Однокомпонентный динамометр для измерения тангенциальной составляющей силы резания при точении
Предполагаемая полезная модель относится к области определения параметров процесса резания при точении и может быть использована в машиностроении, высших учебных заведениях для определения тангенциальной составляющей силы резания при лезвийной обработке точением ответственных и нежестких деталей, в научно-исследовательских и учебных целях.
Технический результат достигается тем, что крестообразный упругий элемент расположен внутри прямоугольной рамки, на левом торце которой смонтирован резцедержатель, а на правом - неподвижная плита, закрепляемая на станке. Верхняя и нижняя планка крестообразного упругого элемента закреплена на неподвижной плите, а правая и левая планки закреплены на рамке с резцедержателем, в результате чего динамометр без потерь на трение имеет невысокую жесткость в направлении действия тангенциальной составляющей силы резания и высокую жесткость в других направлениях. Динамометр позволяет быстро производить смену режущего инструмента в резцедержателе. Упругий элемент вместе с закрепленными на нем датчиками защищен от воздействия внешней среды.
Предполагаемая полезная модель относится к области определения параметров процесса резания при точении и может быть использована в машиностроении, авиадвигателестроении, высших учебных заведениях, научных центрах для определения тангенциальной составляющей силы резания при лезвийной обработке точением ответственных и нежестких деталей, при проведении научно-исследовательских работ и в учебных целях.
Из устройств, которые разработаны для определения сил резания при точении, наиболее близкими являются:
«Способ определения сил резания и устройство для его осуществления» (Патент 
2082123 G01L 5/16 С1, 20.06.1997). Устройство содержит: резец, закрепленный на двух подвижных независимо друг от друга каретках, и имеющий возможность перемещения в плоскости, параллельной основанию резца и возможность поворота в плоскости действия тангенциальной и радиальной сил резания относительно оси каретки, располагающейся ближе к заготовке. Линейную шкалу и закрепленные на каретках динамометры, посредством которых определяются реакции опор в каретках с последующим вычислением тангенциальной и радиальной составляющих сил резания.
К недостаткам данного устройства следует отнести наличие пар трения, которые в условиях больших нагрузок и малых перемещений подвержены фреттинг-износу и вносят значительную погрешность в определяемые силы резания. Наличие зазоров в соединениях снижает жесткость конструкции, увеличивает вибрации, которые искажают регистрируемые силы резания и приводят к выкрашиванию режущей кромки инструмента.
Известны также конструкции динамометров, в которых упругим элементом является корпус резцедержателя: «Выбор метода измерения усилий резания и измерительной аппаратуры при обработке древесины ультразвуком».
Колотушкин Н.Н., Томашевич А.В. (БГИТА, г.Брянск, РФ), (http-//science-bsea.narod.m/2006/les_2006/kolotushkin_vybor.htm):
Устройство состоит из следующих основных частей: резцедержатель П-образной формы, в котором закрепляется, резец; массивная плита, которая фиксируется на станке; между резцедержателем и плитой смонтирован полый изнутри корпус прямоугольной формы, имеющий на всех четырех сторонах параллельные оси резца сквозные пазы, которые уменьшают жесткость корпуса. В качестве корпуса может также использоваться кольцо с пазом вдоль образующей или без него. Благодаря низкой жесткости корпуса резцедержатель с резцом имеет возможность перемещаться относительно плиты с хвостовиком, на которой установлены датчики микро перемещений, регистрирующие микро перемещения или наклеены тензодатчики.
К недостаткам таких динамометров следует отнести неравножесткость корпуса с пазами в трех взаимно-перпендикулярных направлениях, в результате чего резец совершает не плоское, а сложное пространственное перемещение (поступательное перемещение в трех направлениях плюс вращение вокруг трех перпендикулярных осей координат), в результате чего становится неясным, какие силы вызывают перемещения, регистрируемые датчиками. Кроме того, низкая жесткость каркаса вызывает вибрации с высокой частотой и амплитудой. Следует также отметить большие габариты рассмотренных динамометров и слабую защищенность от охлаждающей жидкости и образующейся стружки вследствие внешнего расположения средств измерений сил резания и перемещений, что затрудняет промышленное использование динамометров.
Наиболее близким к предполагаемой полезной модели является динамометр, описанный в работе:
Технология конструкционных материалов. Практикум по технологическим методам обработки заготовок [Текст]: Учебное пособие / Ю. М. Барон, Г.П. Дзельтен, В.С.Кобчиков и др. /под ред. В.И. Никифорова. - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2007. - 304 с., С.86.
(http://detektorl337.wippiespace.com/Study/TKM/Uh_posobie_Nikiforova_pdf.pdf)
Описанное в учебном пособии устройство является однокомпонентным динамометром и состоит из резца, закрепленного в резцедержателе. На консольно выступающей из резцедержателя части резца сверху и снизу сделаны пазы, параллельные оси станка. В пазах приклеены тензодатчики, регистрирующие тангенциальную составляющую силу резания. Основным недостатком указанного прибора является его узкая область использования, поскольку упругой частью динамометра является сам резец. При необходимости провести измерение силы резания с использованием другого резца, фактически потребуется заново создавать динамометр, что затруднительно даже в случае использования динамометра в учебных целях. Вторым недостатком динамометра является близкое расположение тензодатчика к зоне резания, т.к. в процессе обработки резец нагревается вплоть до температуры, при которой показания тензодатчика могут являться недостоверными.
Преимущество заявляемого динамометра - возможность точного регистрирования тангенциальной составляющей силы резания различными инструментами, компактность, защищенность упругого элемента с датчиками от температурных колебаний, охлаждающей жидкости и стружки.
