一种面向超声振动辅助切削的原位切削力测量装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种面向超声振动辅助切削的原位切削力测量装置与方法，包括对刀具刀尖处的振动频率和振动幅值进行实时测量的激光干涉仪，监控刀具与工件接触状态的高速相机，对变幅杆上的应力进行实时测量的PVDF压电薄膜，对应力传播特性方程进行修正的压电测力平台；所述PVDF压电薄膜粘贴在变幅杆的特征测量区域，所述压电测力平台设置在变幅杆的末端。本发明专利技术以超声振动辅助切削过程为研究对象，对其应力波传播过程进行研究，通过建立振动切削动态冲击数学模型，最终获取加工中的原位切削力值，以便进一步揭示振动切削过程中的力传播机理，为定量研究切削力对加工表面完整性的影响规律，以及进一步提升加工表面质量提供理论基础。

【技术实现步骤摘要】
一种面向超声振动辅助切削的原位切削力测量装置与方法
本专利技术涉及精密加工和切削力测量，特别涉及一种面向超声振动辅助切削的原位切削力测量装置与方法。
技术介绍
在机械加工领域，传统的加工方法难以实现对难加工材料、特殊零件以及薄壁件等进行精密加工，因此有了精密加工和特种加工技术，超声振动辅助切削便是方法之一，其有着传统加工方法所不具备的诸多优点，如减小切削力和功率损耗，减小切屑变形，切削温度明显降低，提高切削液的使用效果，降低表面粗糙度，提高加工精度和表面质量，使得切屑易处理，增大了实际剪切角，减少刀具磨损，延长了刀具的寿命，极大地提高生产效率等。而切削力作为影响切削效果、刀具磨损、成屑的重要因素，一直是超声振动辅助加工中的研究重点。目前切削力测量方法大多通过在刀架基座上放置测力仪来实现，然而受到高频振动的波动性影响，测力仪所获得的力值与刀尖处的原位切削力存在较大偏差，从而无法为提升加工质量及工艺提供可靠数据支撑。为此，在应力波传播原理的启发下，通过选取适当的传感器和测量方法，获取从激振源、变幅杆再到刀尖处的完整应力波传播情况，最终获得刀尖处的原位切削力，这对于应力波的传播特性以及振动切削的研究具有重要的实践意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术中的不足，提供一种面向超声振动辅助切削的原位切削力测量装置与方法，本专利技术是以超声振动辅助切削过程为研究对象，对其应力波传播过程进行研究，通过建立振动切削动态冲击数学模型，最终获取加工中的原位切削力值，以便进一步揭示振动切削过程中的力传播机理，为定量研究切削力对加工表面完整性的影响规律，以及进一步提升加工表面质量提供理论基础。本专利技术所采用的技术方案是：一种面向超声振动辅助切削的原位切削力测量装置，包括对刀具刀尖处的振动频率和振动幅值进行实时测量的激光干涉仪，监控刀具与工件接触状态的高速相机，对变幅杆上的应力进行实时测量的PVDF压电薄膜，对应力传播特性方程进行修正的压电测力平台；所述PVDF压电薄膜粘贴在变幅杆的特征测量区域，所述压电测力平台设置在变幅杆的末端；所述PVDF压电薄膜、激光干涉仪、高速相机和压电测力平台均连接至上位机。所述的变幅杆采用阶梯型变幅杆，所述的变幅杆的特征测量区域为阶梯型变幅杆小端上的5个应力值特殊点：应力幅值的起点，应力幅值的终点，应力幅值的最高点，应力幅值最高点和应力幅值终点之间距离的两个均分点。每个所述的变幅杆的特征测量区域上粘贴一组PVDF压电薄膜以测量变幅杆上应力传播的曲线，每组PVDF压电薄膜粘贴包括三个沿圆周方向均匀布置的PVDF压电薄膜。