9.1.2 Экспериментальные методы определения сил резания

 

Вопросу экспериментального определения сил резания исследователями традиционно уделялось большое внимание. Первые измерения сил резания были выполнены французом Ж. Кокилье в 1848 г. На первых порах для этого использовались упрощенные способы [30]:

1) метод уравновешивания;

2) метод торможения;

3) определение силы по расходуемой мощности;

4) метод пластической деформации образца.

Эти методы в основном позволяли определить одну из составляющих силы резания , были достаточно громоздки и не всегда позволяли получить необходимую точность измерений.

Поэтому появилась потребность в создании специальных приборов для измерения сил резания – динамометров. При этом за основу был взят метод упругой деформации, в котором за меру силы принимается величина вызванной ею упругой деформации соответствующего элемента (державки инструмента, специального упругого элемента и др. ).

В отличие от предыдущих, этот метод позволяет:

1)  не только определять среднее значение силы, но и фиксировать её мгновенные значения и изменения во времени;

2)  одновременно измерять несколько составляющих силы резания;

3)  выполнять измерительные устройства в виде компактных и удобных для обслуживания приборов – динамометров.

Перечисленные преимущества и ряд других достоинств (линейность нагрузочных характеристик приборов, широкие пределы изменения их чувствительности и др. ) сделали метод упругой деформации основным в современной практике измерения силы резани я и обусловили большое разнообразие созданных на его основе динамометров.

Динамометры принято подразделять:

1) по числу одновременно измеряемых составляющих силы резания: одно-, двух-, трех-, четырехкомпонентные;

2) по конструкции: пружинные, гидравлические, упругие;

3) по типу применяемых датчиков: механические, гидравлические, пневматические, оптические и электрические.

В пружинных динамометрах роль упругого рабочего элемента выполняет витая пружина, работающая на сжатие или растяжение и связанная с резцедержателем рычажной передачей. На рис. 9. 2 представлен такой токарный динамометр конструкции Т. И. Тихонова [30].

Рис. 9. 2. Пружинный динамометр Т. И. Тихонова: 1 – резец; 2 – зажимное устройство; 3 – рычаг; 4 – траверса; 5 – измерительная шкала; 6 – пружина

 

Главные недостатки пружинных динамометров: очень малая жесткость и, как следствие – большие рабочие перемещения, склонность к вибрациям.

В гидравлических динамометрах упругий рабочий элемент представляет собой изогнутую манометрическую трубку 3 (пружину Бурдона) (рис. 9. 3). В них под действием силы смещается призма 2, что приводит к вытеснению некоторого объема жидкости из полости месдозы (часть динамометра, основанная на использовании манометрических датчиков) в трубку 6 и манометрическую пружину 3. Пружина 3 разгибается и поворачивает указатель.

 

Рис. 9. 3. Принципиальное устройство однокомпонетного гидравлического динамометра: 1 – резец; 2 – призма; 3 – манометрическая трубка; 4 – измерительная шкала; 5 – нож; 6 – пружина

 

Основные недостатки гидравлических динамометров: большая инерционность, громоздкость, усложняющая их применение в многокомпонентных силоизмерительных устройствах и необходимость герметичности в соединениях (попадание воздуха в систему сразу выводит её из строя). Кроме того, они имеют относительно малую чувствительность. Точность измерения ими в зависимости от предельной нагрузки составляет 100÷ 200 Н. Такие динамометры применяют для измерений сил и крутящих моментов при скоростях резания, не превышающих 80 м/мин.

Наибольшее распространение получили упругие динамометры с механическими и электрическими датчиками, а особенно – последние.

Упруго-электрические динамометры компактны и малоинерционны. В качестве регистрирующих и запоминающих приборов могут быть использованы гальванометры, магнитно-электрические и электронные осциллографы, самописцы и ЭВМ.

При этом используются датчики: проволочные, индуктивные, пьезоэлектрические, индукционные, емкостные, магнитоупругие, угольные и др. Наибольшее распространение получили первые три из них.

Схема простейшего трехкомпонентного упругоэлектрического динамометра с датчиками омического сопротивления (проволочные, фольговые, полупроводниковые и др. ) представлена на рис. 9. 4.

a	б
Рис. 9. 4. Схемы трехкомпонентного упругоэлектрического динамометра типа «балка» – (а) и мостового включения датчиков – (б)

 

 

При этом размещение наклеиваемых датчиков и их включение в мостовые измерительные схемы должны быть таковы, чтобы обеспечить независимую регистрацию каждой из трех составляющих силы резания ,  и .

Большое распространение получил трехкомпонентный динамометр (рис. 9. 5).

В нем используются упругие трубчатые элементы с датчиками сопротивления (рис. 9. 6).

Датчики наклеивают на наружную поверхность трубки и включают в измерительную схему так, чтобы деформации, вызванные изгибом трубки, не влияли на результаты измерений.

Расположение опор и соответствующее включение датчиков обеспечивает независимость показаний измерительных приборов от точки приложения силы, а значит, и от вылета инструмента.

