同时测量三向车削力的装置

本发明涉及一种用于测量切削力的装置，特别涉及一种用于同时测量车刀在车削材料时 的三向车削力的装置。

切削力是切削过程中产生的重要物理现象之一，切削力的大小与工件材料和切削因素有 关。它直接影响工艺系统的变形、切削温度、刀具磨损及功率消耗。因此，如何能精确测量 切削力(特别是同时精确测量三向切削力)，成为人们关注的课题。

本发明的发明人经深入且广泛的研究，研制成一种测量车削力的装置。该装置特出的优 点在于，能用于同时测量三向(X、Y和Z轴方向)切削力，且能够保证各自测量的“独立 性”，从而实现精确测量。

本发明所述同时测量三向(X、Y和Z轴方向)车削力的装置，其主要由顶层压板，顶层 平面钢球保持架，第一层轨道板，第二层轨道板，第三层轨道板，单排钢球保持架，外框架， 底架及若干钢球组成；

其中，所述顶层压板为一矩形金属板，在所述矩形金属板上设有若干个用于固定本发明 所述装置及测试样品(如车刀等)的圆孔；

所述顶层平面钢球保持架为一块至少在四个角带有同方向及折角为90°的折边的金属板， 在该金属板上设有若干圆孔，所述圆孔包括：用于固定本发明所述装置的圆孔、用于固定测 试样品(如车刀等)的圆孔和保持本发明所用钢球的圆孔；

所述第一层轨道板为具有一定厚度(对其厚度无特别要求，只要能安装测试样品和保持 足够的刚度即可)的矩形金属板，在该矩形金属板设有若干个用于固定本发明所述装置的圆 孔，在该矩形金属板的一面设有若干个用于固定测试样品(如车刀等)的圆孔、而在其另一 面至少设有两条平行凹槽，在该矩形金属板的侧面设有测试样品(如车刀等)安装孔、且该 安装孔与所述用于固定测试样品(如车刀等)的圆孔连通；

所述第二层轨道板为一矩形金属板，在所述矩形金属板上设有若干个用于固定本发明所 述装置的圆孔，在该矩形金属板的一面至少设有两条平行凹槽、而在其另一面也至少设有两 条平行凹槽、且垂直(空间)于前述两条平行凹槽；

所述第三层轨道板为一矩形金属板，在所述矩形金属板上设有若干个用于固定本发明所 述装置的圆孔，在该矩形金属板的一面至少设有两条平行凹槽；

所述外框架为一矩形金属框架，在所述矩形金属框架的一面设有若干个用于固定本发明 所述装置的圆孔及一个凸缘，该凸缘上设有若干个用于安装传感器的圆孔，在所述矩形金属 框架的一个侧面设有固定装置及用于安装传感器的凹槽，在所述矩形金属框架的另一个侧面 也设有用于安装传感器的凹槽，且所述的两个凹槽互为垂直(平面)关系，在带有凸缘的侧 面还设有固定测试样品(如车刀等)的凹槽；

所述底架是：一边带有折角为90°的折边的矩形金属板，在所述矩形金属板的非折边边、 且与所述外框架的凸缘相匹配处设有一个凸缘，在该凸缘上设有用于安装传感器的圆孔，在 所述矩形金属板的折边上设有用于固定的装置，在所述矩形金属板的面上设有若干个用于固 定的圆孔；

采用固定件、通过设置在所述第三层轨道板及外框架上的用于固定的圆孔，将第三层轨 道板与外框架固定连接，并使第三层轨道板上的平行凹槽呈向上状，得连接件A；

采用固定件、通过设置在连接件A中外框架侧面上的固定装置和设置在上述底架的折边 上固定装置，使连接件A与所述底架固定连接，得连接件B；

在所得连接件B中，依次放入若干单排钢球保持架及钢球、第二层轨道板、若干单排钢 球保持架及钢球、第一层轨道板、顶层平面钢球保持架及若干钢球和顶层压板，采用固定件 通过设置在各部件(如第三层轨道板、第二层轨道板、第一层轨道板、顶层平面钢球保持架 和顶层压板)上的圆孔，将其固定在连接件B中第三层轨道板上，得本发明所述的装置；

