三向压电式车削测力仪的性能研究与结构设计

采用ANSYS软件分析了温度载荷对YDC—III89车削测力仪弹性环的热变形影响,得出改变弹性环半径尺寸弹性槽宽度不 变;在弹性槽间增加螺钉联接可以减少弹性槽的热形量。在此基础上提出了改进方案,并采用切削热模拟试验得到了温度载荷对传感器预紧力的影响。改进型测力仪 的静态指标达到了CIRP-STCC规定的标准。实际切削结果表明:切削热对测力仪输出信号的影响减小了。

　　0　引　言

　　测力仪输出信号提供了被测对象的一次信息。如果测力仪工作不稳定,那么,同样的输入也可能得到不同的输出,甚至给出错误的结果。

　　在切削条件不变的情况下, YDC—III89车削测力仪在测试过程中,主切削力和进给抗力在整个测试过程中变化较小,而切深方向上输出力值有很大的变化。这与切削原理不符,说明了 测力仪动态测试的力输出信号失真。切削热模拟试验证明了测力仪输出信号失真主要是切削热引起了弹性环结构变形,导致加载在传感器上的预紧力大小发生了变化 [1]。

　　本文在ANSYS软件模拟分析和切削热模拟试验的基础上提出了改进方案,即在弹性环间增加螺钉预紧的方式来减小切削热对测力仪输出信号的影响。实际切削结果表明:切削热对测力仪输出信号的影响减小了。

　　1　YDC—III89车削测力仪热变形分析

　　利用ANSYS软件对测力仪进行热变形分析,结构如图1所示。

　　施加的温度载荷为400℃。改变弹性环的外径R1或内径R2的值,切削热对弹性槽宽度的影响如图2所示。

　　在切削热作用下, 1min内随着时间的增加,弹性槽宽度逐渐增大,即加载在传感器上的预紧力将逐渐减小,与实际切削试验相符。改变弹性环的外径R1或内径R2的值,　虽然 改变了弹性环的刚性,但是,弹性槽宽度变化几乎一样,说明通过改变弹性环外径和内径的尺寸来减小切削热影响不可行。

　　当弹性槽中加入螺钉联接和没有螺钉联接时,弹性槽宽度变化如图3所示。

　　在弹性槽间加上螺钉联接时,弹性槽宽度明显比没添加螺钉联接时小。这是因为螺钉约束弹性环向外膨胀,使温度载荷引起的弹性槽变形量明显减小,从而减少加载在传感器上的预紧力变化,即提高了测力仪的性能。

　　2　改进方案

　　通过上面的分析可知,只要保持传感器预紧力大小不因温度的改变而改变就可以消除切削热对测力仪的干扰。改进型测力仪的结构如图4所示。

　　在切削热作用下,测力仪的刀头部分将向前膨胀,刀杆部分由于受刀架的约束,加载在传感器上的预紧力随之减小。这里,预紧螺钉起到了限制弹性槽膨 胀和补偿预紧力损失的作用,采用这种结构可以减弱切削热对测力仪的影响。为了降低螺钉自身热膨胀对加载在传感器上的预紧力的影响,螺钉选用热膨胀系数 很小的材料,如因瓦合金4J32或4J36。

无螺钉预紧时,在切削热作用下,弹性槽宽度增加Δν,　那么,作用在传感器上的预紧力的减少量为