專利名稱：壓電石英刀桿式三向車削測(cè)力儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是屬于測(cè)量金屬與非金屬切削時(shí)的切削力的儀器。
現(xiàn)有的壓電式切削測(cè)力儀雖然動(dòng)態(tài)性能較其它類型測(cè)力儀有很大提高，但是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、體積較大、需要的壓電式力傳感器數(shù)量較多(例如瑞士Kistler公司9257A測(cè)力平臺(tái)要用4個(gè)三向壓電石英力傳感器，9263A車削測(cè)力儀需要3個(gè)雙向3個(gè)單向共6個(gè)壓電石英力傳感器)，而且這種傳感器工藝復(fù)雜、技術(shù)要求高、難于制作，成本很高，所以用該類傳感器作成的測(cè)力儀成本也很高(如9257A測(cè)力系統(tǒng)86年售價(jià)為21590美元、當(dāng)時(shí)折合人民幣60450元)。另外，由于多數(shù)測(cè)力儀質(zhì)量較大，與實(shí)際刀具切削狀態(tài)有較大差別，將引起動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差。由于以上原因，目前的測(cè)力儀多在實(shí)驗(yàn)室中使用，難于應(yīng)用在實(shí)際生產(chǎn)中。
本發(fā)明的目的在于研制一種體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)捷、動(dòng)態(tài)性能良好的壓電式車削測(cè)力儀。整個(gè)測(cè)力儀如同一把普通外圓車刀，只由一個(gè)高剛度的彈性刀桿和一個(gè)三向壓電石英力敏元件組成，使測(cè)力儀靜態(tài)與動(dòng)態(tài)性能有很大提高，達(dá)到國(guó)際CIRP-TSCC(國(guó)際生產(chǎn)工程研究會(huì)一切削委員會(huì))規(guī)定的“動(dòng)態(tài)型切削測(cè)力儀”標(biāo)準(zhǔn)。此外，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、省掉許多價(jià)格昂貴的壓電力傳感器，所以該測(cè)力儀成本也能大大降低。它適于在線精密測(cè)量動(dòng)態(tài)與瞬態(tài)切削力，也能測(cè)量靜態(tài)切削力。
本發(fā)明的具體實(shí)施步驟方法與工藝本發(fā)明的基本構(gòu)成是(1)測(cè)力儀體采用中間帶有兩個(gè)對(duì)稱彈性半環(huán)和長(zhǎng)槽的刀桿式結(jié)構(gòu)，三向壓電石英力敏元件通過(guò)彈性半環(huán)被夾緊在長(zhǎng)槽內(nèi)。當(dāng)切削力作用在刀尖上時(shí)，便通過(guò)彈性半環(huán)和長(zhǎng)槽兩個(gè)平面作用在力敏元件上，再經(jīng)力敏元件將力自動(dòng)分解為Fx、Fy、Fz三個(gè)方向輸出。測(cè)力儀體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是合理選擇彈性半環(huán)的幾何參數(shù)(外徑R、內(nèi)徑r、厚度H)，以保證足夠的剛度、各向力傳遞的精確性以及較高的力-電轉(zhuǎn)換效率。(2)用三向壓電石英力敏元件代替了一般的壓電石英力傳感器，并將此力敏元件直接裝入測(cè)力儀體內(nèi)。力敏元件是根據(jù)石英正壓電效應(yīng)原理制成的，它是由6片不同切型石英晶片組成，其中測(cè)量Fx、Fz切削力的是分別用一對(duì)YO°切型的晶片，測(cè)量Fy切削力是用一對(duì)XO°切型晶片，6片疊加膠合后裝入測(cè)力儀體長(zhǎng)槽中，為使力敏元件獲得約1500kgf的預(yù)緊力。長(zhǎng)槽寬度相對(duì)于力敏元件厚度方向的過(guò)盈量一般取0.4～0.7mm。(3)力敏元件裝入測(cè)力儀體后，要按各向間橫向干擾最小原則(一般≤±5%)，在長(zhǎng)槽內(nèi)對(duì)敏感元件的位置進(jìn)行精確調(diào)試，直到橫向干擾和線性達(dá)要求為止。
本發(fā)明的技術(shù)性能與應(yīng)用效果經(jīng)靜態(tài)與動(dòng)態(tài)標(biāo)定后，該測(cè)力儀達(dá)到了CIRP-TSCC“動(dòng)態(tài)型”切削測(cè)力儀標(biāo)準(zhǔn)。具體性能指標(biāo)量程各向?yàn)椤?00kgf，電荷靈敏度Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z各向分別為30，22，37pC/kgf，非線性各向均＜＜±1%(F·S)，滯后與重復(fù)性均＜1%(F·S)各向橫向干擾＜±5%(F·S)，F(xiàn)x，F(xiàn)y，F(xiàn)z各向固有頻率分別為8KHz、16KHz、10KHz，各向絕緣電阻＞1013Ω。
