高欣浩，张华波，刘偲雯，邹纫秋
（北京航天长征飞行器研究所， 北京 100076）
摘要： 铣削力传感器对机床加工过程中的各类切削力信号进行监测分析，可实时监测机床加工状态。作为传感器核心部件之一，所设计弹性体结构合理解决了同时需求较高的灵敏度和较强的刚度之间的矛盾。通过ANSYS Workbench 平台对铣削力传感器的弹性体结构进行有限元应力仿真分析，从理论上验证了所设计的弹性体结构具有足够的刚度和良好的线性度。
关键词：弹性体、ANSYS、仿真分析
1 概述
在实际生产过程中大约20%的机床停工时间是由刀具的过度磨损引起的，由于刀具磨损和更换引起的费用大约占整个生产成本的3%-12%[1]，因此机床刀具加工监控及寿命预测对工业生产具有重要意义。铣削力传感器整体结构直接承受铣削力的作用，在较大的铣削力作用下只允许测力传感器的弹性元件产生较小的变形，以保证加工质量[2]。本文所设计的弹性体结构合理解决了同时需求较高的灵敏度和较强的刚度之间的矛盾。
但是众所周知，传感器的刚度和灵敏度之间是一对矛盾，也就是说，要想获得较高的灵敏度就必须牺牲一部的刚度，反之亦然[3]。那么如何设计整个传感器的弹性体结构，使这对矛盾得到合理解决，是整个问题最关键的一环。运用有限元仿真可以更精确地对弹性体结构的性能进行预测和分析，本文采用ANSYS Workbench 平台对铣削力传感器的弹性体结构进行了应力仿真分析，结果表明所设计的弹性体结构具有足够的刚度和良好的线性度。
2 弹性体结构简介
在铣削力传感器的整体结构中，弹性体结构起着承上启下的作用。它不但作为过渡部分联结着前端结构和尾部装夹刀具的弹簧卡头，保证了上下部分的联结性和整体结构的刚度；而且还是整体传感器结构的核心组件，承载着力敏芯片的封装和后处理电路的设置等重任[4]。基于以上种种作用和要求，设计出圆筒与支撑盘型结构，其中弹性体结构的前半部分为圆筒，实现与前端结构的配合连接；后半部分支撑圆盘用来集成传感器后处理电路和信号收发电路；而尾部则设计为螺纹结构与ER系列的弹簧卡头相匹配，用来装夹不同类型的刀具。
3 弹性体结构应力仿真分析
在建模过程中，需要定义模型的材料性质，本文采用Q235普通碳素钢。利用ANSYS Workbench软件对弹性体结构进行静力分析，施加应力后重点查看弹性体结构上的应力分布状态，以及弹性体结构的应力放大情况[5]。
3.1轴向拉压仿真分析
建立铣削力传感器的弹性体结构的模型之后，通过ANSYS Workbench软件对其进行模拟仿真分析，首先进行施加轴向拉力F
Z时的静力结构分析。为了更加详尽的观察弹性体结构的仿真效果，对包含弹性元件的弹性体结构进行详细仿真分析。首先，进行模型网格划分，如图1所示：
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图1 弹性体结构网格划分示意图
根据通用加工实际情况，铣削力传感器的轴向力测量范围为0~10kN。那么，在0~10kN的轴向力范围内，以间隔为1kN均匀选取10个力值进行仿真。根据轴向拉压理论应力公式，可以算出在0~10kN轴向力范围内，弹性体结构上的理论正应力值。根据仿真效果，仿真值为第三个值。弹性体结构上理论应力值与弹性体结构上仿真应力值的比较如表1所示：
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从表1可以看出，通过仿真应力值和理论应力值的比较，发现以所设计弹性体结构，不但具有应力放大的效应，而且所测应力值呈现良好的线性关系，如图2所示：
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图2 理论应力值与仿真应力值对比图
选择弹性体结构作为传感器的弹性元件，不但可以将粘贴芯片处的应力值提高1.3倍，而且仿真结果具有良好的线性度。应力放大可以提高弹性元件的灵敏度，而良好的线性度则保证了输入值与输出值之间保持理想的比例关系。
3.2轴向扭转仿真分析
接下来对弹性体结构在施加轴向扭矩的情况下进行仿真分析，建模以及模型网格划分情况和图2所示一致。根据通用加工实际情况，铣削力传感器的轴向扭矩测量范围为-100~100Nm。在-100~0Nm和0~100Nm两个范围内扭矩的大小相等，只是方向相反，因此只需研究0~100Nm范围内扭矩即可得到规律。那么，在0~100Nm的轴向力范围内，以间隔为10Nm均匀选取10个力矩值进行仿真。根据轴向扭转理论应力公式，可以算出在0~100Nm轴向扭矩范围内，弹性体结构的理论切应力值。根据仿真效果，仿真应力值为1/3最大值与2/3第二个值之和。理论应力值与仿真应力值的比较如表2所示：
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通过仿真应力值和理论应力值的比较，可以发现以弹性体结构作为传感器的弹性元件，在轴向扭转的情况下依然具有应力放大的效果，而且所测应力值呈现良好的线性关系，如图3所示：
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图3 理论切应力值与仿真切应力值对比图
在轴向扭矩作用下，以弹性体结构作为传感器结构的弹性元件，不但可以将薄壁圆筒处的应力值提高2.4倍，相当于灵敏度提高了2.4倍，而且仿真结果具有良好的线性度。
4 结语
通过ANSYS Workbench 平台对铣削力传感器的弹性体结构进行了应力仿真分析，结果表明所设计的弹性体结构具有足够的刚度和良好的线性度。所设计的弹性体结构合理解决了同时需求较高的灵敏度和较强的刚度之间的矛盾，能够对各类切削力信号进行监测分析，可实时监测机床加工状态。之后将根据分析结果进行弹性体结构的实体加工，并寻找合适设备，开展弹性体结构在线测试工作。
参考文献
[1] 张伯霖，杨庆东，陈长年等．高速切削技术及应用[M]．北京：机械工业出版社，2002．
[2] 冯平法，吴志军，郁顶文等．HSK刀柄临界使用转速计算模型[J]．清华大学学报（自然科学版），2008，48：1294-1297．
[3] 李兵，何正嘉，陈雪峰．Ansys Workbench设计、仿真与优化[M]．西安：清华大学出版社，2011．
[4] 浦广益． ANSYS Workbench 12 基础教程与实例详解[M]．北京：中国水利水电出版社，2010．
[5] 高耀东，郭喜平． ANSYS机械工程应用25例[M]．北京：电子工业出版社，2007．