用于高速车床刀塔和切削力测力仪的实验装置

王进峰, 权凯军, 刘 欢, 范孝良

(1. 华北电力大学 机械工程系, 河北 保定 071003； 2. 华北电力大学 工程训练中心, 河北 保定 071003)

“切削力测量”不仅是机械类专业基础课“机械制造技术基础”的重要实验之一,而且是研究新型材料切削加工性的重要实验方式之一。为了验证切削过程中切削力随切削用量变化的规律,各高校基本上都开设了切削力测量实验。彭军强等[1]探索了传统的“切削力测量实验”的开设方法。狄宝晶等[2]尝试利用计算机等辅助手段建立切削力与切削用量的经验公式。郭文斌等[3]探索了切削力、表面粗糙度、刀具磨损等切削要素一体化测量方法。呼烨等[4]利用位移传感器和八角环测力仪设计了一种非接触式车削测力仪。为了保证切削过程中切削速度恒定不变,张悦等[5]将变频器应用到切削力测量的实验中。为了保证切削力数据的准确性,王素娟等[6]利用功率谱密度分析切削力实验数据。随着材料科学不断发展,新型材料不断涌现,切削力是研究新型材料的切削加工性的重要指标。刘刚等[7]研究了碳纤维增强复合材料的螺旋铣孔切削力的变化规律。王进峰等[8]研究了SiCp/Al复合材料车削时切削力与切削用量的关系。任凤章等[9]研究了利用切削力评价材料切削加工性应注意的问题。由于切削工况不同,切削力测量的方式略有区别,谢晓麟[10]针对自由曲面伺服车削的难点问题,设计了一种较为2自由度的切削力测量的FTS装置。徐旭松等[11]针对深孔钻削切削力测量困难的问题,设计了一种基于电阻应变片的切削力测量装置。为了研究新型材料高速切削时切削力与切削用量的变化规律,本文设计了一种切削力测力仪连接装置,用于高速车削时切削力的测量。

1 结构设计

在实验中使用的切削力测力仪为Kistler9272,该测力仪为压电晶体式测力仪,如图1所示

图1 Kistler9272测力仪

用于切削实验的数控机床为小巨人的LGMazak QTN150机床。

为了能够在该款机床上使用Kislter9272测力仪完成切削力测量,需要将测力仪安装在机床的刀塔上,该款机床使用的刀塔为AK30系列，它使用电机来驱动,对于刀架的预定位装置,AK30系列机床采用的是2个互锁销组成的机构,这种机构可以使刀架互锁,保证刀架能够正常刹紧、松开；进行换刀操作的时候刀盘无需抬起,刀盘可以单方向旋转,完成换刀动作。刀塔内部机械结构是平行凸轮结构,该结构的特点是分割准确以及换刀迅速。为保证刀盘夹紧松开工序的顺利进行,刀架还必须配有油压动力源,动力源动作必须要准确,运行要顺畅。刀塔定位系统的组成构件有刀盘、连接器、主轴、垫圈和锁紧螺帽等,用来确保刀具能够运动到精确的位置[12]。

为了设计用于连接AK30刀塔和Kislter9272测力仪的实验装置,对刀塔和测力仪进行了测量,并利用Unigraphics NX(UG)进行了三维建模。AK30刀塔的三维模型和部分结构尺寸见图2,Kislter9272测力仪的三维模型和部分结构尺寸见图3。

图2 AK30刀塔

图3 Kislter 9272测力仪三维模型和结构尺寸

设计的用于连接AK30刀塔和Kistler9272测力仪的实验装置三维模型及部分结构尺寸见图4。

图4 连接装置

为了将车刀连接到测力仪上,需要设计一个连接的刀座。刀座的三维模型及部分结构尺寸见图5。

图5 刀座

通过螺钉将AK30刀塔、实验装置、9272测力仪、刀架和外圆车刀装配,见图6。

图6 装配体

2 验证性实验

该连接装置经车削、电火花切割、钻孔等机加工操作后如图7(a)所示,装配到LGMazak QTN150 AK30刀塔后如图7(b)所示

图7 连接装置及安装情况

为了验证该实验装置能够在高速车削过程中有效测量切削力,进行了车削实验。切削对象为45#钢,切削刀具为YT15硬质合金刀片,刀尖圆弧半径0.4 mm,前角5°。采用两种工况进行切削实验,实验条件如表1所示。输出的切削力曲线如图8和图9所示。

表1 切削实验条件

从图8和图9可看出，上述两种切削工况下,切削力曲线无较大波动,基本正常的输出切削力。为了进一步验证该连接装置的有效性,将该连接装置下的切削力输出与在常规卧式车床上切削时切削力进行对比,按照正交试验处理方法,该验证实验设计了9种切削条件,如表2所示。

图8 工况1下切削力

图9 工况2下切削力表2 切削实验条件

编号刀尖圆弧半径mm机床转速r·min-1进给量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 切削力对比结果

表3(续)

从上表的切削力对比数据可以看出,切削相同的45#钢棒料时,在相同的刀尖圆弧半径和切削用量下,在高速机床LGMazak QTN150利用连接实验装置进行切削力测量实验所测量的切削力基本与在普通机床CA6140所测量的切削力的偏差基本不超过5%,说明了该实验装置的有效性。

3 结语

为了在高速车床测量切削力,设计了一种用于连接AK30刀塔和Kislter9272测力仪的实验装置。利用UG建模和虚拟装配后,获得了该实验装置的正确结构和尺寸。利用电火花切割、车削等机加工操作,对45#钢棒料加工,验证该装置的有效性。实验数据表明,该装置能够用于高速车床LGMazak QTN150 AK30刀塔的切削力测量实验。