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[摘 要]在评价被加工材料的加工工艺性能、切削刀具的使用效果、机床性能等内容时，切削力是进行评定的重要指标之一。通过切削力的测量可以及时发现切削刀具存在的故障，并且能够为加工系统的研究提供依据，有助于实现对切削刀具的改进。本文对可换刀具压电车削测力仪的设计方案及分析结果等内容进行阐述，希望能为相关工作人员提供参考。
[关键词]压电；测力仪；可换刀具
中图分类号：TH654 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）32-0000-01
引言
切削工艺与切削力之间存在着紧密的联系，加强对切削力的研究，并在研究中结合测力仪展开分析，对车削工艺的改进具有重要作用。刀具和工件的接触面积增大，切削力静态分量也随之增大，因此可用切削力静态分量检测刀具磨损；而切削力动态分量反映刀具磨损过程中的刀具震颤幅频特性。为满足研究需求，测力仪必须具有高灵敏度，较宽的工作频带，能准确反映各种切削条件下切削力的动态和静态分量。
1 测力仪结构设计与标定
1.1 整体设计方案
1）性能要求：测力仪在性能方面包括动态性能、静态性能、稳定性，这些性能是对测力仪精确程度和可靠性评价的重要内容。与此同时，测力仪的静态性能和动态性能直接受测力仪静刚度的影响。为满足车削测力仪动态测量精度要求，要在尽量提高测力仪的固有频率，要求测力仪小型轻便，避免組合件过多、结构复杂现象；稳定性是评价测力仪对环境敏感程度的一项指标，设计时，要求测力仪接头密封、导线的屏蔽效果好，同时要做好防潮和隔热的措施，从而实现对测力仪噪音和零点漂移的控制；2）结构方案：通常结构设计方案包括三种，分别为可将传感器放入刀打内部用刀杆弹性变形夹紧传感器；组合式测力仪，即将刀杆分成两段，再用中心螺钉将传感器夹紧在中间；在装传感器的刀杆截面上、下抬加两个半圆环来夹紧传感器。提高测力仪的刚度，可以用弹性环预紧传感器的测力仪结构紧凑，设计中可以根据测力仪刚度高求优化弹性环各项参数。
1.2 压电石英传感器的设计
1）压电石英晶片切型的选择：压电石英晶体在机械效应转化方面包含五种不同的形式，其最终结果就是将机械应力转化为电效应，也就是改变拉力测量的厚度伸缩型、长度伸缩型；实现剪切力测的两种而剪切型转换和一种厚度剪切型转换。根据设计要求，正确选择石英晶体的几何切型是电传感器设计的首要问题，要结合厚度和转换效率进行选择。2）压电石英单元晶组的构成：将几个不同的晶片连接起来，可能会出现信号引出和统一零电位的问题，为了解决该问题，一般可采取的措施是将检测某一方向外力的两个相同切型晶片组合在一起，将两个晶片产生同向电荷的面与一个电极片的上下面贴合，由两面之间的电极片引出电信号，组合后的晶组称为单元晶组。单元晶组使传感器构造简单，而且两个晶片并联传感器的灵敏度也可提高一倍。3）压电石英晶组的组合和结构化：确定组装结构后，需按照工艺规程将鼎组结构化，结构化后的晶组应按传感器所要求的主要技术性能指标，进行一次检验性的测试，合格后在电极引出端接上引线。
1.3 弹性环的设计
1）弹性环的设计要求：车削测力仪采的弹性结构预紧传感器是由两个半圆环组成的，借助弹性结构的圆环，将切削力传递到传感器上。由于传感器与两个半圆环是出于并联的状态的，两者的受力之和就是切削力，传感器受力的大小是由切削力与弹性圆环刚度的比值决定的，因此测力仪弾性环刚度至关重要。测力仪弹性环应满足以下约束条件：保证测力仪的线性度和；三向刚度相近，使得测力仪三向灵敏度相近，减小相间干扰；对传感器预紧时，弹性环的拉应力最大值小于弹性环材料许用应力。2）弹性环结构参数的确定：弹性环结构参数包括五种，分别是弹性环悬深长度、弹性环的宽度、弹性环中两半圆环的中心距离、弹性圆环的平均半径、弹性环的厚度。要尽量减小传感器中心与刀尖的距离，即弹性环悬深长度取决于刀具连接模块的刚度要求，且越小越好；为了保证传感器受力均匀，并满足测力仪的装夹要求，弹性环的宽度和半圆环的中心距—般与测力仪的裝夹刀柄尺寸一致；弹性环在拉力作用下的最大应力必须小于其屈服强度，避免弹性环产生不可恢复的变形。
