专利名称：一种有效简便测量刀柄动态抗弯特性的实验装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种有效简便测量刀柄动态抗弯特性的实验装置及方法，可以准确获得刀柄在不同转速和负载下的径向变形量，属于机械设计、制造、测试领域。
背景技术：
高转速时刀柄的抗弯特性测试，主要通过定制特定的工件和三向测力仪的配合使用来完成，具体为:将工件安装在三向测力仪上，根据不同的切削参数加工工件，三向测力仪可以监控加工过程中刀具的切削抗力，即为刀柄的负载，通过激光测振仪检测刀柄的负载变形量，即可得到刀柄的抗弯特性。这种方法虽然能得到刀柄在某些特定条件下获得刀柄的抗弯特性，但是由于测试过程中的安全问题和冷却液的干扰，激光测振仪无法有效工作，影响到刀柄负载变形量的获取。另外，这种测试方法无法提前设置负载值，只能根据加工过程中随即获得的切削抗力来评估刀柄的抗弯特性，而且测试设备昂贵，这些因素使得对刀柄抗弯特性的研究受到制约。
发明内容
本发明的目的在于，针对利用加工工件及三向测力仪来评价刀柄抗弯特性的方法的不足，提供一种有效简便的测量高转速时刀柄抗弯特性的实验装置及方法，通过设计制造新的实验装置来优化测试过程。根据达朗伯原理设定L形刀杆的尺寸规格，对刀柄负载进行预控制。本发明能够有效、简便的研究刀柄的抗弯特性。本发明是采用以下技术手段实现的:一种有效简便测量刀柄动态抗弯特性的实验装置，包括机床1，主轴2，拉杆3，拉钉4，刀柄5，L形刀杆6，激光测振仪7 ;主轴2与刀柄5的一端连接，L形刀杆6安装在刀柄5的另一端，机床I带动主轴2旋转，主轴2通过刀柄5带动L形刀杆6旋转；通过改变L形刀杆6，改变刀柄负载；激光测振仪7将激光打在刀柄5上并保证激光束垂直于刀柄5的轴线，用于检测刀柄5的位移振动信号，激光测振仪7与计算机连接，通过计算机里的LMS模态测试系统得到特定刀柄负载下刀柄负载的变形量。刀柄5与主轴2通过拉杆3以及拉钉4连接在一起。改变L形刀杆6指改变L形刀杆6的规格、或者质量、或者同时改变规格和质量。改变刀柄负载还可以通过改变刀柄5的转速得到。一种有效简便测量刀柄动态抗弯特性的方法，具体如下:机床I通过主轴2、刀柄5带动L形刀杆6转动，改变L形刀杆6的规格、或者质量、或者刀柄5的转速，或者它们之间的任意组合，从而改变刀柄负载，然后在特定刀柄负载下，激光测振仪7将激光打在刀柄5上并保证激光束垂直于刀柄5的轴线，检测刀柄5的位移振动信号，激光测振仪7与计算机连接，通过计算机里的LMS模态测试系统得到特定刀柄负载下刀柄负载的变形量，以刀柄负载为横坐标，刀柄的负载变形量为纵坐标即可绘制刀柄的抗弯特性图，得到刀柄的抗弯特性。
刀柄负载Fh计算公式如下:Fh = mco2 (l/2+r)其中，m是L形刀杆6的质量，ω为刀柄5转动的角速度，r是L形刀杆的横向刀杆的半径，I是从L形刀杆的横向刀杆的端面到距离纵向刀杆近端面的距离。 有益.效果本发明不需要加工特定的工件，也不需要测力仪器，降低了成本，简化了试验过程，保证了测试的安全。同时，在需要研究特定负载的刀柄变形量时，可以根据刀柄负载计算公式预调整L形刀杆的尺寸规格，故此试验装置可以简便有效地测量刀柄的动态抗弯特性。
图1为本发明的连接示意图；图2为L形刀杆示意图；图3为刀柄-L形刀杆力学示意图；图4为本发明原理示意图；图中:1为机床，2为主轴，3为拉杆，4为拉钉，5为刀柄，6为L形刀杆，7为激光测振仪。
具体实施例方式下面结合说明书附图1-附图4对本发明作进一步说明:本实施例的基本原理是去除掉工件和测力仪，并根据实际情况设定相应规格的L形刀杆，通过离心力的变化达到改变刀柄负载的目的，从而简单有效地得到刀柄在高速状态下的抗弯特性。此实验装置包含图1中的机床1，主轴2，拉杆3，拉钉4，刀柄5，L形刀杆6，激光测振仪7。L形刀杆6装夹在刀柄5上，刀柄5与拉钉4相连，并通过拉杆3与主轴2联接在一起，激光测振仪7与电脑相连。刀柄的抗弯特性决定了加工过程中刀柄在切削抗力作用下的切削稳定性，对加工效果有决定性的影响，因此在某种型号的刀柄设计出准备投入市场前，需要对刀柄的抗弯特性进行对比研究，分析新型刀柄相对于其他旧型刀柄在抗弯特性上的优势。抗弯特性研究过程中的刀柄变形量测试一般是在刀柄上选取一个截面，该截面距离主轴端面为某一预设距离，对刀柄加载不同载荷转动时，检测该截面处的位移振动信号，即为刀柄的负载变形量。本发明设计一种L性刀杆，代替普通刀具安装在刀柄上，在刀柄静止时，利用激光测振仪将激光束垂直于刀柄轴线打在刀柄上距离主轴端面某一预设距离的点。