一种基于上述面向超声振动辅助切削的原位切削力测量装置的测量方法，包括以下步骤：步骤一：组装上述一种面向超声振动辅助切削的原位切削力测量装置；步骤二：激光干涉仪监控刀尖处某一径向的振动频率和幅值，高速相机监控刀具与工件的接触状态，并将振动频率、幅值和接触周期作为有限元仿真的输入条件，得到变幅杆有限元仿真结果，确定特征测量区域；步骤三：PVDF压电薄膜粘贴在特征测量区域，获取变幅杆上应力分布，并拟合应力传播特性方程；步骤四：压电测力平台获取底座的切削力，对应力传播特性方程进行修正；步骤五：整合变幅杆上应力传播特性方程。步骤三具体为：在阶梯型变幅杆上分布五组PVDF压电薄膜，每组为间隔120°的三个PVDF压电薄膜，获取整个变幅杆上的应力传播情况，对PVDF压电薄膜信号进行采集解耦，获得五组三向应力值σx、σy、σz；获得应力值变化与测量点距离变幅杆截面突变处的关系：σx1＝axz2+bxz+cx，σy1＝ayz2+byz+cy，σz1＝azz2+bzz+cz，其中，ax、bx、cx分别为x方向切削力Fx作用下应力传播特性拟合方程的二次项系数、一次项系数和常数项系数；ay、by、cy分别为y方向切削力Fy作用下应力传播特性拟合方程的二次项系数、一次项系数和常数项系数，az、bz、cz分别为z方向切削力Fz作用下应力传播特性拟合方程的二次项系数、一次项系数和常数项系数。步骤四具体为：将压电测力平台安装在底座上，根据测量所得三向切削力计算对应应力值，进一步与应力传播特性方程进行比对，并修正应力传播特性方程：σx2＝kxσx1+bx，σy2＝kyσy1+by，σz2＝kzσz1+bz，其中，kx、bx分别为压电测力平台测量值对x方向切削力Fx作用下应力传播特性方程的一次项修正系数和常数项修正系数，ky、by分别为压电测力平台测量值对y方向切削力Fy作用下应力传播特性方程的一次项修正系数和常数项修正系数，kz、bz分别为压电测力平台测量值对z方向切削力Fz作用下应力传播特性方程的一次项修正系数和常数项修正系数。步骤五具体为：首先，使用激光干涉仪获取切削工作时刀尖处某一径向的振动频率与振动幅值，用高速相机监控刀尖与工具的接触状态，并将振动频率、幅值和接触周期作为有限元分析的条件，依据有限元分析结果获取变幅杆的特征测量区域；然后将PVDF粘贴在特征测量区域，解耦并拟合出变幅杆上应力传播特性二次曲线；最后，采用压电测力平台对应力传播特性方程进行修正，得到更为准确的应力传播特性方程。本专利技术的有益效果是：本专利技术提出一种针对超声振动辅助切削过程中的应力波传播特性进行实时准确测量的装置与方法，即建立起以PVDF压电薄膜为主、以激光干涉仪和高速相机为辅，结合压电测力平台构成的应力波测量链。该测量装置与方法的提出，可以为振动切削中应力波机理分析提供实验论证，有利于理论的发展与完善。同时，根据测量结果，为更加合理的激振方式和能量传输系统优化提供了可能，使得振动更为有效地传递至材料塑性变形区，为超声振动辅助切削技术的进一步发展提供理论基础，提升加工的表面质量和完整性。附图说明图1：本专利技术面向超声振动辅助切削的原位切削力测量装置的结构示意图；图2：本专利技术实施例一PVDF压电薄膜结构示意图；图3：本专利技术实施例一变幅杆示意图；图4：本专利技术实施例一变幅杆上应力变化图；图5：本专利技术实施例一信号采集处理框图；图6：本专利技术实施例一PVDF压电薄膜受力分析图；图7：本专利技术实施例一切削力测量链的整体框图。附图标注：1、变幅杆；2、刀具；3、主轴；4、工件；5、激光干涉仪；6、高速相机；7、PVDF压电薄膜；8、压电测力平台；9、电荷放大器；10、数据采集卡。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步的描述。