本發(fā)明涉及機(jī)械加工制造領(lǐng)域，尤其涉及一種車削加工刀具的螺栓緊固設(shè)備。

背景技術(shù)：

車削加工在制造領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用，車削加工刀具對工件進(jìn)行加工，首先必須對刀具進(jìn)行緊固。為了方便裝卸以及更換刀具，現(xiàn)有的刀具緊固多采用螺栓緊固方式。為了保證安全可靠地進(jìn)行加工，在裝卡刀具時需要對刀具進(jìn)行緊固，其中關(guān)鍵的就是要對刀具施加預(yù)緊力。

如專利CN201520969702.0公開了一種機(jī)床刀具定位裝置，專利CN201210552545.4公開了一種刀具的微調(diào)機(jī)構(gòu)，類似的發(fā)明主要是設(shè)計用于刀具裝卡固定的裝置，然而，刀具緊固操作時預(yù)緊力的施加還是憑借操作者的經(jīng)驗進(jìn)行，對“緊固”程度沒有明確界定。

上述公開文獻(xiàn)存在以下問題：首先，由于經(jīng)驗上存在差別，操作者對“緊固”程度的認(rèn)知和掌控能力不同，對同樣的刀具而言，不同的操作者所施加的預(yù)緊力將存在一定的差異；其次，憑經(jīng)驗進(jìn)行的操作難易實現(xiàn)精確的控制，預(yù)緊力過低難以滿足緊固的要求，預(yù)緊力過大，將對刀具和機(jī)床造成一定的載荷疲勞；而且整個過程不夠直觀，難以進(jìn)行可視化操作。

另外，在加工過程中，刀具的緊固與工件之間存在必然的聯(lián)系，同時工件也會對刀具產(chǎn)生一定的作用力，該作用力同樣影響刀具的結(jié)構(gòu)性能和動態(tài)性能，而刀具的結(jié)構(gòu)性能和動態(tài)性能又進(jìn)一步影響工件的加工質(zhì)量。因此，在刀具的緊固時應(yīng)兩者進(jìn)行綜合考慮，而現(xiàn)有技術(shù)通常是憑經(jīng)驗對刀具進(jìn)行孤立加載，沒有綜合考慮加工過程中刀具的動態(tài)性能以及與工件之間的作用，無法實現(xiàn)刀具預(yù)緊力的有效控制，難以保證刀具的動態(tài)性能。

如專利CN201110286541.1公開了一種測試刀柄—結(jié)合部特征參數(shù)的實驗裝置，其操作過程中螺栓的預(yù)應(yīng)力大小雖然可通過動態(tài)應(yīng)變儀和計算機(jī)進(jìn)行顯示，實現(xiàn)預(yù)應(yīng)力的可視化調(diào)整，但是其施加的預(yù)應(yīng)力大小無法綜合考慮工件負(fù)載以及具體加工工況的影響，屬于孤立的加載，難以使刀具的動態(tài)性能處于最佳狀態(tài)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是實現(xiàn)一種車削加工刀具的螺栓緊固設(shè)備，以實現(xiàn)刀具緊固時預(yù)緊力的精確控制，同時使刀具的動態(tài)性能處于最佳狀態(tài)，且整個操作過程直觀化、可視化。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種車削加工刀具的螺栓緊固設(shè)備，刀具通過緊固螺栓固定在固定基座上，所述緊固螺栓的端面開有盲孔，所述盲孔內(nèi)埋設(shè)有測試元件，所述測試元件輸出測試信號至測試分析系統(tǒng)。

設(shè)備配套有刀具性能分析系統(tǒng)，所述刀具性能分析系統(tǒng)包括刀具庫模塊、有限元仿真模塊、動力學(xué)仿真模塊和求解模塊，所述刀具庫模塊輸出刀具參數(shù)信號至有限元仿真模塊和動力學(xué)仿真模塊，所述有限元仿真模塊輸出應(yīng)力分布云圖信號至求解模塊，所述動力學(xué)仿真模塊輸出振動位移曲線信號至求解模塊，所述求解模塊輸出并顯示刀具預(yù)緊力大小值。

所述測試分析系統(tǒng)為用于信號比較的計算機(jī)，所述測試分析系統(tǒng)預(yù)設(shè)有緊固螺栓的輸出信號與預(yù)緊力載荷之間的關(guān)系曲線或關(guān)系表格。