1.4 传感器的安装与调整
1）传感器的预紧：对传感器进行预紧处理的主要目的是为了清除接触表面之间的空隙，使测力仪的刚度得到提升，保持传感器处于预载的状态，进而确保线性度和灵敏度满足使用要求。测量拉压力的压电晶组，其预加载荷应大于最大拉力负载，以防止失效和损坏。承受剪切力的压晶组，只有足够的正压力后才能靠磨擦传递切向载荷。2）传感器的安装位置调整：如果传感器的几何中心与应力分布对称中心不一致，那么应力会通过与传感器的接触面以拉压应力的形式作用在传感器上，就产生了相应的横向干扰。传感器横向干扰对安装位置误差非常敏感，因此可根掘测力仪静态标定实验结架反复调整傳感器的安裝位置，直至测力仪各向误差均满足设计要求（图1）。
2 切削信号失真问题的有限元分析
2.1 测力仪热变形分析有限元模型的建立
在进行切削工作环节，测力仪的温度和时间具有一定的联系性。某一时间点的测力仪节点温度是未知的，因此要借助顺态分析的方式，确定各时间点测力仪的温度场，然后将获得的不同时间点的温度场作为热载荷施加到结构分析模块中，求出测力仪在个时间点的热变形。测力仪热结构耦合有限元仿真流程主要包括建模、瞬态热分析和结构耦合分析三个部分。导入并修正三维实体模型后，选择分析单元，并定义瞬态热分析和结构分析所需的材料参数，设定网格尺寸并划分网格，选择分析类型、定义初始条件、定义热战荷和热约束等。
2.2 有限元分析结果
经过分析发现，切削区的温度越高，温度场的温度差距越大，温度的传递速度就会变慢，出现这种现象的主要原因就是温度较高使得测力仪表面的热对流现象增强，减缓了温度场的扩散；在切削过程中，压电传感器宽度方向的热变形与弹性槽热变形相比可以忽略不计，这就导致传感器与弹性槽的配合变松，而且其变化值可近似看作与测力仪弹性长槽宽度方向的变形量成正比。
结语
随着科技手段的不断提高，改进压电切削测力仪性能是制造高精度切削测力仪的一个主要方向。本文对测力仪结构设计与标定中的整体设计方案、压电石英传感器的设计、弹性环的设计以及传感器的安装与调整进行了研究，并且对切削信号失真问题进行了研究，相信通过不断的研究，可以为提高可换刀具电车削测力仪的技术水平。
参考文献
[1] 程冰尧.可换刀具压电车削测力仪的研制[D].大连理工大学，2013.
[关键词]压电；测力仪；可换刀具
中图分类号：TH654 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）32-0000-01
引言
切削工艺与切削力之间存在着紧密的联系，加强对切削力的研究，并在研究中结合测力仪展开分析，对车削工艺的改进具有重要作用。刀具和工件的接触面积增大，切削力静态分量也随之增大，因此可用切削力静态分量检测刀具磨损；而切削力动态分量反映刀具磨损过程中的刀具震颤幅频特性。为满足研究需求，测力仪必须具有高灵敏度，较宽的工作频带，能准确反映各种切削条件下切削力的动态和静态分量。
1 测力仪结构设计与标定
1.1 整体设计方案
1）性能要求：测力仪在性能方面包括动态性能、静态性能、稳定性，这些性能是对测力仪精确程度和可靠性评价的重要内容。与此同时，测力仪的静态性能和动态性能直接受测力仪静刚度的影响。为满足车削测力仪动态测量精度要求，要在尽量提高测力仪的固有频率，要求测力仪小型轻便，避免組合件过多、结构复杂现象；稳定性是评价测力仪对环境敏感程度的一项指标，设计时，要求测力仪接头密封、导线的屏蔽效果好，同时要做好防潮和隔热的措施，从而实现对测力仪噪音和零点漂移的控制；2）结构方案：通常结构设计方案包括三种，分别为可将传感器放入刀打内部用刀杆弹性变形夹紧传感器；组合式测力仪，即将刀杆分成两段，再用中心螺钉将传感器夹紧在中间；在装传感器的刀杆截面上、下抬加两个半圆环来夹紧传感器。提高测力仪的刚度，可以用弹性环预紧传感器的测力仪结构紧凑，设计中可以根据测力仪刚度高求优化弹性环各项参数。
1.2 压电石英传感器的设计
