含能材料切削过程高精度检测系统设计.pdf

2024年 第1期（总217期）CFHI检查与测量一重技术1.沈阳理工大学硕士研究生，辽宁沈阳 110159；2.沈阳理工大学教授，辽宁沈阳 11015910.3969/j.issn.1673-3355.2024.01.17含能材料切削过程高精度检测系统设计李俊娴1，张辽远2摘要：为保证含能材料在切削加工中的安全和加工精度，必须准确控制切削力及切削温度。设计一种切削力和切削温度的高精度实时测量方法。该方法成本低、实时性高、实用性强，提高测试准确性，保证安全切削。关键词：含能材料；安全切削；切削力；切削温度中图分类号：TQ560文献标识码：B文章编号：1673-3355（2024）01-0017-04Design of High Precision Detection System for Cutting Process of Energetic MaterialsLi Junxian,Zhang LiaoyuanAbstract:In order ensure safety and machining accuracy of energetic materials in the cutting process,cutting force andcutting temperature must be accurately controlled.A high-precision real-time measurement method of cutting force andcutting temperature is designed in this study.This method has the advantages of low cost,good real-time performance andhigh practicability,it can improve test accuracy and ensure safe cutting.Key words:Energetic material;safe cutting;cutting force;cutting temperature切削热是由工件与刀具相互挤压变形及摩擦产生的。切削温度过高会导致刀具磨损，影响刀具寿命，同时也影响工件的表面质量。切削热在线测量技术可以在加工中实时监控切削热的变化，及时发现温度过高现象。因此，切削热在线测量技术在切削热检测中发挥着重要作用。1切削温度高精度检测技术切削温度测量方法主要包括自然热电偶法、人工热电偶法、半人工热电偶法和光热辐射法等1。其中，热电偶法最成熟，但因接触式测量使热电偶安装受限和信号引出困难2。自然热电偶法主要测量切削区域的平均温度，不能测量指定点的温度；人工热电偶法和半人工热电偶法可测量指定点温度3，但通常需要在刀具上打孔埋设热电偶，由于打孔困难，改变刀具温度场，而且因空气和金属导热性差异巨大导致较大的热滞后。另外，热电偶法需要改造主轴结构将热电偶的输出信号引出处理，随着机床主轴转速越来越高，信号引出越来越难以实现。光热辐射法等可以非接触测温，不存在信号引出问题，但环境适应性差，技术不成熟，成本高，尚难以实现切削温度实时在线测量。鉴于高转速切削温度缺乏在线实时测量手段和设备的现状，本文以热电偶为感温元件，研制一种切削温度实时测量传感器，以实现高转速下刀具切削温度在线实时测量，该方法成本低、实时性高、实用性强4。笔者根据前期研究基础，为满足立车削切削热和切削温度测量研究与监控的实际需求，提出传感器特性指标：温度量程 0800、测量精确度0.5%、分辨力1、数据采样率40 000 SPS、截止频率1.0 kHz、响应时间0.5 s。1.1热电偶的安装在紧邻切削刃后刀面上被测点处使用电容焊机将热电偶裸线对与刀具熔焊为一体，热电偶对接点54CFHI2024年 第1期（总217期）检查与测量CFHI TECHNOLOGY本身成为被测点（见图 1），实现单点温度测量，不会影响刀具温度分布；热电偶对接点与刀具被测点成为一体，不存在滞后问题；另外，由于切削温度最高区域在刀刃附近而不是在刀刃处，测温点位置越靠近刀刃，检测刀具切削温度场越准确。本文选用K型热电偶，线芯直径0.5 mm，测温精确度0.5%，时间常数 0.5 s，测温范围 50800。1.2热电偶传感器标定标定热电偶传感器用笔者自制的数据采集系统。将热电偶信号采集区置于水中，通过水温升温再降温测试其线性度与灵敏度。1.3切削温度检测与监控解剖分析含能材料需要不同的切削技术，碳纤维材料和金属材料用铣削切削，而火药用车削。火药属于易燃物品，监控切削温度尤为重要。（1）车削温度检测将带有热电偶的车刀安装在刀架上，热电偶一端与动态信号分析仪连接，通过适配器将切削温度电信号传到动态信号分析仪转换成数字信号传到计算机，最后显示为温度变化曲线（见图2）。