本發(fā)明涉及一種切削力測量方法，特別涉及一種基于刀桿兩點(diǎn)變形的切削力測量方法。

背景技術(shù)：

文獻(xiàn)1“Albrecht A,Park S S,Altintas Y,et al.High frequency bandwidth cutting force measurement in milling using capacitance displacement sensors.International Journal of Machine Tools and Manufacture,2005,45:993–1008.”公開了一種基于主軸變形的切削力測量方法，該方法通過電容位移傳感器測量加工過程中的主軸變形間接獲取切削力。但該方法存在刀尖點(diǎn)到主軸的變形位移傳遞率較低以及主軸自身的振動影響測量準(zhǔn)確度，不利于誤差分離等問題。

文獻(xiàn)2“朱堅(jiān)民,王健,張統(tǒng)超等.基于刀具振動位移的動態(tài)銑削力測量方法.儀器儀表學(xué)報,2014,35(12):2772–2782.”公開了一種基于刀具變形的切削力測量方法，該方法使用激光測振儀測量加工過程中的刀具單點(diǎn)變形量，并且利用材料力學(xué)的知識確定刀具剛度，從而間接獲取切削力。但這種方法只能測量進(jìn)給方向的切削力，且提出的確定刀具剛度的方法忽略了主軸-刀柄部分的變形，當(dāng)?shù)毒卟牧蠗钍夏Ａ亢艽髸r，該方法確定的刀具剛度將嚴(yán)重偏離真實(shí)值。

以上文獻(xiàn)存在的技術(shù)問題是：在使用測量位移信號間接獲得切削力的方法時，主軸-刀柄部分的變形位移獲取困難，操作不方便，而目前測量刀具變形獲取切削力的方法只能測得進(jìn)給方向的切削力，且不能適用于材料楊氏模量很大的刀具(如硬質(zhì)合金刀具)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有切削力測量方法實(shí)用性差的不足，本發(fā)明提供一種基于刀桿兩點(diǎn)變形的切削力測量方法。該方法首先沿刀桿豎直方向選取兩處位移傳感器測量點(diǎn)，利用材料力學(xué)的理論知識計(jì)算刀具剛度。其次，使用磁力表座、輔助樹脂夾具將位移傳感器固定安裝在選定位置處，采集刀桿上下兩處測量點(diǎn)的變形位移。再次，將兩個位移傳感器采集得到的位移信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到切削力引起的刀桿上下測量點(diǎn)的變形，再將二者相減，即可得到切削力引起的刀桿下端測量點(diǎn)相對于上端測量點(diǎn)的變形量。最后，結(jié)合使用已確定的刀具剛度，即可間接獲得切削力。本發(fā)明適用于高速鋼、硬質(zhì)合金等多種刀具，且能準(zhǔn)確測量進(jìn)給方向和進(jìn)給法向兩個方向的切削力，實(shí)用性好。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案：一種基于刀桿兩點(diǎn)變形的切削力測量方法，其特點(diǎn)是包括以下步驟：

步驟一、刀具裝夾在刀柄上，并一起安裝于機(jī)床之后，沿刀桿豎直方向選取位移傳感器上端測量點(diǎn)I和下端測量點(diǎn)II。測量點(diǎn)在切削進(jìn)給方向，測得切削力即為進(jìn)給方向切削力；測量點(diǎn)在切削進(jìn)給法向，測得切削力即為進(jìn)給法向切削力。

步驟二、采用下式獲取刀具剛度：

式中，E_bar是刀具材料的楊氏模量，l_tool是刀具底端截面與刀柄夾持刀具處之間的距離，l_I是上端測量點(diǎn)I與刀柄夾持刀具處之間的距離，l_II是下端測量點(diǎn)II與刀柄夾持刀具處之間的距離。I_bar是刀具刀桿的截面二次矩，其表達(dá)式為：

式中，d為刀具直徑。

步驟三、使用磁力表座和輔助夾具將兩個電容式位移傳感器固定安裝在刀桿測量點(diǎn)旁，調(diào)節(jié)電容式位移傳感器探頭與刀桿測量點(diǎn)之間的距離，使之達(dá)到傳感器的測量范圍，并將電容位移傳感器與其配套驅(qū)動器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備和計(jì)算機(jī)連接好。

步驟四、采集機(jī)床空轉(zhuǎn)和加工過程中的刀桿兩處測量點(diǎn)I和II的變形位移信號，分別選取測量點(diǎn)I和II的幾個穩(wěn)定的空轉(zhuǎn)段信號周期，并將其拓展至整個測量過程。

步驟五、分別將加工過程中測量點(diǎn)I和II的變形位移信號減去同步拓展得到的空轉(zhuǎn)段位移信號，獲取切削力引起的刀桿測量點(diǎn)I的變形δ_I和刀桿測量點(diǎn)II的變形δ_II。