1）压电石英晶片切型的选择：压电石英晶体在机械效应转化方面包含五种不同的形式，其最终结果就是将机械应力转化为电效应，也就是改变拉力测量的厚度伸缩型、长度伸缩型；实现剪切力测的两种而剪切型转换和一种厚度剪切型转换。根据设计要求，正确选择石英晶体的几何切型是电传感器设计的首要问题，要结合厚度和转换效率进行选择。2）压电石英单元晶组的构成：将几个不同的晶片连接起来，可能会出现信号引出和统一零电位的问题，为了解决该问题，一般可采取的措施是将检测某一方向外力的两个相同切型晶片组合在一起，将两个晶片产生同向电荷的面与一个电极片的上下面贴合，由两面之间的电极片引出电信号，组合后的晶组称为单元晶组。单元晶组使传感器构造简单，而且两个晶片并联传感器的灵敏度也可提高一倍。3）压电石英晶组的组合和结构化：确定组装结构后，需按照工艺规程将鼎组结构化，结构化后的晶组应按传感器所要求的主要技术性能指标，进行一次检验性的测试，合格后在电极引出端接上引线。
1.3 弹性环的设计
1）弹性环的设计要求：车削测力仪采的弹性结构预紧传感器是由两个半圆环组成的，借助弹性结构的圆环，将切削力传递到传感器上。由于传感器与两个半圆环是出于并联的状态的，两者的受力之和就是切削力，传感器受力的大小是由切削力与弹性圆环刚度的比值决定的，因此测力仪弾性环刚度至关重要。测力仪弹性环应满足以下约束条件：保证测力仪的线性度和；三向刚度相近，使得测力仪三向灵敏度相近，减小相间干扰；对传感器预紧时，弹性环的拉应力最大值小于弹性环材料许用应力。2）弹性环结构参数的确定：弹性环结构参数包括五种，分别是弹性环悬深长度、弹性环的宽度、弹性环中两半圆环的中心距离、弹性圆环的平均半径、弹性环的厚度。要尽量减小传感器中心与刀尖的距离，即弹性环悬深长度取决于刀具连接模块的刚度要求，且越小越好；为了保证传感器受力均匀，并满足测力仪的装夹要求，弹性环的宽度和半圆环的中心距—般与测力仪的裝夹刀柄尺寸一致；弹性环在拉力作用下的最大应力必须小于其屈服强度，避免弹性环产生不可恢复的变形。
1.4 传感器的安装与调整
1）传感器的预紧：对传感器进行预紧处理的主要目的是为了清除接触表面之间的空隙，使测力仪的刚度得到提升，保持传感器处于预载的状态，进而确保线性度和灵敏度满足使用要求。测量拉压力的压电晶组，其预加载荷应大于最大拉力负载，以防止失效和损坏。承受剪切力的压晶组，只有足够的正压力后才能靠磨擦传递切向载荷。2）传感器的安装位置调整：如果传感器的几何中心与应力分布对称中心不一致，那么应力会通过与传感器的接触面以拉压应力的形式作用在传感器上，就产生了相应的横向干扰。传感器横向干扰对安装位置误差非常敏感，因此可根掘测力仪静态标定实验结架反复调整傳感器的安裝位置，直至测力仪各向误差均满足设计要求（图1）。
2 切削信号失真问题的有限元分析
2.1 测力仪热变形分析有限元模型的建立
在进行切削工作环节，测力仪的温度和时间具有一定的联系性。某一时间点的测力仪节点温度是未知的，因此要借助顺态分析的方式，确定各时间点测力仪的温度场，然后将获得的不同时间点的温度场作为热载荷施加到结构分析模块中，求出测力仪在个时间点的热变形。测力仪热结构耦合有限元仿真流程主要包括建模、瞬态热分析和结构耦合分析三个部分。导入并修正三维实体模型后，选择分析单元，并定义瞬态热分析和结构分析所需的材料参数，设定网格尺寸并划分网格，选择分析类型、定义初始条件、定义热战荷和热约束等。
2.2 有限元分析结果
经过分析发现，切削区的温度越高，温度场的温度差距越大，温度的传递速度就会变慢，出现这种现象的主要原因就是温度较高使得测力仪表面的热对流现象增强，减缓了温度场的扩散；在切削过程中，压电传感器宽度方向的热变形与弹性槽热变形相比可以忽略不计，这就导致传感器与弹性槽的配合变松，而且其变化值可近似看作与测力仪弹性长槽宽度方向的变形量成正比。
结语
随着科技手段的不断提高，改进压电切削测力仪性能是制造高精度切削测力仪的一个主要方向。本文对测力仪结构设计与标定中的整体设计方案、压电石英传感器的设计、弹性环的设计以及传感器的安装与调整进行了研究，并且对切削信号失真问题进行了研究，相信通过不断的研究，可以为提高可换刀具电车削测力仪的技术水平。
参考文献
[1] 程冰尧.可换刀具压电车削测力仪的研制[D].大连理工大学，2013.