压电式切削力自感知刀具的研制

• 作 者: 袁龙
• 出 处: 太原科技大学
• 发表日期: 2004年期
• 关键词: 压电陶瓷片 切削力自感知刀具 耦合分析 静动态标定

在机械加工过程中刀具作为机床的“牙齿”,其状态的好坏不仅可以通过被加工零件的表面质量来呈现,也可以通过切削力的变化来反映。切削力作为刀具状态监测的重要指标,根据切削力变化反映出来的切削状况,可及时调整切削参数,从而提高切削效率,延长刀具使用寿命等,因此切削加工过程中切削力的监测对智能制造有着十分重要的意义。随着微传感技术的快速发展,应用集成思想将感知元件嵌入刀具中对切削力进行实时监测,不但能够减小因外接测力仪所带来的不便,而且能够减少监测成本。本文以机夹式车刀为研究对象,提出一种将压电陶瓷片嵌入刀垫中去感知切削力的刀具构型,首先通过对感知换能元件的结构设计,确定压电陶瓷片的形状、尺寸,然后对所研制的刀具进行模态分析和压电耦合分析,最后通过试验确定各项性能指标,表明设计的可行性。论文主要研究内容如下:(1)首先根据压电陶瓷的压电效应,对感知换能元件的结构进行设计;通过分析比对确定压电陶瓷片的型号为PZT-5H,应力分析获取压电陶瓷片为圆环状,理论计算确定压电陶瓷片的尺寸为外径12mm、内径5mm、厚度2mm;然后采用集总质量法建立Z向切削力与载荷之间的振动力学模型;最后完成感知换能元件的制备。(2)采用ANSYS对压电式切削力自感知刀具的三维简化模型进行模态分析和压电耦合分析。模态分析获取感知刀具的固有频率为1724.2H_Z,分析各阶振型变化情况,检验所设计刀具不会因共振而损坏;压电耦合分析获取了不同载荷作用下的电压响应,并进行载荷响应分析,结果表明载荷与电压之间具有良好的线性关系,线性度误差为0.25%。(3)采用逐级加或逐级减和脉冲响应的方法对感知刀具的静动态性能指标进行标定。结果表明,所设计的压电式切削力自感知刀具有良好的静态性能和高的固有频率;采用三因素三水平的正交试验对压电式切削力自感知刀具进行切削加工试验,并将得到的电压值转换为切削力与经典经验公式计算的切削力作比较,结果表明在切削力低于300N时测量转换值与经验计算值具有良好的线性关系,线性度误差为0.37%。