（2）铣削温度检测由于车削刀具只做水平运动，热电偶也做水平运动，所以只需保证热电偶一端与信号分析仪连接导线长度就可以保证监测安全；而铣削运动中，由于铣刀随主轴转动，直接在铣刀上安装热电偶会造成导线缠绕，存在安全隐患，而在刀柄上安装导电环固定在机床上，导电环中心轴随刀柄旋转，热电偶安装在铣刀内，热电偶另一端引出两条导线与导电环旋转轴相连，经适配器连接到动态信号分析仪上，切削时热电偶产生的温度信号通过导电环固定端传给动态信号分析仪转化为数字信号后传给计算机显示温度变化曲线。（3）温度检测反馈控制在加工过程中，当温度达到一定值时必须停止，待温度降到某一值后再重新加工。对此在软件中设置阈值，当采集数据达到阈值时，记录并传输给远程操控系统，加工停止，当温度值降低到阈值的50%时开始继续加工，保证切削温度始终在安全范围内。2切削力高精度检测技术含能材料的环切解剖中需要测量车削力，为此笔者设计切削力测量系统，保证测量系统的效率和精度是本文试验的重要任务。2.1力传感器测量系统车刀刀柄刚度高，车削中的切削力约 100 N，车削中刀具受力难以用普通方法测量。笔者提出压力传感器车削力检测系统的设计方案，该方案将车刀变为柔性系统，使变形满足测量要求，传感器精度高，安装方便，并通过试验分析该系统的可行性。本文试验方案中，车刀刀柄连接件材料为9系铝，压力传感器型号KCLBF，测量范围50 kg，左、右两端钻安装螺纹孔。沿着车刀刀头30 mm处将其切断，分别安装在刀柄连接件的两端（见图3）。由于传感器变形大，所以用钢材制作。通过粘贴应变片测量切削力，可以避免系统发生过大变形导致测量不准确或者损坏传感器，缺点是变形过低无法确定系统是否可以明显观测到切削力的变化（见图4）。本文在车刀细刀柄处粘贴应变片，通过应变片变形输出电压信号测量切削力（见图5）。笔者在上表面中性轴（相对于水平向弯曲）上贴2个应变片组成半桥。切刀高度为h，宽度为图1热电偶安装图装有热电偶的车刀适配器动态信号分析仪图2车削温度检测流程图计算机1连接件；2连接件；3力传感器图3力传感器测量设计图4一体式切削力检测车刀552024年 第1期（总217期）CFHI检查与测量一重技术b，2个应变片与集中力端的垂直距离为11 mm和12 mm。2个应变片在水平面中性轴上的水平弯曲应变为0，因为轴向夹角相同，扭转切应变相同，轴向应变相同，温度应变可相互补偿，因此只需考虑纵向弯曲应变5-6。组成半桥后应变仪的输出应变为：输出=1-2=M2y2EIz-M1y1EIz=()M2-M1h2EIZ=Fz()l2-l1h2EIZ（1）式中：Iz刀具的纵向惯性矩bh3/l2，故主切削力Fz为：FZ=EIZ输出()l1-l2h2=Ebh26()l2-l1（2）本测量系统主要由车削系统、应变式测力仪、数据采集器、PC机、NC组成（见图6）。工作时，车刀切削工件的车削力通过测力仪转变为电信号，经过放大器放大和数据采集器A/D转化将数据传输到计算机显示、存储及后处理7。本测量系统应变式力传感器分为固定部分、弹变部分和装刀部分，三部分为一整体，弹性部分包括内、外侧若干电阻应变片。电阻应变片由敏件、基底和引线组成。敏感元件为高阻金属丝，电阻应变片贴在弹性体上，电阻值随弹性体应变而变化8。本系统采用数据采集器，利用计算机后处理。由于计算机能存储大量数据，可以直观显示结果，方便实时监控，提高检测准确性。2.2车削测力仪的动态标定对力传感器标定，采用动态测量系统采集处理传感器信号。在此基础上，在拉力传感器上方放置重物，通过加载与卸载测试传感器的线性度与灵敏度（见图7，表1）。可以看出，该传感器线性度较好，灵敏度及回程精度高。据此标定结果，该传感器输出数据的修正系数K=10。2.3铣削力测量与检测铣削力测量过程：在待测刀柄上以90应变花粘贴薄膜电阻应变片；刀柄安装导电环，应变片与导电环内环连接；导电环外环引线与动态信号分析系统连接，将变形转换为数字信号，测量实时切削力。2.4切削力监控系统切削力监控分为铣削力监控及车削力监控，监控系统由测量传输 0、1信号的串联电路组成。系统实时采集切削力数值，通过手动调整切削参数实时控制切削力。为避免储存测量信号不能及时传至控制系统导致无法实时监控切削力的隐患，笔者采取单接信号线至控制系统的监控方式（见图8）。为保证环切后工件表面的加工精度，需要将切削力控制在规定值以下，达到规定值后刀具发生相应变形。图5主切削力测量应变片粘贴方式工件车刀测力仪计算机打印机数据采集器图6车削力测量系统图7拉力传感器标定数据折线图载荷质量（g）0209.0372.3483.4646.6加载采集数据（kg）-0.040.210.370.480.63卸载采集数据（kg）-0.040.210.360.480.63表1拉力传感器标定数据表56CFHI2024年 第1期（总217期）检查与测量CFHI TECHNOLOGY本文控制系统为串联电路，电源供电电路两端分别与机床及本系统的限位开关连接，开关行程可调，将控制模块串联到电路中，信号线与电源连接。