本专利技术中，考虑到超声振动辅助切削的冲击特性及测量特征区域特点，所采用的传感器需具有足够的精确度、灵敏度、柔性程度、动态特性及抗干扰能力，因此提出以PVDF(PolyvinylideneFluoride，聚偏氟乙烯)压电薄膜为主、激光干涉仪和高速相机为辅，并结合压电测力平台所构成的分布式测量链方案。在实际的超声振动辅助切削过程中，由于冲击作用，刀具2的振动频率、振动幅值都与激励信号有所差别，在此，使用激光干涉仪预先测量刀尖处某一径向的振动频率和幅值，并使用高速相机获取刀具2与工件的接触状态，将测量值作为有限元分析的载荷输入条件，以获取准确的特征测量区域。PVDF压电薄膜传感器具有柔性度好、频响范围大、灵敏度高等特点，以特征区域为参考，在变幅杆上布置多组测量节点，对应力波的传播过程进行精准测量，得到应力传播特性曲线。测量方案中拟在变本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向超声振动辅助切削的原位切削力测量装置，其特征在于，包括对刀具刀尖处的振动频率和振动幅值进行实时测量的激光干涉仪，监控刀具与工件接触状态的高速相机，对变幅杆上的应力进行实时测量的PVDF压电薄膜，对应力传播特性方程进行修正的压电测力平台；所述PVDF压电薄膜粘贴在变幅杆的特征测量区域，所述压电测力平台设置在变幅杆的末端；所述PVDF压电薄膜、激光干涉仪、高速相机和压电测力平台均连接至上位机。

【技术特征摘要】
1.一种面向超声振动辅助切削的原位切削力测量装置，其特征在于，包括对刀具刀尖处的振动频率和振动幅值进行实时测量的激光干涉仪，监控刀具与工件接触状态的高速相机，对变幅杆上的应力进行实时测量的PVDF压电薄膜，对应力传播特性方程进行修正的压电测力平台；所述PVDF压电薄膜粘贴在变幅杆的特征测量区域，所述压电测力平台设置在变幅杆的末端；所述PVDF压电薄膜、激光干涉仪、高速相机和压电测力平台均连接至上位机。2.根据权利要求1所述的一种面向超声振动辅助切削的原位切削力测量装置，其特征在于，所述的变幅杆采用阶梯型变幅杆，所述的变幅杆的特征测量区域为阶梯型变幅杆小端上的5个应力值特殊点：应力幅值的起点，应力幅值的终点，应力幅值的最高点，应力幅值最高点和应力幅值终点之间距离的两个均分点。3.根据权利要求2所述的一种面向超声振动辅助切削的原位切削力测量装置，其特征在于，每个所述的变幅杆的特征测量区域上粘贴一组PVDF压电薄膜以测量变幅杆上应力传播的曲线，每组PVDF压电薄膜粘贴包括三个沿圆周方向均匀布置的PVDF压电薄膜。4.一种基于上述权利要求1至3任一项所述的面向超声振动辅助切削的原位切削力测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：组装如权利要求1至3任一项所述的一种面向超声振动辅助切削的原位切削力测量装置；步骤二：激光干涉仪监控刀尖处某一径向的振动频率和幅值，高速相机监控刀具与工件的接触状态，并将振动频率、幅值和接触周期作为有限元仿真的输入条件，得到变幅杆有限元仿真结果，确定特征测量区域；步骤三：PVDF压电薄膜粘贴在特征测量区域，获取变幅杆上应力分布，并拟合应力传播特性方程；步骤四：压电测力平台获取底座的切削力，对应力传播特性方程进行修正；步骤五：整合变幅杆上应力传播特性方程。5.根据权利要求4所述的一种基于面向超声振动辅助切削的原位切削力测量装置的测量方法，其特征在于，步骤三具体为：在阶梯型变幅杆上分布五组PVDF压电薄膜，每组为间隔120°的三个PV...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋乐，李美怡风，宫虎，郑叶龙，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12