三向壓電式車削測力儀的性能研究與結構設計

采用ANSYS軟件分析了溫度載荷對YDC—III89車削測力儀彈性環(huán)的熱變形影響,得出改變彈性環(huán)半徑尺寸彈性槽寬度不 變;在彈性槽間增加螺釘聯(lián)接可以減少彈性槽的熱形量。在此基礎上提出了改進方案,并采用切削熱模擬試驗得到了溫度載荷對傳感器預緊力的影響。改進型測力儀 的靜態(tài)指標達到了CIRP-STCC規(guī)定的標準。實際切削結果表明:切削熱對測力儀輸出信號的影響減小了。

　　0　引　言

　　測力儀輸出信號提供了被測對象的一次信息。如果測力儀工作不穩(wěn)定,那么,同樣的輸入也可能得到不同的輸出,甚至給出錯誤的結果。

　　在切削條件不變的情況下, YDC—III89車削測力儀在測試過程中,主切削力和進給抗力在整個測試過程中變化較小,而切深方向上輸出力值有很大的變化。這與切削原理不符,說明了 測力儀動態(tài)測試的力輸出信號失真。切削熱模擬試驗證明了測力儀輸出信號失真主要是切削熱引起了彈性環(huán)結構變形,導致加載在傳感器上的預緊力大小發(fā)生了變化 [1]。

　　本文在ANSYS軟件模擬分析和切削熱模擬試驗的基礎上提出了改進方案,即在彈性環(huán)間增加螺釘預緊的方式來減小切削熱對測力儀輸出信號的影響。實際切削結果表明:切削熱對測力儀輸出信號的影響減小了。

　　1　YDC—III89車削測力儀熱變形分析

　　利用ANSYS軟件對測力儀進行熱變形分析,結構如圖1所示。

　　施加的溫度載荷為400℃。改變彈性環(huán)的外徑R1或內徑R2的值,切削熱對彈性槽寬度的影響如圖2所示。

　　在切削熱作用下, 1min內隨著時間的增加,彈性槽寬度逐漸增大,即加載在傳感器上的預緊力將逐漸減小,與實際切削試驗相符。改變彈性環(huán)的外徑R1或內徑R2的值,　雖然 改變了彈性環(huán)的剛性,但是,彈性槽寬度變化幾乎一樣,說明通過改變彈性環(huán)外徑和內徑的尺寸來減小切削熱影響不可行。

　　當彈性槽中加入螺釘聯(lián)接和沒有螺釘聯(lián)接時,彈性槽寬度變化如圖3所示。

　　在彈性槽間加上螺釘聯(lián)接時,彈性槽寬度明顯比沒添加螺釘聯(lián)接時小。這是因為螺釘約束彈性環(huán)向外膨脹,使溫度載荷引起的彈性槽變形量明顯減小,從而減少加載在傳感器上的預緊力變化,即提高了測力儀的性能。

　　2　改進方案

　　通過上面的分析可知,只要保持傳感器預緊力大小不因溫度的改變而改變就可以消除切削熱對測力儀的干擾。改進型測力儀的結構如圖4所示。

　　在切削熱作用下,測力儀的刀頭部分將向前膨脹,刀桿部分由于受刀架的約束,加載在傳感器上的預緊力隨之減小。這里,預緊螺釘起到了限制彈性槽膨 脹和補償預緊力損失的作用,采用這種結構可以減弱切削熱對測力儀的影響。為了降低螺釘自身熱膨脹對加載在傳感器上的預緊力的影響,螺釘選用熱膨脹系數(shù) 很小的材料,如因瓦合金4J32或4J36。

無螺釘預緊時,在切削熱作用下,彈性槽寬度增加Δν,　那么,作用在傳感器上的預緊力的減少量為