三向壓電式車削測力儀的性能研究與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(chǔ)上提出了改進(jìn)方案,并采用切削熱模擬試驗(yàn)得到了溫度載荷對傳感器預(yù)緊力的影響。改進(jìn)型測力儀 的靜態(tài)指標(biāo)達(dá)到了CIRP-STCC規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)際切削結(jié)果表明:切削熱對測力儀輸出信號(hào)的影響減小了。

　　0　引　言

　　測力儀輸出信號(hào)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(cuò)誤的結(jié)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(jìn)給抗力在整個(gè)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(dòng)態(tài)測試的力輸出信號(hào)失真。切削熱模擬試驗(yàn)證明了測力儀輸出信號(hào)失真主要是切削熱引起了彈性環(huán)結(jié)構(gòu)變形,導(dǎo)致加載在傳感器上的預(yù)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(yàn)的基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)方案,即在彈性環(huán)間增加螺釘預(yù)緊的方式來減小切削熱對測力儀輸出信號(hào)的影響。實(shí)際切削結(jié)果表明:切削熱對測力儀輸出信號(hào)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(jìn)行熱變形分析,結(jié)構(gòu)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(nèi)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(nèi)隨著時(shí)間的增加,彈性槽寬度逐漸增大,即加載在傳感器上的預(yù)緊力將逐漸減小,與實(shí)際切削試驗(yàn)相符。改變彈性環(huán)的外徑R1或內(nèi)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(nèi)徑的尺寸來減小切削熱影響不可行。

　　當(dāng)彈性槽中加入螺釘聯(lián)接和沒有螺釘聯(lián)接時(shí),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(shí),彈性槽寬度明顯比沒添加螺釘聯(lián)接時(shí)小。這是因?yàn)槁葆敿s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(yù)緊力變化,即提高了測力儀的性能。

　　2　改進(jìn)方案

　　通過上面的分析可知,只要保持傳感器預(yù)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(jìn)型測力儀的結(jié)構(gòu)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(yù)緊力隨之減小。這里,預(yù)緊螺釘起到了限制彈性槽膨 脹和補(bǔ)償預(yù)緊力損失的作用,采用這種結(jié)構(gòu)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(yù)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(yù)緊時(shí),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(yù)緊力的減少量為