基于切削力感知的智能切削刀具設計及其關鍵技術研究.pdf

1、為了提高超精密切削加工的零件表面質量，高效穩(wěn)定的獲得完整一致面形精度的大尺寸表面的零部件，切削刀具在加工過程中的實時狀態(tài)起著至關重要的作用。刀具所受切削力、切削溫度、刀具磨損等直接影響零件加工精度、表面質量、刀具的壽命和加工效率，而刀具的磨損和破損甚至直接破壞加工工件表面完整性，因此，對刀具加工過程中的狀態(tài)監(jiān)測與控制就顯得非常必要。并且盡量減小刀具磨損，延長刀具的壽命，以進一步突破刀具對超精密加工難加工材料和大尺寸表面的尺寸和行程限制，

2、因此，需要賦予切削刀具系統相應的功能集成。本課題針對超精密加工對刀具實時監(jiān)測和加工能力的需求，提出了智能切削刀具系統概念，其基本思想是刀具系統執(zhí)行切削加工同時具有感知切削力的能力，以實時監(jiān)測刀具加工狀態(tài)，并且可根據加工的需要進行振動輔助切削加工，并通過超聲振動加工提高切削質量，延長刀具壽命，提高刀具對難加工材料的加工能力。
　　本文首先根據智能切削刀具系統的基本思想和設計原則，建立智能切削刀具系統等效物理模型，分析三向作用力下壓電

3、梁的應力分布規(guī)律；建立感知單元的應力分布大小與作用力的關系。根據壓電梁的彎曲振動激勵方式，對梁的端面質點振動軌跡合成進行分析，建立端面質點的振動軌跡方程，為智能切削刀具的感知和振動系統結構設計奠定理論基礎。
　　為了實現三向切削力的測量和解耦，提出了一種切削力感知式智能切削刀具構型，通過集成刀桿中的微小三向切削力測量系統，融合微小三向切削力測量系統和刀具于一體，實現精密切削過程中微小三向切削力的自主實時監(jiān)測。通過建立智能切削刀具等

4、效壓電懸臂梁模型，建立了感知單元輸出電荷與三向切削力的耦合關系，通過感知單元組合實現三向切削力的解耦；詳細推導了各向切削力作用下，各感知單元的電荷分布情況，并建立了三向切削力與四個壓電傳感單元輸出電荷之間的映射關系，建立了三向切削力與感知單元輸出電荷的感知解耦方程。通過標定測試對感知式智能切削刀具的感知解耦算法進行修正，建立了修正后的解耦方程。
　　為了測試和評估設計研制出的切削力感知式智能切削刀具，首先基于LabVIEW程序搭建

5、集成三向切削力解耦算法的測試軟件平臺，實現切削力的實時測量。通過切削實驗進行靈敏度的靜態(tài)標定，建立各向切削力與感知單元輸出電壓的關系，實現三向切削力的精確感知解耦。分析結構參數對靈敏度和剛度的影響規(guī)律，對智能切削刀具的總體綜合性能進行評價。最后通過對比切削實驗驗證了切削力感知式智能切削刀具解耦方法正確性和刀具結構設計的有效性。
　　為了進一步提高切削力感知式智能切削刀具的剛度、靈敏度和實用性，提出一種改進優(yōu)化的切削力感知式智能切削

6、刀具，通過改變了感知段橫截面的構型和感知單元的安裝方式和可轉位刀具的設計顯著的提高了該智能切削刀具的實用性；建立了感知系統剛度和電荷靈敏度的分析模型，對感知段橫截面的構型和感知單元的安裝方式進行優(yōu)化改進設計，分析了感知段橫截面的尺寸參數與剛度和靈敏度之間的關系，實現了主切削力最小0.1N的感知能力。
　　為了提高金剛石超精密切削加工能力，減小刀具磨損，延長刀具的使用壽命，提出并研制了一種超聲振動感知式智能切削刀具。主要具有兩個方面

7、的功能：一是超聲振動加工能力；二是實現振動切削過程的實時監(jiān)測。根據壓電梁的彎曲振動激勵方法，采用兩向彎曲振動模態(tài)實現超聲橢圓軌跡合成，并根據梁的端面質點振動規(guī)律和振動感知原理，對超聲振動感知式智能切削刀具進行原理分析和結構設計?；诔曊駝痈兄降闹悄芮邢鞯毒叩恼駝犹匦院洼敵隽ο禂捣治?，對刀具系統結構參數進行設計。通過對刀具的振動特性和感知特性進行測試，評價振動刀具系統振動頻率和振幅及其溫度特性，確定刀具的合理使用激勵參數和感知能力；并