正常状态下，当刀具到达极限位置时电路断开，当刀具与预设限位开关接触时电路连通，控制模块接收通断信号。信号发生改变，机床控制模块发出指令控制机床的停止与开动。3结语（1）本文研制的切削力和切削温度高精度实时监控检测系统采用热电偶为感温元件及切削温度实时测量传感器，实现高转速刀具切削温度的在线实时测量，成本低、实时性高、实用性强。（2）本文车削力测量系统采用压力传感器将车刀变为柔性系统，使其变形满足测量要求，精度高，安装方便。参考文献 1 黄连宝,袁名伟.数控机床切削过程中的动态特性测量方法J.机床与液压,2022,50(19):56-60.2 吴万欣,葛海江,田军委.切削温度测试系统研究J.电子世界,2021,(06):77-78.3 张桂霞.金属切削温度测量方法研究J.内燃机与配件,2017(14):43.4 谢菲,武文革,杨阳,马帅.基于嵌入式应变薄膜传感器的三维切削力测量系统设计及数据采集研究J.工具技术,2023,57(06):127-133.5 Piotr Cichosz,Pawe Karolczak,Kamil Waszczuk.Review ofCutting Temperature Measurement MethodsJ.Materials,2023,16(19).6 Chen Jinguo,Zheng Minli,Li Yong,Li Xi Bing,Guo Huazhong,GuoRuizhou,Li Wenfang,Lin Jinlan.Research on cutting temperaturedistribution of carbide cutter rake face considering sticking-welding layerJ.Ferroelectrics,2023,614(1).7 Sharma Aditya,Thapa Sashank,Goel Bhaskar,Kumar Raj,SinghTej.Structural analysis and optimization of machine structure forthemeasurementofcuttingforceforwoodJ.AlexandriaEngineering Journal,2023,64.8 Hussain Ghulam,Alkahtani Mohammed,Alsultan Marwan,BuhlJohannes,KumarGuptaMunish.Chipformation,cuttingtemperature and forces measurements in hard turning of Gcr15undertheinfluenceofPcBNchamferingparametersJ.Measurement,2022,204.收稿日期：2023-10-25图8控制系统简图拆下寻边器，换铣刀，手轮操作移动刀具端面与对刀块（块规）接触，设置螺栓上平面为工件坐标系Z轴零点，完成Z轴对刀。经过试验，确认加工机对刀正常，工件坐标系原点设置成功，可继续进行加工程序运行试验。4.4铣削加工试验更换铣刀，利用试件光孔对刀，调用铣削宏程序，运动轨迹模拟检查程序无误，进行铣削加工试验6。加工机三轴联动螺旋式下刀，刀具沿孔壁螺旋循环插补，插补一周沿Z负向走一个螺距量，每次径向吃刀量0.2 mm，铣削完成后使用吸尘器收集废屑。整个铣削过程运行平稳，加工质量良好，效率高。5结语基于三坐标加工技术的压力容器修复装置是以国内压水堆核电机组反应堆压力容器密封结构特征尺寸和空间布局为要素，采用三坐标加工方案，通过模块化设计满足结构紧凑性和安装便捷性，还可修改支撑定位架平台，以及增配刀具等扩展应用于其它工况。参考文献 1 周万云，许洪朋，刘东杰，杨景超.反应堆压力容器主螺栓孔修复方案探讨J.检验与修复，2015,32（2）：75-80 2 艾兴，肖诗纲.切削用量手册M.北京：机械工业出版社，1985 3 实用铣工计算手册编写组.实用铣工计算手册M.北京：机械工业出版社，2013 4 徐衡.跟我学FANUC数控系统手工编程M.北京：化学工业出版社，2013 5 杜正春，杨建国，冯其波.数控机床几何误差测量研究现状及趋势J.航空制造技术，2017（6）：34-44 6 邓自清，郝新成.应用宏程序编程对圆柱孔螺旋铣削加工的分析研究J.农机使用与维修，2015（7）：29-31收稿日期：2023-10-12（上接第61页）57