高欣浩，张华波，刘偲雯，史利平
（北京航天长征飞行器研究所， 北京 100076）
摘要：设计了旋转式二分量铣削力测力刀柄，通过对铣削加工过程中铣刀所受的轴向力和轴向扭矩进行测量，达到实时监测刀具铣削状态的目的。对铣床为代表的刀具旋转类机床，进行铣削力模型理论分析。所设计的新型测力刀柄主要由前端结构、后端结构和保护盖三部分组合而成。不但能实现与现有的铣床、刀具相匹配，而且为力敏芯片的封装提供载体。
关键词：铣削力、轴向力和扭矩、测力刀柄
1 概述
对于以铣床为代表的刀具旋转类机床，为了测量其加工过程中铣削力的实时状态，本文采用旋转式二分量铣削力测力刀柄对其轴向力和主轴力矩进行直接测量。作为应变式传感器的两个最重要的性能指标，固有频率和测量灵敏度与传感器的弹性体结构直接相关[1]。测量灵敏度表征了单位被测应力所能引起的输出电压的大小。在环境一定的情况下，灵敏度越高被测信号输出便越灵敏，测量的信噪比也就越高[2]。根据实际铣削加工过程中监测铣削力的需求，旋转式二分量铣削力测力刀柄由前端结构、后端结构和保护盖三部分组成，分别实现与主轴端口、刀具接口处的配合联结以及对芯片和电路的保护。
2 铣削力模型理论分析
本文设计的旋转式二分量铣削力测力刀柄，是针对铣削加工过程中铣刀所受的轴向力F
Z和轴向扭矩M进行测量，是一个受压扭组合的变形构件[3]。由《材料力学》知识可知，当主轴受到轴向力F
Z作用时，所有横截面上所受的正应力都是均匀分布，且正应力为所有截面中应力最大值，可表示为：
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当主轴受到轴向转矩M作用时，圆轴上各点均无轴向和径向位移，即横截面保持为平面，间距不变。且主轴圆周的大小和形状保持不变，圆心的位移为零。横截面像刚性平面一样绕轴线做相对转动，扭转时横截面上无正应力，所对应的切应力表达式如下：
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图1 单元体应力状态图
其中，单元体E1只受主轴力矩产生的剪应力作用，处于纯剪应力状态，那么极限切应力为：
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3 测力刀柄总体结构设计
3.1 前端结构——主轴接口
在铣削加工过程中，主轴端部与刀柄顶部的联结至关重要，其联结必须满足以下三个方面的要求：（1）具有很高的联结刚度；（2）定位精度和重复定位精度很高；（3）加工运转时安全可靠[4]。近年出现了比传统的BT联结具有更优越的性能的HSK主轴/刀柄联结。其优越性主要表现在三方面：第一，HSK联结采用空心短圆锥柄结构，并以1/10的小锥度，实现锥面和端面的同时定位接触。第二，HSK联结为了提高高速性能，增大了锥面间的预过盈量；第三，HSK联结采取措施抑制了主轴膨胀，改善了联结处的整体性能[5]。
3.2 后端结构——芯片载体及刀具接口
在旋转式二分量铣削力测力刀柄的整体结构中，设计出圆筒与支撑盘型结构，其中后端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。在设计弹性体结构时，为了避免接触刚度的损失，提高测力刀柄的整体刚度，以适应铣削力较大的场合，后端结构如图2所示：
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图2 后端结构示意图
3.3 保护盖——保护芯片及电路
在铣削加工过程中，由于主轴和刀具系统的高速旋转，将会产生巨大的离心力，影响传感器芯片和处理电路的稳定性。因此本研究采用保护盖的形式来保护内部结构不受离心力和外界干扰的影响。
3.4 整体组装结构
本文所设计的旋转式二分量铣削力测力刀柄，由前端结构、后端结构和保护盖三部分组成。测力刀柄整体结构的前端可与HSK型主轴相连，后端可与ER型弹簧夹头相连，保证了传感器的广泛通用性和铣削加工的正常进行。测力刀柄总体结构内部集成力敏芯片和无线传感网络，可实现轴向力F
Z和轴向扭矩M的测量，以及信号的采集和传输等功能，达到实时监测铣削加工状态的目的。测力刀柄整体结构示意如图3所示：
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图 3 整体结构示意图
4 结语
针对旋转式二分量铣削力测力刀柄作为使用对象的铣削加工过程，进行了铣削力模型的理论分析。从前端结构、后端结构以及保护盖三部分介绍了新型铣削测力刀柄的整体结构设计，实现了分与主轴端口、刀具接口处的配合联结以及对芯片和电路的保护。采用铣薄平面的方式做出薄壁圆筒的结构，作为后端结构的弹性元件，较好地解决了传感器刚度和灵敏度之间的矛盾。之后将对弹性元件薄壁圆筒进一步分析，并进行测力刀柄结构的实体加工，开展在线测试工作。
参考文献
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[2] 郑建明，李言，李鹏阳等．基于切削力信号时域频域特征融合的刀具磨损监测[J]．机械与电子，2001，03：46-48．
[3] 胡雪梅，吕俊霞．微机电系统的发展现状和应用[J]．机电设备，2005，26(6)：41-44．
[4] 蔡怀崇，闵行．材料力学[M]．西安：西安交通大学出版社，2004．
[5] 张淳，王军，郭静涛等．高弹性椎体高速刀柄的性能研究[J]．制造技术与机床，2014(11)：141-145．