三向压电式车削测力仪的研制

论文摘要

切削加工过程中的切削力大小将直接影响切削热的产生、被加工表面的质量、工件的加工精度、刀具的磨损。由于加工条件的复杂性和不确定性,切削力的理论计算值与实际值存在偏差,最好用测力仪实地测量。为了能够直接测量切削力的大小,出现了许多类型的测力仪,其中大多数用来测量静态或准静态力。随着精密加工技术的发展,能测量动态切削力的测力仪成了研发目标。本文设计了两种车削测力仪。一种是采用弹性环预紧的整体式,将三向力传感器安装在弹性环中,由弹性环的过盈量产生预紧;另一种是用螺钉将三向力传感器固定在刀头与刀杆间,并施加预紧的分体式。其中的三向力传感器均由三个石英单元晶组组合而成,其中Z向晶组利用石英的纵向拉伸效应,X向、Y向晶组利用石英的剪切效应。分体式车削测力仪由刀头、传感器、刀杆、预紧螺钉等装配而成。根据ANSYS模拟分析和理论分析可知:穿过传感器的预紧螺钉对热变形起约束作用,并且可以补偿因切削热引起的预紧力的减小。对标定后测力仪进行的切削表明,该结构可以减小切削热对测力仪的影响,但不能将影响降低到可忽略的范围。整体式车削测力仪结构的“推挽”特性,不仅提高了测力仪的灵敏度,而且能自动补偿了切削热引起的误差。弹性环起到力的传递和分载作用,是测力仪的关键部分。ANSYS软件的静力学分析说明了弹性环可以满足高刚度和变形线性的要求。根据弹性环参数的正交试验优化了弹性环结构参数。为了测定整体式车削测力仪的精度,最后对其进行静态和动态标定。各向非线性误差分别为0.2%、0.1%、0.1%,相间横向干扰最大不超过5%。实际切削表明,该测力仪完全满足设计要求,不仅可以用于测量切削力的静态分量还可以测量动态分量。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题来源及研究意义
• 1.2 课题研究背景
• 1.2.1 国内外研究与应用
• 1.2.2 压电车削测力仪的类型
• 1.3 本文主要研究内容与解决方案
• 1.3.1 本文主要研究内容
• 1.3.2 解决方案
• 1.4 本文组织结构
• 2 新型压电车削测力仪总体方案分析
• 2.1 新型压电车削测力仪的结构
• 2.1.1 结构设计原则
• 2.1.2 新型结构的简介
• 2.2 传感器晶组的设计
• 2.2.1 石英晶体几何切型选择
• 2.2.2 晶组的构成
• 3 YDC-Ⅲ89改进型的设计与分析
• 3.1 YDC-Ⅲ89车削测力仪热变形分析
• 3.1.1 工作原理
• 3.1.2 热变形分析
• 3.2 YDC-Ⅲ89改进型测力仪的设计
• 3.2.1 理论分析
• 3.2.2 模拟试验
• 3.3 静态标定实验
• 3.4 实际切削实验
• 4 整体式车削测力仪的设计与分析
• 4.1 整体式车削测力仪的设计依据
• 4.2 整体式车削测力仪的结构分析
• 4.2.1 简化模型的受力分析
• 4.2.2 结构变形分析与传感器晶组设计
• 4.2.3 测力仪结构参数优化
• 4.2.4 测力仪的固有频率与传感器的承载能力
• 4.3 刀架螺钉强度校核
• 4.4 弹性环过盈量计算
• 4.5 整体式车削测力仪的装配
• 4.6 整体式车削测力仪的标定实验
• 4.6.1 静态标定实验
• 4.6.2 动态标定实验
• 4.7 整体式车削测力仪切削热模拟实验
• 4.8 整体式车削测力仪的实际切削实验
• 结论
• 参考文献
• 附录A 附录内容名称
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