所述的測試元件為應(yīng)變片或壓電片。

基于所述車削加工刀具的螺栓緊固設(shè)備的螺栓緊固方法，其特征在于：

步驟1、通過刀具性能分析系統(tǒng)獲取使刀具的動態(tài)性能最優(yōu)的預(yù)緊力值；

步驟2、根據(jù)步驟1中的預(yù)緊力值給緊固螺栓施加預(yù)緊力，將刀具固定在固定基座上；

步驟3、測試分析系統(tǒng)實時獲取緊固螺栓的所施加的預(yù)緊力大小。

所述步驟1中使刀具的動態(tài)性能最優(yōu)的預(yù)緊力值獲取方法如下：

1)確定加工過程中刀具所受的切削力載荷，在刀具庫模塊中調(diào)取刀具的型號，獲取其結(jié)構(gòu)性能參數(shù)；

2)在有限元仿真模塊中建立刀具的有限元模型，定義有限元模型的參數(shù)和約束，并根據(jù)1)中切削力載荷，獲得不同預(yù)緊力下刀具的應(yīng)力分布云圖；

3)在動力學(xué)仿真模塊中建立刀具的虛擬樣機(jī)動態(tài)仿真模型，定義虛擬樣機(jī)動態(tài)仿真模型的參數(shù)和約束，并根據(jù)1)中切削力載荷，獲得不同預(yù)緊力下刀具的振動位移曲線；

4)求解模塊根據(jù)2)中應(yīng)力分布云圖和3)中振動位移曲線獲得刀具的應(yīng)變能E_p和振動能E_kw；

5)求解模塊獲得刀具的運動能E_kv和動能E_k；

6)確定刀具的應(yīng)變能E_p和動能E_k之和為刀具的總能量E，以刀具的總能量E最小為動態(tài)性能目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)，確定使刀具的動態(tài)性能最優(yōu)的預(yù)緊力大??；

所述5)中動能E_k為振動能E_kw和運動能E_kv之和，運動能E_kv為刀具整體結(jié)構(gòu)的運動能其中，m為刀具的質(zhì)量，v為刀具在加工工況下的運動速度。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果和優(yōu)點：

本發(fā)明刀具螺栓緊固時施加的預(yù)緊力大小是考慮工件屬性和加工工況，基于刀具動態(tài)性能最優(yōu)確定的，為刀具螺栓緊固時預(yù)緊力的確定提供了明確的量化指標(biāo)，避免了憑借操作者經(jīng)驗所帶來的不足，減少了對操作者經(jīng)驗的依賴性；同時考慮加工過程中刀具與工件之間的相互作用和聯(lián)系，更符合實際情況，避免了對刀具的孤立加載帶來的不足；同時考慮了加工過程中刀具所承受的切削力載荷，基于動態(tài)性能最優(yōu)指標(biāo)確定刀具預(yù)緊力的大小，能夠優(yōu)化刀具的結(jié)構(gòu)性能和動態(tài)性能，使刀具的動態(tài)性能處于最佳狀態(tài)，能夠提高工件的加工質(zhì)量；

在施加預(yù)緊力的過程中，測試分析系統(tǒng)能夠?qū)崟r顯示所施加的預(yù)緊力大小，實現(xiàn)刀具螺栓緊固預(yù)緊力的精確控制，整個施加過程比較直觀、可視化；

本發(fā)明的刀具性能分析系統(tǒng)具有刀具庫模塊，能夠?qū)Σ煌吞柕牡毒哌M(jìn)行性能分析，整個性能分析過程基于模塊化實現(xiàn)，避免了復(fù)雜的計算過程，有利于設(shè)備的集成化設(shè)計和分析。

附圖說明

下面對本發(fā)明說明書中每幅附圖表達(dá)的內(nèi)容及圖中的標(biāo)記作簡要說明：

圖1為車削加工刀具的螺栓緊固設(shè)備框圖；

圖2為圖1中緊固螺栓的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為車削加工刀具的螺栓緊固方法流程圖；

上述圖中的標(biāo)記均為：1、刀具；2、刀具性能分析系統(tǒng)；21、刀具庫模塊；22、有限元仿真模塊；23、動力學(xué)仿真模塊；24、求解模塊；3、測試分析系統(tǒng)；4、緊固螺栓；41、盲孔；42、測試元件；5、固定基座。

具體實施方式

如圖1所示，車削加工刀具的螺栓緊固設(shè)備中，車削加工刀具包括刀具1、緊固螺栓4、固定基座5，刀具1通過緊固螺栓4固定在固定基座5上，圖2所示，緊固螺栓4的端面開有盲孔41，盲孔41內(nèi)部埋入測試元件42，其中測試元件42可以采用壓電片，對信號變化具有較強(qiáng)的敏感性，可將極其微弱的變化轉(zhuǎn)換成壓電信號進(jìn)行輸出，測試精度高，能夠?qū)崿F(xiàn)對變量的精確控制，具有明顯的優(yōu)勢。