其中：第一层轨道板和第二层轨道板置于外框架中，且第一层轨道板和第二层轨道板与 外框架间存有间距。

图1为一种本发明所述同时测量三向车削力装置的示意图；

图2为一种本发明所述装置中顶层压板的示意图；

图3为一种本发明所述装置中顶层平面钢球保持架的示意图；

图4为一种本发明所述装置中第一层轨道板的示意图；

图5为一种本发明所述装置中第二层轨道板的示意图；

图6为一种本发明所述装置中第三层轨道板的示意图；

图7为一种本发明所述装置中外框架的示意图；

图8为一种本发明所述装置中底架的示意图；

图9为一种本发明所述装置的装配示意图；

其中：

1‑所述装置固定螺钉(共5个)；2‑测试样品固定螺钉(共5个)；3‑顶层压板， 3a‑固定本发明所述装置的圆孔，3b‑固定测试样品(如车刀等)的圆孔；

4‑顶层钢球平面保持架，4a‑固定本发明所述装置的圆孔，4b‑固定测试样品(如车刀等) 的圆孔，4c‑保持本发明所用钢球的圆孔；

5‑第一层轨道板，5a‑固定本发明所述装置的圆孔，5b‑固定测试样品(如车刀等)的圆孔， 5d‑测试样品(如车刀等)安装孔，5e‑凹槽；

6‑测试样品(如车刀)；7‑单排钢球保持架(共4条)；

8‑第二轨道板，8a‑固定本发明所述装置的圆孔，8d‑凹槽，8d‑凹槽；

9‑固定件(如销子等，共2个)；10‑传感器(X，Y，Z方向各一个)；11‑传感器安装螺 钉；12‑传感器固定板安装螺钉；13‑传感器固定板；

14‑第三层轨道板，14a‑固定本发明所述装置的圆孔，14a1‑固定第三层轨道板于外框架的 圆孔，14d‑凹槽；

15‑外框架，15e‑固定装置，15f‑凸缘，15g‑用于安装传感器的凹槽(外框架的侧面上) 15h‑弹簧安装孔，15i‑固定测试样品(如车刀等)的凹槽；

16‑底架，16g‑用于安装传感器的凹槽(凸缘上)，16f‑凸缘，16j‑固定装置，16k‑将本发 明所述装置与机床固定的圆孔；

17‑固定第三层轨道板于外框架的螺钉。

在本发明一个优选的技术方案中，在所述第一层轨道板的厚度大于或等于40mm(更优 选的厚度为40mm～45mm)，在所述的第一层轨道板上设置两条平行凹槽，且一条为矩形凹 槽、一条为“V”形凹槽。

在本发明另一个优选的技术方案中，在所述第二层轨道板上，每一面(共二面)所设置 的平行凹槽数均为二，更优选的技术方案是：在其中一面上设置两条“V”形的平行凹槽， 而在另一面上设置一条为矩形、另一条为“V”形的两条平行凹槽，且两组平行凹槽互为空 间垂直。

在本发明又一个优选的技术方案中，在所述第三层轨道板上设置两条平行凹槽，且两条 均为“V”形凹槽。

在本发明又一个优选的技术方案中，在所述外框架的侧面上，相对于安(装)有传感器 凹槽侧面的侧面上设有弹簧安装孔，且所述弹簧安装孔的轴心与安装传感器凹槽的轴心间距 离小于或等于15毫米。