Среди динамометров с проволочными датчиками наибольшее распространение получил универсальный трехкомпонентный динамометр (УДМ) конструкции А. Д. Мухина (рис. 9. 7), принципиальная схема измерения с помощью которого представлена на рис. 9. 8. Она содержит динамометр с тензодатчиками, усилитель, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) и ЭВМ, которая регистрирует данные.

а	б
Рис. 9. 5. Трехкомпонентный динамометр с трубчатыми упругими элементами конструкции ВНИИ инструмента: а – схема расположения чувствительных элементов; б – мостовая измерительная схема включения датчиков

 

а	б
Рис. 9. 6. Трубчатый упругий чувствительный элемент (а) с датчиками сопротивления (б)

 

Рис. 9. 7. Общее устройство универсального динамометра А. Д. Мухина: 1 – корпус; 2 – крышка; 3 – измерительная платформа; 4 – гайка; 5 – сухарь; 6 – направляющая втулка; 7 – нижняя опора; 8 – верхняя опора; 9 – втулка; 10 – крышка; 11 – уплотнительное кольцо; 12 – панель; 13 – клемма; 14 – тензорезистор; 15 – шасси; 16 – крышка

 

Динамометр позволяет измерять составляющие силы резания при точении, нарезании резьбы резцом, фрезеровании и плоском шлифовании, осевую силу и крутящий момент при сверлении, развертывании, зенкеровании и нарезании резьбы метчиком или плашкой и др. В настоящее время выпускаются динамометры УДМ-100, УДМ-600 и УДМ-1200 с пределами измерения силы  = 1000 Н, 6000 Н и 12000 Н соответственно. Систематические погрешности измерения динамометра, которые возникают вследствие взаимного влияния составляющих силы резания и влияния точки приложения измеряемой силы, в конструкции динамометра сведены к минимуму и регламентированы техническими условиями на его изготовление. Динамометр УДМ обеспечивает одновременное измерение трех составляющих силы резания , ,  и крутящего момента пары сил  вокруг оси .

Для каждого вида обработки конструкция динамометра предусматривает установление дополнительных устройств, которые обеспечивают закрепление инструмента или заготовки. Так, при сверлении на динамометр устанавливается специальный круглый стол или зажимной патрон. Динамометр конструкции А. Д. Мухина (рис. 9. 7) состоит из корпуса 1 и измерительной платформы 3, которая выполнена в виде квадратной пластины с круглым базовым фланцем в верхней ее части. По базовому фланцу базируются сменные устройства, например, резцедержатель, столик, патрон, которые закрепляются на нем с помощью болтов.

а

б

Рис. 9. 8. Принципиальная схема измерения сил резания УДМ (а) и пример графиков зарегистрированных сил резания при точении (б)

 

 

Пространство корпуса, в котором размещена измерительная платформа 3, закрыто крышкой 2. Механизм динамометра защищается от попадания пыли, стружки и СОТС резиновым уплотнительным кольцом 11, которое закрывает зазор между корпусом и круглым фланцем.

Измерительная платформа установлена на шестнадцати упругих элементах специальной конструкции, размещенных по четыре элемента на каждый угол квадратной платформы. Четыре упругих элемента, продольные оси которых параллельны OX, воспринимают действие осевой составляющей силы резания . Четыре упругих элемента, оси которых параллельны оси OY, воспринимают действие радиальной составляющей силы резания  и восемь упругих элементов, оси которых параллельны оси OZ, воспринимают действие главной составляющей силы резания .

Крутящий момент относительно вертикальной оси OZ, например, момент сверления, воспринимается восьмью упругими элементами, которые размещены в горизонтальной плоскости XOY. Конструкция упругого элемента состоит из тонкостенной втулки 9 и двух опор – нижней 7 и верхней 8, которые образуют два упругих шарнира.

Упругие элементы имеют большую жесткость в направлении их продольной оси и малую жесткость в поперечном направлении (соотношение жесткости соответственно составляет 100: 1). С учетом этого упругие элементы воспринимают действие нагрузки лишь в направлении продольной оси опоры. Вертикально и горизонтально расположенные упругие элементы отличаются характеристиками силовой нагрузки, на которую они рассчитаны. Упругие элементы установлены в направляющих втулках 6. Каждый упругий элемент динамометра предварительно нагружается силой, которая примерно на 10 % превышает половину допустимой нагрузки, составляющей около 60 % от максимальной. Благодаря этому устраняются все зазоры и контактные деформации в соединениях динамометра. Предварительная нагрузка регулируется гайками 4, которые фиксируются сухарями 5 и закрываются крышками 16.