Это возможно благодаря отсутствию пар трения и высокой жесткости упругого элемента в направлении действия радиальной и осевой составляющей силы резания; герметичность динамометра обеспечивается расположением упругого элемента с наклеенными датчиками измерения деформаций внутри корпуса прибора.
Технический результат - точное определение тангенциальной составляющей силы резания различными инструментами в независимости от действующей радиальной и осевой составляющей силы резания.
Технический результат выражается в повышении точности измерения тангенциальной составляющей силы резания, защищенности измерительных датчиков от внешней среды и возможности быстрой смены режущего инструмента в резцедержателе.
Технический результат достигается тем, что упругий элемент изготовлен в виде рамки с крестообразным элементом внутри. Верхняя и нижняя планки крестообразного элемента закрепляются на неподвижной плите и контактируют с ней небольшими выступами, которые исключают трение упругого элемента с неподвижной плитой. Правая и левая планки крестообразного элемента неразрывно связаны с рамкой упругого элемента. Упругий элемент имеет высокую жесткость в направлении действия радиальной Ру и осевой Рх составляющих силы резания, и невысокую жесткость в направлении действия тангенциальной составляющей силы резания Pz, благодаря чему при резании упругий элемент изгибается только под действием силы Pz и не изгибается под действием сил Ру и Рх, что повышает точность измерения тангенциальной силы Pz. Благодаря отсутствию пар трения повышается точность измерения силы Pz за счет снижения потерь на трение. Датчики для измерения деформаций наклеиваются на планки крестообразного элемента, который располагается в рамке упругого элемента. Слева на торце рамки упругого элемента закреплен резцедержатель, а справа - неподвижная плита, которые вместе образуют закрытый корпус, в котором располагается крестообразный элемент с наклеенными на него датчиками. Благодаря герметичной закрытой конструкции корпуса измерительные датчики защищены от воздействия повышенной температуры, стружки и охлаждающей жидкости, благодаря чему повышается точность измерения силы Pz, т.к. датчики работают при постоянных условиях, в которых производилась их калибровка. Резцедержатель имеет стандартные элементы для закрепления резца с помощью винтов, что дает возможность быстро менять инструмент в динамометре.
Схема однокомпонентного динамометра представлена на фиг.1. -упругий элемент; и фиг.2 - вид динамометра сзади.
Динамометр включает в себя:
Крестообразную часть 1 упругого элемента 6 (фиг.1), имеющую высокую жесткость в направлении действия радиальной Ру и осевой Рх составляющих силы резания, и невысокую жесткость в направлении действия тангенциальной составляющей силы резания Pz. Верхняя и нижняя планки 2 крестообразного элемента 1 неподвижно закрепляются на плите 3 с хвостовиком 4 (фиг.2), посредством которого динамометр закрепляется на станке. Верхняя и нижняя планки 2 крестообразного элемента 1 имеют незначительные выступы 13, которые дают возможность поворачиваться упругому элементу 6 и закрепленному на нем резцедержателю 7 без трения о неподвижную плиту 3. Левая и правая планки 5 крестообразного элемента 1 неразрывно связаны с рамкой упругого элемента 6. Под действием тангенциальной составляющей силы резания Pz упругий элемент с рамкой 6 и резцедержателем 7 упруго деформируется и поворачивается в направлении против часовой стрелки. 8 -направление поворота упругого элемента вокруг неподвижного центра О под действием тангенциальной силы Pz. На резцедержателе 7 с помощью болта 9 закрепляется резец 10. Для исключения трения упругого элемента 6 о плиту 3 предусмотрен зазор 11, составляющий 0,2-0,3 мм. Зазор 11 появляется благодаря выступам 13 на планках 2. Зазор 11 заполняется герметиком, густой смазкой или уплотняется резиновой манжетой. Датчики 12 для измерения упругих деформаций могут наклеиваться на верхнюю, нижнюю, левую и правую планки крестообразного упругого элемента 1.
При резании под действием тангенциальной составляющей силы резания Pz резец, закрепленный в резцедержателе 7 поворачивается вместе с упругим элементом 6 в плоскости действия сил Pz и Ру вокруг оси, близко расположенной к центру О (фиг.1, фиг.2). Благодаря высокой жесткости упругого элемента 6 в направлении действия сил Ру и Рх, деформация упругого элемента в направлении действия этих сил незначительная. Регистрация упругих деформаций производится датчиками 12, которые наклеены на планки 2 и 5. Верхняя часть планок 2, имеющая выступы 13 остается неподвижной благодаря тому, что планки 2 закрепляются выступами 13 на неподвижной плите 3.
Однокомпонентный динамометр для измерения силы резания при точении, состоящий из датчиков, крестообразного упругого элемента, расположенного внутри прямоугольной рамки, на которой слева смонтирован резцедержатель, а справа - неподвижная плита, закрепляемая на станке, отличающийся тем, что верхняя и нижняя планка крестообразного упругого элемента закреплена на неподвижной плите, а правая и левая планка крестообразного упругого элемента закреплены на рамке с резцедержателем, верхняя и нижняя планка упругого элемента в местах крепления к неподвижной плите имеет незначительные выступы, позволяющие упругому элементу и прикрепленному к нему резцедержателю поворачиваться под действием тангенциальной составляющей силы резания без трения о неподвижную плиту, датчики для определения деформации упругого элемента могут крепиться на его верхнюю, нижнюю, левую и правую планки, при этом рамка, резцедержатель и плита образуют закрытый герметичный корпус, в котором располагается крестообразный упругий элемент, защищенный таким образом от воздействия внешней среды и нагревания.