步驟六、將δ_II減去δ_I，即可得到切削力引起的下端測量點(diǎn)II相對于上端測量點(diǎn)I的變形δ_II-δ_I。

步驟七、結(jié)合步驟二確定的K_δ和步驟六得到的δ_II-δ_I，通過下式測得切削力：

F＝(δ_II-δ_I)K_δ。

本發(fā)明的有益效果是：該方法首先沿刀桿豎直方向選取兩處位移傳感器測量點(diǎn)，利用材料力學(xué)的理論知識計(jì)算刀具剛度。其次，使用磁力表座、輔助樹脂夾具將位移傳感器固定安裝在選定位置處，采集刀桿上下兩處測量點(diǎn)的變形位移。再次，將兩個位移傳感器采集得到的位移信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到切削力引起的刀桿上下測量點(diǎn)的變形，再將二者相減，即可得到切削力引起的刀桿下端測量點(diǎn)相對于上端測量點(diǎn)的變形量。最后，結(jié)合使用已確定的刀具剛度，即可間接獲得切削力。本發(fā)明適用于高速鋼、硬質(zhì)合金等多種刀具，且能準(zhǔn)確測量進(jìn)給方向和進(jìn)給法向兩個方向的切削力，實(shí)用性好。

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明作詳細(xì)說明。

附圖說明

圖1是本發(fā)明基于刀桿兩點(diǎn)變形的切削力測量方法的流程圖。

圖2是本發(fā)明方法實(shí)施例1的切削力測量結(jié)果與商用測力儀測得切削力對比圖。

圖3是本發(fā)明方法實(shí)施例2的切削力測量結(jié)果與商用測力儀測得切削力對比圖。

具體實(shí)施方式

以下實(shí)施例參照圖1-3。

實(shí)施例1：測量進(jìn)給法向切削力，刀具材料為高速鋼。

(1)按照圖1所示的流程安裝實(shí)驗(yàn)設(shè)備。兩個雄獅CPL190系列電容位移傳感器安裝在切削力進(jìn)給法向上的刀桿指定位置之后與其配套驅(qū)動器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)相連，再將兩個傳感器探頭調(diào)節(jié)至合適位置，即可進(jìn)行切削力測量。為驗(yàn)證本發(fā)明提供的基于刀桿兩點(diǎn)變形的切削力測量方法，Kistler9255B商用測力儀也將同時采集切削力，以供參考。加工工件材料為鋁合金7050，使用刀具為3刃高速鋼銑刀，刀具直徑為8mm，加工參數(shù)為：主軸轉(zhuǎn)速為2000rpm，軸向切深2mm，徑向切深4mm，進(jìn)給速度300mm/min，切削力方向?yàn)檫M(jìn)給法向；

(2)利用下式獲取刀具剛度：

式中，E_bar＝210GPa，d＝8mm，l_tool＝65mm，l_I＝10mm，l_II＝30mm。經(jīng)計(jì)算得K_δ＝1.9488N/μm；

(3)采集機(jī)床空轉(zhuǎn)和加工過程中的刀桿兩處測量點(diǎn)I和II的變形位移信號，分別選取測量點(diǎn)I和II的幾個穩(wěn)定的空轉(zhuǎn)段信號周期，并將其拓展至整個測量過程，再將加工過程中測量點(diǎn)I和II的變形位移信號減去同步拓展得到的空轉(zhuǎn)段位移信號，獲取切削力引起的刀桿測量點(diǎn)I的變形δ_I和刀桿測量點(diǎn)II的變形δ_II。將δ_II減去δ_I，即可得到切削力引起的下端測量點(diǎn)II相對于上端測量點(diǎn)I的變形δ_II-δ_I；

(4)將確定的K_δ與δ_II-δ_I相乘，即可得到切削力(如圖2所示)。

實(shí)施例2：測量進(jìn)給法向切削力，刀具材料為硬質(zhì)合金。

(1)按照圖1所示的流程安裝實(shí)驗(yàn)設(shè)備。兩個雄獅CPL190系列電容位移傳感器安裝在切削力進(jìn)給方向上的刀桿指定位置之后與其配套驅(qū)動器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)相連，再將兩個傳感器探頭調(diào)節(jié)至合適位置，即可進(jìn)行切削力測量。為驗(yàn)證本發(fā)明提供的基于刀桿兩點(diǎn)變形的切削力測量方法，Kistler9255B商用測力儀也將同時采集切削力，以供參考。加工工件材料為鋁合金7050，使用刀具為4刃硬質(zhì)合金銑刀，刀具直徑為12mm，加工參數(shù)為：主軸轉(zhuǎn)速為1200rpm，軸向切深2mm，徑向切深3mm，進(jìn)給速度320mm/min，切削力方向?yàn)檫M(jìn)給方向；

(2)利用下式獲取刀具剛度：

式中，E_bar＝610GPa，d＝12mm，l_tool＝85mm，l_I＝15mm，l_II＝35mm。經(jīng)計(jì)算得K_δ＝17.2874N/μm；

(3)采集機(jī)床空轉(zhuǎn)和加工過程中的刀桿兩處測量點(diǎn)I和II的變形位移信號，分別選取測量點(diǎn)I和II的幾個穩(wěn)定的空轉(zhuǎn)段信號周期，并將其拓展至整個測量過程，再將加工過程中測量點(diǎn)I和II的變形位移信號減去同步拓展得到的空轉(zhuǎn)段位移信號，獲取切削力引起的刀桿測量點(diǎn)I的變形δ_I和刀桿測量點(diǎn)II的變形δ_II。將δ_II減去δ_I，即可得到切削力引起的下端測量點(diǎn)II相對于上端測量點(diǎn)I的變形δ_II-δ_I；

(4)將確定的K_δ與δ_II-δ_I相乘，即可得到切削力(如圖3所示)。