На втулках упругих элементов вдоль образующей наклеены датчики сопротивления – тензорезисторы 14 с базой 10 мм и номинальным сопротивлением 100 Ом. На вертикально расположенных упругих элементах наклеено по одному датчику. Эти датчики входят в схему измерения составляющей силы резания  или осевой силы . На горизонтально расположенные упругие элементы наклеено по два датчика, первые из которых соединены в схему измерения составляющих силы резания Р_у и Р_х, а вторые – в схему измерения крутящего момента М_кр. Провода от датчиков выведены на панель 12 и присоединены к клемме 13. Пространство корпуса, где размещается панель 12, закрывается крышкой 10. Провода от измерительных схем выведены на разъемное шасси 15, к которому присоединяют экранированный кабель от усилителя. Под действием силы резания упругие элементы деформируются. Эта деформация обуславливает изменение напряженного состояния и деформацию датчиков сопротивления, а соответственно и изменение сопротивления тензорезисторов. Пропорционально изменению сопротивления тензорезистора, изменяется величина силы тока, которая усиливается и регистрируется приборами.

В схемах измерения составляющих силы резания соответствующие сигналы датчиков сопротивления складываются алгебраически. Алгебраическая сумма всех опорных реакций, которые действуют на измерительную платформу, будет пропорциональной силе резания, которая измеряется независимо от расположения точки приложения силы. Вследствие этого значительно упрощается методика тарирования комплекса для измерения силы резания, поскольку показания динамометра не зависят от точки закрепления резца.

Регистрирующие приборы измеряют и показывают на приборе средние значения составляющих силы резания. Мгновенные значения силы резания в диапазоне частоты 0÷ 500 Гц с погрешностью  10% регистрируются ЭВМ, которая обеспечивает фиксацию результата измерения контролируемой величины, преобразование ее в цифровой код и дальнейший программный анализ.

Измерительный комплекс позволяет выполнять последовательное, раздельное по составляющим силы резания тарирование динамометра. Универсальный динамометр, который входит в состав комплекса, допускает предельные нагрузки в направлении действия составляющих силы резания – Н, Н, Н и крутящего момента –  Н∙ м.

Общим недостатком динамометров с проволочными датчиками является малая мощность сигнала на выходе измерительной схемы и требования наличия усилительной аппаратуры. Одним из путей решения этой проблемы является применение полупроводниковых датчиков, которые позволяют получить значительно более мощный сигнал. Усилительной аппаратуры не требуется при использовании индуктивных датчиков. Индуктивные датчики, благодаря своей простоте и неприхотливости в эксплуатации, широко применяются в самых различных отраслях машиностроения.

Индуктивный датчик представляет собой катушку с железным сердечником, включенную в цепь переменного тока (рис. 9. 9). Индуктивность такой катушки определяется её магнитным сопротивлением. Последнее же является функцией трех величин: длины сердечника, площади его поперечного сечения и магнитной проницаемости его материала. Если датчик имеет якорь, замыкающий магнитную цепь катушки и отделенный от сердечника небольшим зазором, то магнитное сопротивление будет в основном зависеть от характеристик зазора, его величины, поперечного сечения и магнитной проницаемости. Во всех конструкциях динамометров с индуктивными датчиками обеспечивалось их дифференциальное включение, в результате чего увеличивалась чувствительность динамометров, исключалось взаимовлияние составляющих силы резания и др.

 

а	б
	в
Рис. 9. 9. Индуктивный датчик (а) (1 – корпус датчика; 2 – гайка; 3 – сердечник; 4 – корпус катушки, 5 – обмотка) и его измерительные схемы: б – обычная мостовая; в – с дифференциальным трансформатором

 

На рис. 9. 10 и 9. 11 показаны конструкции токарного динамометра и моментомера. Так, у моментомера на каждом кольце расположены корпус одного датчика и якорь другого, причем с таким расчетом, чтобы при рабочем смещении дисков (за счет упругих деформаций ребер, соединяющих диски под действием крутящего момента) зазор в одном датчике увеличивался, а в другом – уменьшался. Хорошие результаты при исследованиях быстротекущих процессов дает использование емкостных динамометров, принцип действия которых основан на изменении емкости конденсатора, находящегося под воздействием измеряемой силы, например, P_z.

В емкостныхдатчиках (рис. 9. 12) сила резания P_z через резцедержатель 1 и шарик 2 воздействует на упругую пластину конденсатора 3, изменяя воздушный зазор , а, следовательно – и емкость конденсатора. Изменение емкости с помощью высокочастотного устройства приводит к изменению силы тока, который регистрируется гальванометром, осциллографом или компьютером.

 

Рис. 9. 10. Токарный динамометр КМИ	Рис. 9. 11. Моментомер ТПИ
Рис. 9. 12. Функциональная схема динамометра с емкостным датчиком

 

Для повышения точности определения силы датчики могут состоять из нескольких конденсаторов, параллельно соединенных между собой. В производственных условиях возникает требование, чтобы динамометр (например, при применении адаптивных систем управления, работающих по принципу поддержания постоянства одной из составляющих силы резания) не мешал работе станочника.

Для этого созданы тензометрические подшипники, втулки, плиты и устройства, которые встраиваются в соответствующие конструкции станка.

⇐ Предыдущая25262728293031323334Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: