(jī)軟件中顯示。使用線性最小二乘法將加載力值和輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行擬合，可得測(cè)力儀3個(gè)特征方向的輸出特性直線，如圖7所示。

根據(jù)文獻(xiàn)[14]中公式計(jì)算得出測(cè)力儀的各項(xiàng)靜態(tài)性能指標(biāo)如表2所示。

表2 測(cè)力儀靜態(tài)性能指標(biāo)

由圖7和表2可知，測(cè)力儀靜態(tài)特性良好，各向非線性誤差和重復(fù)性誤差均小于1%，向間干擾均小于5%，可滿足CIRP標(biāo)準(zhǔn)的壓電測(cè)力儀靜態(tài)性能指標(biāo)要求[4]。

(a)X向輸出特性

3.2 測(cè)力儀的動(dòng)態(tài)性能

車削力包括靜態(tài)分量和動(dòng)態(tài)分量2部分，故車削力的準(zhǔn)確測(cè)量要求測(cè)力儀具有良好的時(shí)間響應(yīng)和頻率響應(yīng)，即具有高的固有頻率。在圖6所示的標(biāo)定系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用錘擊法獲取測(cè)力儀的固有頻率。實(shí)驗(yàn)時(shí)將測(cè)力儀放置在軟基上，利用DEWEsoft軟件對(duì)測(cè)力儀受沖擊力產(chǎn)生的輸出信號(hào)進(jìn)行FFT變換，得到測(cè)力儀X、Y、Z方向的一階固有頻率分別為5 110.47 Hz、6 412.50 Hz和6 721.74 Hz，可滿足CIRP標(biāo)準(zhǔn)的壓電測(cè)力儀固有頻率要求[4]。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研制出的新型測(cè)力儀可彌補(bǔ)現(xiàn)有壓電式車削測(cè)力儀結(jié)構(gòu)上的不足，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、尺寸小、容易裝夾、方便換刀等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該測(cè)力儀具有優(yōu)良的靜、動(dòng)態(tài)性能，各向非線性誤差和重復(fù)性誤差均小于1%，向間干擾均小于5%，三向固有頻率均大于5 000 Hz，滿足了壓電式車削測(cè)力儀的性能指標(biāo)要求，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)車削力的準(zhǔn)確測(cè)量。