当主轴带动刀柄以特定转速转动时，L形刀杆由于其非对称结构产生沿刀柄径向的离心力，形成对刀柄的加载，这种加载近似于切削过程中的切削抗力，并根据刀柄负载计算公式算出此时的负载值，刀柄在此负载的激励下产生负载变形，负载变形量将被激光测振仪传送到电脑中的LMS软件中，通过LMS软件即可读取刀柄负载变形量的具体值。将负载值与负载变形量结合并绘制成二维坐标图，即可获知刀柄的抗弯特性。刀柄负载与L形刀杆尺寸规格的关系可以根据达朗伯原理推算出来，将刀柄和L形刀杆做为研究对象，受力图如图3所示，列平衡方程Fh = Fik = m Ψ2 (l/2+r)(I)
m = P π r2l(2)ω = 2 π η(3)其中Fh表示刀柄受到L形刀杆的反作用力，即刀柄负载；FIK表示L形刀杆的惯性力，m表示L形刀杆长为I段的质量，P为密度，r为刀杆半径，ω为刀柄转动的角速度，η表示转速。将式(2) (3)代入式(I)可知Fh = mco2 (l/2+r) = 4 π 3 P n2r2l (1/2+r)(4)上式中π和ρ都是已知常量，r和I属于L形刀杆的外形尺寸，L形刀杆的尺寸标识如图2所示，η是刀柄转速。为了获得刀柄在特定转速η、不同的负载Fh时的抗弯特性，可以调整L形刀杆的材料即P、刀杆半径r或者L形刀杆纵向刀杆的长度1，在测试前即可计算出Fh，在激光测振测得刀柄的负载变形后，将负载值与负载变形量结合并绘制成二维坐标图，即可获知刀柄的抗弯特性，对负载值与负载变形量的拟合方法不作限定。最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此， 尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，如改变L形刀杆的形状测试其他类型的加载实验，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.一种有效简便测量刀柄动态抗弯特性的实验装置，包括机床1，主轴2，拉杆3，拉钉4，刀柄5，L形刀杆6，激光测振仪7 ;主轴2与刀柄5的一端连接，L形刀杆6安装在刀柄5的另一端，机床I带动主轴2旋转，主轴2通过刀柄5带动L形刀杆6旋转；激光测振仪7将激光打在刀柄5上并保证激光束垂直于刀柄5的轴线,用于检测刀柄5的位移振动信号，激光测振仪7与计算机连接，通过计算机里的LMS模态测试系统得到刀柄负载的变形量。
2.根据权利要求1所述的一种有效简便测量刀柄动态抗弯特性的实验装置，其特征在于:刀柄5与主轴2通过拉杆3以及拉钉4连接在一起。
3.一种基于权利要求1所述装置的有效简便测量刀柄动态抗弯特性的方法，其特征在于: 机床I通过主轴2、刀柄5带动L形刀杆6转动，改变L形刀杆6的规格、或者质量、或者刀柄5的转速，或者它们之间的任意组合，从而改变刀柄负载，然后在特定刀柄负载下，激光测振仪7将激光打在刀柄5上并保证激光束垂直于刀柄5的轴线，检测刀柄5的位移振动信号，激光测振仪7与计算机连接，通过计算机里的LMS模态测试系统得到特定刀柄负载下刀柄负载的变形量，以刀柄负载为横坐标，刀柄的负载变形量为纵坐标即可绘制刀柄的抗弯特性图，得到刀柄的抗弯特性。
4.根据权利要求3所述的一种有效简便测量刀柄动态抗弯特性的方法，其特征在于:所述的刀柄负载Fh计算公式如下:Fh = mco2(l/2+r) 其中，m是L形刀杆6纵向刀杆的质量，ω为刀柄5转动的角速度，r是L形刀杆的横向刀杆的半径，I是从L形刀杆的`横向刀杆的端面到距离纵向刀杆近端面的距离。
全文摘要
一种有效简便测量刀柄动态抗弯特性的实验装置及方法，包括机床，主轴，拉杆，拉钉，刀柄，L形刀杆，激光测振仪。主轴安装固定在机床上，刀柄与拉钉连接，拉杆拉紧拉钉，从而实现了刀柄和主轴的连接，L形刀杆安装在刀柄上，激光测振仪将激光打在刀柄上，检测刀柄的位移振动信号。激光测振仪与计算机连接，通过计算机里的LMS模态测试系统显示和导出数据。主轴带动刀柄高速旋转时，L形杆由于其非对称性结构产生离心力，形成对刀柄的力激励，引起刀柄的负载变形。通过激光测振仪可以检测到刀柄的振动信号，利用LMS软件读取和导出数据，即可得到刀柄的负载变形。为切削稳定性的预测以及刀柄的结构优化提供依据。
文档编号G01N3/20GK103105337SQ20131000132
公开日2013年5月15日 申请日期2013年1月5日 优先权日2013年1月5日
发明者赵永胜, 祁子军, 刘志峰, 程强, 蔡力钢 申请人:北京工业大学