刀柄式壓電切削測力儀研究.pdf

1、切削加工作為機(jī)械制造領(lǐng)域的一種主要加工方式，其技術(shù)水平直接影響著國家的工業(yè)化進(jìn)程，以刀具旋轉(zhuǎn)為主運(yùn)動的加工方式（如銑削、鉆削及鏜削等）在切削加工領(lǐng)域扮演著重要角色，提高該類加工方式的加工過程智能監(jiān)控技術(shù)是促進(jìn)機(jī)械制造業(yè)發(fā)展的重要途徑。切削力是反映加工過程的重要狀態(tài)參數(shù)，切削力的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測對于提高機(jī)械制造水平有著重要意義。對于以刀具旋轉(zhuǎn)為主運(yùn)動的切削加工過程中的切削力監(jiān)測，現(xiàn)有的旋轉(zhuǎn)式壓電測力儀采用多組Y0°切型石英晶片呈圓周形均勻排列

2、的方式來測量扭矩，導(dǎo)致測力儀結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸較大、工藝要求高且成本很高。針對這些不足，研究了一套僅用一組X0°切型和一組Y0°切型石英晶片即可測量軸向力、徑向力和扭矩三維力的刀柄式壓電切削測力儀，該測力儀具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、易于加工裝配以及成本低等優(yōu)點(diǎn)。
　　通過分析壓電石英晶片的力—電轉(zhuǎn)換規(guī)律設(shè)計(jì)了合理的測力晶組結(jié)構(gòu)。首先確定了以刀具旋轉(zhuǎn)為主運(yùn)動的切削加工過程中刀具所受切削力主要可分解為軸向力、徑向力和扭矩。在分析了任意切型的石英晶

3、片表面受力時(shí)的應(yīng)力分布以及面電荷密度分布的前提下，針對常用的X0°切型和Y0°切型石英晶片，采用理論計(jì)算和ANSYS壓電分析的方法，分別進(jìn)行了力—電轉(zhuǎn)換關(guān)系分析，得到了合適的晶片切型與電極組合，僅用一組X0°切型和一組Y0°切型石英晶片即可測量三維切削力。
　　進(jìn)行了測力儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。針對測力儀隨主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)信號的傳輸，提出了兩種方式:非接觸式—靜電感應(yīng)和機(jī)械接觸式—軸承，并分別進(jìn)行了分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。經(jīng)比較，最終確定以軸承為信號傳輸

4、媒介。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了測力儀的整體結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)連接方便，有效保護(hù)測力晶組并且力的傳遞準(zhǔn)確可靠。使用ANSYS Workbench進(jìn)行模態(tài)分析得到了測力儀的一階固有頻率，接著計(jì)算了測力儀的測力范圍，均滿足普通的切削力測量要求。又對測力儀進(jìn)行了靜力結(jié)構(gòu)分析，結(jié)果表明測力儀在量程內(nèi)的最大載荷作用下的最大應(yīng)力值在材料的許用范圍內(nèi)。設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行了測力儀的加工裝配。
　　本文對刀柄式壓電切削測力儀進(jìn)行了全面的性能檢定。靜態(tài)標(biāo)定結(jié)果為:測力