王進峰, 權凱軍, 劉 歡, 范孝良

(1. 華北電力大學 機械工程系, 河北 保定 071003； 2. 華北電力大學 工程訓練中心, 河北 保定 071003)

“切削力測量”不僅是機械類專業(yè)基礎課“機械制造技術基礎”的重要實驗之一,而且是研究新型材料切削加工性的重要實驗方式之一。為了驗證切削過程中切削力隨切削用量變化的規(guī)律,各高校基本上都開設了切削力測量實驗。彭軍強等[1]探索了傳統(tǒng)的“切削力測量實驗”的開設方法。狄寶晶等[2]嘗試利用計算機等輔助手段建立切削力與切削用量的經(jīng)驗公式。郭文斌等[3]探索了切削力、表面粗糙度、刀具磨損等切削要素一體化測量方法。呼燁等[4]利用位移傳感器和八角環(huán)測力儀設計了一種非接觸式車削測力儀。為了保證切削過程中切削速度恒定不變,張悅等[5]將變頻器應用到切削力測量的實驗中。為了保證切削力數(shù)據(jù)的準確性,王素娟等[6]利用功率譜密度分析切削力實驗數(shù)據(jù)。隨著材料科學不斷發(fā)展,新型材料不斷涌現(xiàn),切削力是研究新型材料的切削加工性的重要指標。劉剛等[7]研究了碳纖維增強復合材料的螺旋銑孔切削力的變化規(guī)律。王進峰等[8]研究了SiCp/Al復合材料車削時切削力與切削用量的關系。任鳳章等[9]研究了利用切削力評價材料切削加工性應注意的問題。由于切削工況不同,切削力測量的方式略有區(qū)別,謝曉麟[10]針對自由曲面伺服車削的難點問題,設計了一種較為2自由度的切削力測量的FTS裝置。徐旭松等[11]針對深孔鉆削切削力測量困難的問題,設計了一種基于電阻應變片的切削力測量裝置。為了研究新型材料高速切削時切削力與切削用量的變化規(guī)律,本文設計了一種切削力測力儀連接裝置,用于高速車削時切削力的測量。

1 結構設計

在實驗中使用的切削力測力儀為Kistler9272,該測力儀為壓電晶體式測力儀,如圖1所示

圖1 Kistler9272測力儀

用于切削實驗的數(shù)控機床為小巨人的LGMazak QTN150機床。

為了能夠在該款機床上使用Kislter9272測力儀完成切削力測量,需要將測力儀安裝在機床的刀塔上,該款機床使用的刀塔為AK30系列，它使用電機來驅(qū)動,對于刀架的預定位裝置,AK30系列機床采用的是2個互鎖銷組成的機構,這種機構可以使刀架互鎖,保證刀架能夠正常剎緊、松開；進行換刀操作的時候刀盤無需抬起,刀盤可以單方向旋轉,完成換刀動作。刀塔內(nèi)部機械結構是平行凸輪結構,該結構的特點是分割準確以及換刀迅速。為保證刀盤夾緊松開工序的順利進行,刀架還必須配有油壓動力源,動力源動作必須要準確,運行要順暢。刀塔定位系統(tǒng)的組成構件有刀盤、連接器、主軸、墊圈和鎖緊螺帽等,用來確保刀具能夠運動到精確的位置[12]。

為了設計用于連接AK30刀塔和Kislter9272測力儀的實驗裝置,對刀塔和測力儀進行了測量,并利用Unigraphics NX(UG)進行了三維建模。AK30刀塔的三維模型和部分結構尺寸見圖2,Kislter9272測力儀的三維模型和部分結構尺寸見圖3。

圖2 AK30刀塔

圖3 Kislter 9272測力儀三維模型和結構尺寸

設計的用于連接AK30刀塔和Kistler9272測力儀的實驗裝置三維模型及部分結構尺寸見圖4。

圖4 連接裝置

為了將車刀連接到測力儀上,需要設計一個連接的刀座。刀座的三維模型及部分結構尺寸見圖5。

圖5 刀座

通過螺釘將AK30刀塔、實驗裝置、9272測力儀、刀架和外圓車刀裝配,見圖6。

圖6 裝配體

2 驗證性實驗

該連接裝置經(jīng)車削、電火花切割、鉆孔等機加工操作后如圖7(a)所示,裝配到LGMazak QTN150 AK30刀塔后如圖7(b)所示

圖7 連接裝置及安裝情況

為了驗證該實驗裝置能夠在高速車削過程中有效測量切削力,進行了車削實驗。切削對象為45#鋼,切削刀具為YT15硬質(zhì)合金刀片,刀尖圓弧半徑0.4 mm,前角5°。采用兩種工況進行切削實驗,實驗條件如表1所示。輸出的切削力曲線如圖8和圖9所示。

表1 切削實驗條件

從圖8和圖9可看出，上述兩種切削工況下,切削力曲線無較大波動,基本正常的輸出切削力。為了進一步驗證該連接裝置的有效性,將該連接裝置下的切削力輸出與在常規(guī)臥式車床上切削時切削力進行對比,按照正交試驗處理方法,該驗證實驗設計了9種切削條件,如表2所示。

圖8 工況1下切削力

圖9 工況2下切削力表2 切削實驗條件

編號刀尖圓弧半徑mm機床轉速r·min-1進給量mm·r-1切削深度mm10.45600.10.820.47100.151.230.49000.21.040.85600.151.050.87100.20.860.89000.11.271.25600.21.281.27100.11.091.29000.150.8

表3 切削力對比結果

表3(續(xù))

從上表的切削力對比數(shù)據(jù)可以看出,切削相同的45#鋼棒料時,在相同的刀尖圓弧半徑和切削用量下,在高速機床LGMazak QTN150利用連接實驗裝置進行切削力測量實驗所測量的切削力基本與在普通機床CA6140所測量的切削力的偏差基本不超過5%,說明了該實驗裝置的有效性。

3 結語

為了在高速車床測量切削力,設計了一種用于連接AK30刀塔和Kislter9272測力儀的實驗裝置。利用UG建模和虛擬裝配后,獲得了該實驗裝置的正確結構和尺寸。利用電火花切割、車削等機加工操作,對45#鋼棒料加工,驗證該裝置的有效性。實驗數(shù)據(jù)表明,該裝置能夠用于高速車床LGMazak QTN150 AK30刀塔的切削力測量實驗。