微小型车铣复合加工过程中三向微切削力实时检测分析

微小型车铣复合加工过程中三向微切削力实时检测分析

徐嘉辰 ,魏茹 ,李喆,朱世学

航空工业沈阳飞机工业（集团）有限公司

摘要

  现今，随着科学技术的不断进步下，很多机械产品逐渐的趋向于小型化，而微小型器件的加工是小型机械产品的研发生产过程中的重要支撑。微小型机械在我国的军事、航空、医疗、环保等领域中的需求量日益增加，在这一背景下采用微小车铣复合加工工艺进行制造然后通过装配完成微机械系统，是实现微机械系统的重要途径。其中切削力是研究微小机械器件加工技术的关键参数，所以本文以微小型车铣的复合加工过程中的三向微切削力为题，深入分析了其在加工过程中的三向微切削力的实时检测分析，希望能够为相关研究做出贡献。

关键词： 微小型车铣  复合加工工艺   三向微切削力   实时检测分析

引言

  因为我国的航天工程、国防工业、现代医学以及生物工程等领域的研发创新下，很多器械都逐渐向小型化发展，各种精密的器械结构拥有着普通常规器件无法比拟的优势而被应用和研发出来。所以近些年微小机械技术已经得到了科研人员的重视，并且逐渐的由理论过度到实际应用中去。而这些微小器械的制造是需要采用精密微细的车铣通过复合加工工艺制造而成的，所以微小型车铣复合加工技术就成为微小器械质量稳定的重要途径。为了能保证微小器械的生产质量的稳定，我们需要对其制造工艺进行深入分析，对车铣进行复合加工过程中的三向微切削力进行实时检测分析来提高其加工效率和加工质量。

一．微小型车铣复合加工技术与三向微切削力检测

  现今，微小型车铣复合加工技术已经受到国内外的科研人员的高度重视，因为微机械加工技术是连接宏观领域和纳米领域功能部件加工的桥梁，所以其重要程度可想而知。目前在微小型加工的研究方向上是集中在微细车削和微细铣削加工。因为车削在应用过程中产生的切削力较大，极易会对产品造成损伤，在进行微细轴类零件的加工上多使用切削力较小的车铣来进行制造加工。为了可以有效的提升车铣加工的效率和质量，需要对加工过程中的三向微切削力进行实时检测，但是由于和常规的切削加工不同的是，在车铣进行复合加工故工程中由于有车削的主轴和铣削主轴都处于高速运行的状态，采用传统的检测方法是很难对其进行高精度的实时测量的。本文根据精密微细车铣复合加工过程中的三向微切削力的检测需求，以切削力无线测量技术入手，以满足对三向微切削力的检测需求。

二．微小型车铣复合理论切削力计算模型的建立

  因为微小型车铣复合加工与常规的车削加工和铣削加工不同，所以需要建立优化后的车铣复合理论切削力计算模型来进行实时检测，在模型的建立上，因为车铣在进行加工过程中会产生高速的旋转，所以我们需要保证工件与铣刀保持相对运动轨迹的一致性才可完成车铣运动过程的简化，然后将铣刀加工运动轨迹进行类比研究，将工件表面沿螺旋线伸展开后得出简化的模型。通过对比模型来得出刀尖轨迹方程。

  在理论切削力的计算方法上是有很多中的，各种计算方法的复杂程度也是不一样的，我们可以选择一种常用的计算方法来进行计算，得出切出角、切削宽度与切削厚度最终得出切削力。

三．测量装置的设计与测量方法

（一）测量装置设计

  因为微小型车铣在进行复合加工过程中的切削力测量与传统车铣加工切削力的测量不同，所以在进行测量装置的设计上，我们可以根据车铣加工过程中的相对低速平动模块上安装传感器，来进行切削力的测量。因为车铣在进行加工过程中车刀和铣刀都是处于高速旋转状态的所以需要通过无线传输的方式来进行相关的测量工作。所以我们需要采用用电阻应变效应来进行切削力的检测。电阻应便传感器的工作原理就是将被测量的变化既传感器弹性元件发生的弹性应变转换为传感元件电阻值发生的变化通过电路处理计算来将电信号进行传输。

此外，在三维力传感器的设计上需要结合实际的需求来进行设计，需要制定好相关的测量方案，并对传感器进行仿真分析，保证仿真分析的结果与理论计算结果保持一致后在进行下一步测量工作。

  在测量装置的总体机构设计上，因为车铣进行复合加工过程中所产生的切削力一般在5N量级以下所以需要进行小量程的精密传感器来进行切削力的测量，并且由于车削主轴和铣削主轴处于高速旋转状态下，所以一般传统的有线测量方法是难以满足测量需求的，所以我们采用了无线测量方案。通过三维力传感器对三维切削力进行直接测量，通过发送模块来对工件受到的车铣复合加工切削力的实时读取和传输，利用接受模块来获取到切削力的实时数据，最终通过电脑来对这些数据信息进行处理和显示。

（二）测量系统软硬件设计

利用无线测量切削力的方式与有线测量的方式有所不同，通过无线测量的方式需要通过设计的软硬件来完成，所以在进行测量切削力前需要将相关的软硬件设计完成后才能保证对车铣切削力的实时稳定测量。

在硬件设计上，需要选择最适宜的芯片，并根据芯片来进行相应模块和配套电路的设计。在设计中无线测量的发送模块需要通过电池来完成独立供电，所以我们需要根据实际情况来完成布局设计。而在软件设计上，需要通过无线变成来实现数据的无线传输的功能，所以我们在进行软件开发上，需要以发送端、接收端和程序开发这三个方面进行合理的设计。

（三）测量方法

  在测量方法上，因为测量设计中的软硬件系统和数据采集系统所收集的数据是存在一定的误差的，所以我们需要合理有效的降低误差来提高数据分析的准确性。首先在计算方法上我们需要进行数据误差的测量，根据误差测量的结果来进行误差补偿，最终通过实验来验证数据的准确性。

结语

  综上所述，随着科学技术的不断进步下，很多工程领域中的机械设备逐渐的转向到小型化，而在这一过程中生产制造相应的零件构件的质量对于机械设备来说是十分重要的。微小型车铣的三向微切削力对于其零件构件的生产制造质量和效率来说是重要参数，所以我们要对其进行实时检测分析，根据分析来找出其中存在的一些问题，本文通过对微小型车铣复合加工过程中的切削力的实时检测设计来获取到相关数据信息，希望能为我国在微小车铣复合加工工艺的研发上做出贡献。

参考文献

[1]程联斌.车铣切削力对机械加工的影响.（J）机械工程与自动化.2020.02.0159.02

[2]林志祥.数控金属切削工艺分析.（J）信息记录材料.2020.02.0034.02