在本发明又一个优选的技术方案中，第一层轨道板和第二层轨道板与外框架间存有0.5 mm～1.0mm间距。

本发明所述装置的工作原理阐述如下：

1、Z向力的测量原理

Z方向力：垂直向下作用在车刀上，车刀固定在外框架上，外框架通过销轴与底架组成 活动连接，Z方向力传感器一端与外框架相连，另一端支承在底架上，因此，作用在车刀上 的Z方向力可传递到传感器上。如Z方向力大小为FZ、Z方向力到销轴中心的水平距离为SFZ、 力传感器中心到销轴中心的水平距离为STZ，则传感器所得的Z方向力大小FTZ与FZ的关系 为：

$F_Z=F_{\mathrm{TZ}}\×\frac{S_{\mathrm{TZ}}}{S_{\mathrm{FZ}}}$

外框架与底架之间带可以采用垂直方向的导轨式连接，同样可测量出Z向力。

2、X和Y方向力的测量原理：

X和Y方向力均为水平方向的切削力，X向力沿轴向(车床导轨方向)，Y向力为径向， 相对而言，X和Y向力小于Z向力。

主要由顶层压板，顶层平面钢球保持架，第一层轨道板，第二层轨道板，第三层轨道板， 单排钢球保持架，外框架，底架及若干钢球组成的装置，第三层轨道板与外框架固联，并与 第二层轨道板通过一对Y方向的滚动导轨相联，使第二层轨道板相对第三层轨道板只能沿Y 方向自由滑动；第二层轨道板与第一层轨道板通过另一对X方向的滚动导轨相联，使第一层 轨道板相对第二层轨道板只能沿X方向自由滑动；第一层轨道板和第二层轨道板与外框架四 周之间均设计有1毫米的间隙，因此，第一层轨道板相对于外框架可沿X、Y两个方向作±1 毫米的移动。

顶层压板与第三层轨道板之间通过(5个)连接螺栓连接，从而限制了第一层轨道板和第 二层轨道板在Z方向的运动；而顶层压板与第一层轨道板之间通过平面钢球保持接触和压紧， 使第一层轨道板相对于顶层压板可沿任意方向运动。将(5个)连接螺栓拧紧后，则在保持 第一层轨道板相对外框架可沿X、Y方向自由移动的前提下，限制了其Z方向的相对运动。 从而可实现X、Y方向切削力的测量。

X、Y向的两个传感器都“顶”在第一层轨道板上，通过传感器对面的弹簧施加预紧力以保 证刀架滑板始终紧压在传感器上，由于传感器的刚度远远大于弹簧的刚度，所以弹簧不会影 响传感器的测量精度。由于滚动导轨的作用，刀具所受到的X、Y方向的作用力FX、FY分别 等值作用在两个传感器上而不会相互影响，从而保证了测量精度。

下面结合说明书附图，对本发明做进一步阐述，其目的仅在于更好理解本发明的内容。 一切参照本发明设计原理的衍生品，均应视为落入本发明的保护范围。

本发明所述一种同时测量三向(X、Y和Z方向)切削力的装置，其主要由顶层压板，顶 层平面钢球保持架，第一层轨道板，第二层轨道板，第三层轨道板，单排钢球保持架，外框 架，底架及若干钢球组成(图9)；

其中，所述顶层压板3为一矩形金属板，在所述矩形金属板上设有若干个用于固定本发 明所述装置的圆孔3a及测试样品(如车刀等)的圆孔3b(图2)；

所述顶层平面钢球保持架4为一块至少在四个角带有同方向及折角为90°的折边的金属 板，在该金属板上设有若干圆孔，所述圆孔包括：用于固定本发明所述装置的圆孔4a、用于 固定测试样品(如车刀等)的圆孔4b和保持本发明所用钢球的圆孔4c(图3)；

所述第一层轨道板5为厚度为40mm～45mm的矩形金属板，在该矩形金属板设有若干 个用于固定本发明所述装置的圆孔5a，在该矩形金属板的一面设有若干个用于固定测试样品 (如车刀等)的圆孔5b、而在其另一面设有两条平行凹槽5e，在该矩形金属板的侧面设有测 试样品(如车刀等)安装孔5d、且该安装孔5e与所述用于固定测试样品(如车刀等)的圆 孔5b连通(图4)；