設(shè)備還包括刀具性能分析系統(tǒng)2和測試分析系統(tǒng)3，刀具性能分析系統(tǒng)2為一臺用于分析模擬的計算機(jī)，刀具性能分析系統(tǒng)2包括刀具庫模塊21、有限元仿真模塊22(可采用ANSYS有限元仿真模塊)、動力學(xué)仿真模塊23(可以采用ADAMS動力學(xué)仿真模塊)和求解模塊24，有限元仿真模塊22、動力學(xué)仿真模塊23和求解模塊24的信號處理關(guān)系在下面的緊固方法中詳細(xì)說明。

測試分析系統(tǒng)3為用于參數(shù)比較的計算機(jī)，其預(yù)設(shè)緊固螺栓4的輸出信號與預(yù)緊力載荷之間的關(guān)系曲線或表格，測試分析系統(tǒng)3具有信號輸入端，緊固螺栓4的輸出信號通過信號傳輸線傳輸給測試分析系統(tǒng)3信號輸入端，測試分析系統(tǒng)3將獲得的緊固螺栓4輸出信號與預(yù)設(shè)關(guān)系曲線或表格比較，判斷當(dāng)前預(yù)緊力是否合格。

基于上述硬件設(shè)備，車削加工刀具的螺栓緊固方法如圖3所示，包括以下步驟：

步驟1、通過刀具性能分析系統(tǒng)獲取使刀具的動態(tài)性能最優(yōu)的預(yù)緊力值；

步驟2、將刀具1裝入固定基座5內(nèi)部，緊固螺栓4與刀具1的上表面接觸，根據(jù)步驟6得到的預(yù)緊力大小給緊固螺栓4施加預(yù)緊力

步驟3、施加過程中緊固螺栓4的輸出信號傳遞給測試分析系統(tǒng)3，測試分析系統(tǒng)3實時顯示所施加的預(yù)緊力大小，完成緊固螺栓4預(yù)緊力的施加。

其中步驟1的預(yù)緊力值獲取方法如下：

1)根據(jù)工件的材料屬性和加工工況，選取刀具1的型號，確定加工過程中刀具1所受的切削力載荷，在刀具庫模塊21中調(diào)取相對應(yīng)的刀具1的型號，獲取其結(jié)構(gòu)性能參數(shù)；

2)根據(jù)1)確定的刀具1的結(jié)構(gòu)性能參數(shù)，在刀具性能分析系統(tǒng)2的有限元仿真模塊22中建立刀具1的有限元模型，定義有限元模型的參數(shù)和約束，施加1)中確定的切削力載荷，并在螺栓緊固位置施加不同的預(yù)緊力，仿真得到不同預(yù)緊力下刀具1的應(yīng)力分布云圖；

3)根據(jù)1)中確定的刀具1的結(jié)構(gòu)性能參數(shù)，在刀具性能分析系統(tǒng)2的動力學(xué)仿真模塊23中建立刀具1的虛擬樣機(jī)動態(tài)仿真模型，定義虛擬樣機(jī)動態(tài)仿真模型的參數(shù)和約束，施加1)中確定的切削力載荷，并在螺栓緊固位置施加不同的預(yù)緊力，根據(jù)加工工況下刀具的運動，施加運動仿真參數(shù)，仿真得到不同預(yù)緊力下刀具1的振動位移曲線；

4)將2)中不同預(yù)緊力下刀具1的應(yīng)力分布云圖導(dǎo)入求解模塊24，得到不同預(yù)緊力下刀具1的應(yīng)變能E_p；將3)中不同預(yù)緊力下刀具1的振動位移曲線，導(dǎo)入求解模塊24，得到不同預(yù)緊力下刀具1切屑端的振動能E_kw以及整體結(jié)構(gòu)的運動能E_kv，刀具1整體結(jié)構(gòu)的運動能E_kv，通過以下方式計算：

其中，m為刀具1的質(zhì)量，可通過刀具庫模塊21獲得；v為加工工況下刀具1的運動速度。

刀具1的動能E_k為刀具1切屑端的振動能E_kw和整體結(jié)構(gòu)的運動能E_kv之和。

5)確定刀具1的應(yīng)變能E_p和動能E_k之和為刀具1的總能量E，以刀具1的總能量E最小為動態(tài)性能目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)，確定使刀具1的動態(tài)性能最優(yōu)的預(yù)緊力大小。

上面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行了示例性描述，顯然本發(fā)明具體實現(xiàn)并不受上述方式的限制，只要采用了本發(fā)明的方法構(gòu)思和技術(shù)方案進(jìn)行的各種非實質(zhì)性的改進(jìn)，或未經(jīng)改進(jìn)將本發(fā)明的構(gòu)思和技術(shù)方案直接應(yīng)用于其它場合的，均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。