基于切削力感知的智能切削刀具設(shè)計(jì)及其關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、為了提高超精密切削加工的零件表面質(zhì)量，高效穩(wěn)定的獲得完整一致面形精度的大尺寸表面的零部件，切削刀具在加工過程中的實(shí)時(shí)狀態(tài)起著至關(guān)重要的作用。刀具所受切削力、切削溫度、刀具磨損等直接影響零件加工精度、表面質(zhì)量、刀具的壽命和加工效率，而刀具的磨損和破損甚至直接破壞加工工件表面完整性，因此，對刀具加工過程中的狀態(tài)監(jiān)測與控制就顯得非常必要。并且盡量減小刀具磨損，延長刀具的壽命，以進(jìn)一步突破刀具對超精密加工難加工材料和大尺寸表面的尺寸和行程限制，

2、因此，需要賦予切削刀具系統(tǒng)相應(yīng)的功能集成。本課題針對超精密加工對刀具實(shí)時(shí)監(jiān)測和加工能力的需求，提出了智能切削刀具系統(tǒng)概念，其基本思想是刀具系統(tǒng)執(zhí)行切削加工同時(shí)具有感知切削力的能力，以實(shí)時(shí)監(jiān)測刀具加工狀態(tài)，并且可根據(jù)加工的需要進(jìn)行振動(dòng)輔助切削加工，并通過超聲振動(dòng)加工提高切削質(zhì)量，延長刀具壽命，提高刀具對難加工材料的加工能力。
　　本文首先根據(jù)智能切削刀具系統(tǒng)的基本思想和設(shè)計(jì)原則，建立智能切削刀具系統(tǒng)等效物理模型，分析三向作用力下壓電

3、梁的應(yīng)力分布規(guī)律；建立感知單元的應(yīng)力分布大小與作用力的關(guān)系。根據(jù)壓電梁的彎曲振動(dòng)激勵(lì)方式，對梁的端面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)軌跡合成進(jìn)行分析，建立端面質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)軌跡方程，為智能切削刀具的感知和振動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)奠定理論基礎(chǔ)。
　　為了實(shí)現(xiàn)三向切削力的測量和解耦，提出了一種切削力感知式智能切削刀具構(gòu)型，通過集成刀桿中的微小三向切削力測量系統(tǒng)，融合微小三向切削力測量系統(tǒng)和刀具于一體，實(shí)現(xiàn)精密切削過程中微小三向切削力的自主實(shí)時(shí)監(jiān)測。通過建立智能切削刀具等

4、效壓電懸臂梁模型，建立了感知單元輸出電荷與三向切削力的耦合關(guān)系，通過感知單元組合實(shí)現(xiàn)三向切削力的解耦；詳細(xì)推導(dǎo)了各向切削力作用下，各感知單元的電荷分布情況，并建立了三向切削力與四個(gè)壓電傳感單元輸出電荷之間的映射關(guān)系，建立了三向切削力與感知單元輸出電荷的感知解耦方程。通過標(biāo)定測試對感知式智能切削刀具的感知解耦算法進(jìn)行修正，建立了修正后的解耦方程。
　　為了測試和評(píng)估設(shè)計(jì)研制出的切削力感知式智能切削刀具，首先基于LabVIEW程序搭建

5、集成三向切削力解耦算法的測試軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)切削力的實(shí)時(shí)測量。通過切削實(shí)驗(yàn)進(jìn)行靈敏度的靜態(tài)標(biāo)定，建立各向切削力與感知單元輸出電壓的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)三向切削力的精確感知解耦。分析結(jié)構(gòu)參數(shù)對靈敏度和剛度的影響規(guī)律，對智能切削刀具的總體綜合性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。最后通過對比切削實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了切削力感知式智能切削刀具解耦方法正確性和刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有效性。
　　為了進(jìn)一步提高切削力感知式智能切削刀具的剛度、靈敏度和實(shí)用性，提出一種改進(jìn)優(yōu)化的切削力感知式智能切削

6、刀具，通過改變了感知段橫截面的構(gòu)型和感知單元的安裝方式和可轉(zhuǎn)位刀具的設(shè)計(jì)顯著的提高了該智能切削刀具的實(shí)用性；建立了感知系統(tǒng)剛度和電荷靈敏度的分析模型，對感知段橫截面的構(gòu)型和感知單元的安裝方式進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)，分析了感知段橫截面的尺寸參數(shù)與剛度和靈敏度之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了主切削力最小0.1N的感知能力。
　　為了提高金剛石超精密切削加工能力，減小刀具磨損，延長刀具的使用壽命，提出并研制了一種超聲振動(dòng)感知式智能切削刀具。主要具有兩個(gè)方面

7、的功能：一是超聲振動(dòng)加工能力；二是實(shí)現(xiàn)振動(dòng)切削過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測。根據(jù)壓電梁的彎曲振動(dòng)激勵(lì)方法，采用兩向彎曲振動(dòng)模態(tài)實(shí)現(xiàn)超聲橢圓軌跡合成，并根據(jù)梁的端面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)規(guī)律和振動(dòng)感知原理，對超聲振動(dòng)感知式智能切削刀具進(jìn)行原理分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?；诔曊駝?dòng)感知式的智能切削刀具的振動(dòng)特性和輸出力系數(shù)分析，對刀具系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過對刀具的振動(dòng)特性和感知特性進(jìn)行測試，評(píng)價(jià)振動(dòng)刀具系統(tǒng)振動(dòng)頻率和振幅及其溫度特性，確定刀具的合理使用激勵(lì)參數(shù)和感知能力；并