所述第二层轨道板8为一矩形金属板，在所述矩形金属板上设有若干个用于固定本发明 所述装置的圆孔8a，在该矩形金属板的一面设有两条平行凹槽8d、而在其另一面也设有两条 平行凹槽8d、且垂直(空间)于前述两条平行凹槽8d(图5)；

所述第三层轨道板14为一矩形金属板，在所述矩形金属板上设有若干个用于固定本发明 所述装置的圆孔14a和用于固定第三层轨道板于外框架的圆孔14a1，在该矩形金属板的一面 设有两条平行凹槽14d(图6)；

所述外框架为一矩形金属框架，在所述矩形金属框架的一面设有若干个用于固定本发明 所述装置的圆孔(图7中未标出)及一个凸缘15f，该凸缘15f上设有若干个用于安装传感器 的凹槽(图7中未标出)，在所述矩形金属框架的一个侧面设有固定装置15e及用于安装传感 器的凹槽15g，在所述矩形金属框架的另一个侧面也设有用于安装传感器的凹槽15g，且所述 的两个凹槽互为垂直(平面)关系，

在所述外框架15的侧面上，相对于安(装)有传感器凹槽15g侧面的侧面上设有弹簧安 装孔15h，且所述弹簧安装孔15h的轴心与安装传感器凹槽15g的轴心间距离小于或等于15 毫米。此外，在带有凸缘15f的侧面还设有固定测试样品(如车刀等)的凹槽15i(图7)；

参见图8，所述底架16是：一边带有折角为90°折边的矩形金属板，在所述矩形金属板的 非折边边、且与所述外框架的凸缘15f相匹配处设有一个凸缘16f，在该凸缘16f上设有用于 安装传感器的凹槽16g，在所述矩形金属板的折边上设有用于固定的装置16j，在所述矩形金 属板的面上设有若干个用于固定的圆孔16k(将本发明所述装置与机床固定的圆孔)；

采用螺钉17、通过设置在所述第三层轨道板14上的圆孔14a1及外框架15上的用于固定 的圆孔(图中未标出)，将第三层轨道板14与外框架15固定连接，并使第三层轨道板14上 的平行凹槽14d呈向上状，得连接件A；

采用固定件9、通过设置在连接件A中外框架15侧面上的固定装置15e和设置在上述底 架16的折边上固定装置16j，使连接件A与所述底架16固定连接，得连接件B；

在所得连接件B中，依次放入2条单排钢球保持架7及钢球、第二层轨道板8、2条单排 钢球保持架7及钢球、第一层轨道板5、顶层平面钢球保持架4及若干钢球和顶层压板3，采 用固定件螺钉1，通过设置在各部件(如第三层轨道板14、第二层轨道板8、第一层轨道板5、 顶层平面钢球保持架4和顶层压板3)上的圆孔(3a，4a，5a，8a和14a)，将其固定在连接 件B中第三层轨道板14上，得本发明所述的装置；

其中：第一层轨道板5和第二层轨道板8置于外框架15中，且第一层轨道板5和第二层 轨道板8与外框架15间存有0.5毫米至1.0毫米的间距。

在进行切削力测试时，采用传感器安装螺钉11将传感器10分别安装在凹槽15g、凹槽 15g(在凸缘15f上，图7中未标出)和凹槽16g上，各传感器的外围再用传感器固定板13 进行固定(采用传感器固定板安装螺钉12)；

采用测试样品固定螺钉2，通过圆孔3b、4b和5b将测试样品(如车刀)6固定在第一层 轨道板5的测试样品安装孔5d中。将安装有测车刀6和传感器10的装置通过圆孔16k固定 于机床上，连通测试系统，在X、Y和Z轴方向上同时以校准载荷测试本发明所述装置，测 试结果见表1。

表1

由表1可知，本发明提供的同时测量三向(X、Y和Z轴方向)车削力的装置能较好保 证各自测量的“独立性”，具有较佳的精确度。