本測(cè)力儀可用來(lái)測(cè)量車削時(shí)的動(dòng)態(tài)力、瞬態(tài)力和靜態(tài)力，也可作為在線監(jiān)測(cè)裝置或自適應(yīng)控制系統(tǒng)反饋元件。


附圖一在測(cè)力儀體〔1〕中借助于彈性半環(huán)把三向力敏元件〔12〕夾緊在長(zhǎng)槽中，〔12〕中Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z三個(gè)電極通過(guò)導(dǎo)線〔4〕引出體外，〔12〕用密封膠〔3〕、聚四氟乙烯塑料片以及蓋板〔5〕和〔9〕密封與保護(hù)，螺釘〔2〕是固定導(dǎo)線用的。測(cè)力儀前部是普通的機(jī)夾可轉(zhuǎn)位刀頭，螺釘〔6〕通過(guò)壓板〔7〕將刀片〔8〕壓緊在刀墊〔11〕和刀體〔1〕上。
附圖二不同切型的石英晶片〔1〕其浼蟹諾緙 〕和〔3〕，〔2〕共點(diǎn)接地，〔3〕為引出Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z電極，〔1〕〔2〕〔3〕用導(dǎo)電膠粘結(jié)成一體。
最佳實(shí)施例如附圖一所示，測(cè)力儀體〔1〕材料為40Cr，粗加工后經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，R＝18mm，r＝8mm，H＝32mm，L＝32mm，兩半環(huán)要以刀桿軸線嚴(yán)格對(duì)稱。長(zhǎng)槽兩側(cè)平面不平行度不得超過(guò)0.003μm，其表面粗糙度

10以上，兩者刀桿安裝基面A的不垂直度不大于0.02mm。(2)壓電力敏元件的石英晶片直徑為16mm厚度為1mm。YO°切型4片、XO°切型2片，共組成3對(duì)晶片組、每對(duì)極性相對(duì)放置，中間夾上銀焊片電極，其組合方式如附圖二所示，各組晶片的最大靈敏度方向按該圖左側(cè)箭頭所示。用100～200kgf壓力將晶片與電極通過(guò)導(dǎo)電膠壓合在一起構(gòu)成石英疊堆力敏元件。(3)在拉壓試驗(yàn)機(jī)上將刀桿長(zhǎng)槽以1500～2000kgf力量拉開(kāi)將力敏元件放入槽內(nèi)并用外圍的聚四氟乙烯片精確調(diào)整其位置，引出導(dǎo)線，最后用壓蓋〔5〕〔9〕和704密封膠將石英疊堆可靠密封起來(lái)，壓蓋與測(cè)力儀體之間用電子束或激光焊接。(4)測(cè)力儀切削部采用16mm×16mm標(biāo)準(zhǔn)硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀片，刀槽的幾何角度為γ＝-8°，α＝6°，nr＝60°，λ＝-5°。
權(quán)利要求
1.屬于金屬與非金屬切削時(shí)測(cè)量切削力的儀器，一種由測(cè)力儀體[1]、敏感元件[12]及切削部分[7]、[8]、[11]組成的壓電石英刀桿式三向車削測(cè)力儀，本發(fā)明的特征在于，上述的測(cè)力儀體[1]的受力變形元件是由兩個(gè)彈性半環(huán)組成，壓電石英三向力敏元件[12]直接裝入彈性環(huán)的槽中，用過(guò)盈量使其預(yù)緊，構(gòu)成高剛度、高靈敏度測(cè)力儀整體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電石英刀桿式三向車削測(cè)力儀，其中測(cè)力儀體〔1〕是采用高剛度彈性刀桿式結(jié)構(gòu)，兩個(gè)彈性半環(huán)尺寸相同、形狀對(duì)稱。
3.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的車削測(cè)力儀由6片石英晶片(其中2片為XO°切型，4片為YO°切型)組成的三向力敏元件〔12〕按照與Fx、Fy、Fz切削力方向一致裝入彈性環(huán)的槽中，預(yù)緊力為1000～2000kgf。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的車削測(cè)力儀力敏元件裝入測(cè)力儀體后進(jìn)行高阻絕緣密封，各向輸出間及對(duì)地絕緣電阻≥1013Ω。
全文摘要
本發(fā)明屬于金屬與非金屬切削時(shí)測(cè)量切削力的儀器。
文檔編號(hào)B23Q17/09GK1032395SQ8710631
公開(kāi)日1989年4月12日 申請(qǐng)日期1987年9月15日 優(yōu)先權(quán)日1987年9月15日
發(fā)明者孫寶元, 錢敏 申請(qǐng)人:大連工學(xué)院