王進峰, 范孝良, 商 正, 權(quán)凱軍

(華北電力大學(xué) 機械工程系, 河北 保定 071003)

切削力不僅是研究切削規(guī)律的重要指標,而且是探究新型材料切削加工性的重要方式之一。朱堅民等[1]針對銑削加工中動態(tài)銑削力難于測量的問題,提出了一種通過測量銑刀振動位移來確定動態(tài)銑削力的方法。Park等[2]設(shè)計了環(huán)形壓電晶體式力傳感器, 并將其集成在主軸上以測量銑削力。周曉輝等[3]利用模糊理論通過電機的驅(qū)動電流提取切削力。劉曉龍等[4]利用一種分頻映射的非線性映射方法由驅(qū)動電流間接測量動態(tài)銑削力。為了保證切削力數(shù)據(jù)的準確性,王素娟等[5]利用功率譜密度分析切削力實驗數(shù)據(jù)。隨著材料科學(xué)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[6]。劉剛等[7]研究了碳纖維增強復(fù)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(fù)合材料車削時切削力與切削用量的關(guān)系。任鳳章等[9]研究了利用切削力評價材料切削加工性應(yīng)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,王進峰等[10]為了在高速車床使用Kistler9272測量切削力,設(shè)計了用于連接刀塔和測力儀的實驗裝置。徐旭松等[11]針對深孔鉆削切削力測量困難的問題,設(shè)計了一種基于電阻應(yīng)變片的切削力測量裝置。趙玉龍等[12]為降低銑削位置變化對傳感器輸出的影響,研制了一種四豎直敏感梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)變型固定式三維銑削測力儀。為了研究新型材料高速銑削時銑削力與切削用量的變化規(guī)律,本文設(shè)計了一種切削力測力儀連接法蘭,用于高速銑削時銑削力的測量。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

在實驗中使用的壓電晶體測力儀為Kistler9272,實驗銑床為寶雞機床廠生產(chǎn)的VMC650銑床(圖1)。

圖1 Kistler9272測力儀和VMC650機床

由于棒料加工時一般是用卡盤進行定位和夾緊,根據(jù)Kistler9272測力儀的特點,選用了K11-130三爪卡盤。在VMC650機床上使用Kislter9272測力儀進行棒料銑削力測量存在一定的困難,因此需要設(shè)計連接法蘭。為了設(shè)計用于連接 K11-130三爪卡盤和Kislter9272測力儀的連接法蘭,對三爪卡盤和測力儀進行了測量,并利用 SolidWorks進行了三維建模。其中K11-130三爪卡盤和Kislter9272測力儀的三維模型如圖2所示。

圖2 K11-130三爪卡盤和測力儀三維模型

連接法蘭三維模型如圖3所示。

圖3 連接法蘭模型

通過螺釘將K11-130三爪卡盤、連接法蘭、Kistler9272測力儀進行裝配,其虛擬裝配體圖如圖4所示。

圖4 裝配體

2 驗證性實驗

連接法蘭使用45鋼經(jīng)加工完畢后,與三爪卡盤和測力儀連接并裝配。該套裝置安裝到銑床工作臺時,通過螺栓連接將測力儀的凸緣與工作臺的滑槽連接,再通過本項目所設(shè)計制造的連接法蘭將Kislter9272測力與三爪卡盤連接在一起。在進行銑削力測量時,將工件夾持在三爪卡盤上進行固定,實現(xiàn)銑床切削力的測量,見圖5。

圖5 連接法蘭及安裝

進行了驗證性銑削實驗,銑削對象為45鋼。采用兩種工況的切削實驗條件,見表1。

表1 切削實驗1的兩種切削條件

兩種工況下輸出的切削力曲線分別見圖6和圖7。從圖6和圖7可看出，上述兩種銑削切削工況下,切削力輸出曲線無較大波動,不存在振動等問題,初步證明該實驗裝置的有效性。

圖6 工況1下切削力

圖7 工況2下切削力

為了進一步驗證該連接法蘭在進行銑削力測量的準確性,進行了不使用連接法蘭時銑削力測量實驗,零件直接通過螺栓擰緊在測力儀的螺紋孔上。使用連接法蘭和不使用連接法蘭的對比性驗證實驗各進行了4組,實驗參數(shù)見表2。

表2 法蘭驗證實驗參數(shù)

不使用連接法蘭的銑削力測量結(jié)果記為F(Ff為進給力，F(xiàn)p為背向力，F(xiàn)c為主切削力),使用連接法蘭的銑削力測量結(jié)果記為F′,二者對比結(jié)果見表3。

表3 使用連接法蘭與否的切削力對比

從上表的切削力對比數(shù)據(jù)可以看出,使用了連接法蘭的銑削力與不使用連接法蘭的銑削力基本相同,偏差基本不超過5%,進一步驗證了該裝置進行銑削力測量的有效性和準確性。

3 結(jié)語

為了在數(shù)控銑床進行切削實驗,并測量切削力,設(shè)計了一種用于連接k11-130三爪卡盤和Kislter9272測力儀的法蘭。利用SolidWorks建模和虛擬裝配后,獲得了該連接法蘭的正確結(jié)構(gòu)和尺寸,該連接法蘭經(jīng)切削加工后,用于連接測力儀和卡盤,并正確安裝于立式銑床工作臺。實驗結(jié)果表明該連接法蘭能夠用于數(shù)控銑床VMC650的銑削力測量實驗。