CN114833638B - 一种具有内部插嵌式敏感结构的铣削力测量刀具*** - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有内部插嵌式敏感结构的铣削力测量刀具***，属于铣削力测量的技术领域，包括面铣刀盘、刀夹和刀片；面铣刀盘为圆环形结构，设置有若干刀夹安装孔；刀夹穿过刀夹安装孔，安装有刀片；面铣刀盘的内壁上设置有测力盒安装槽和采集器安装槽，测力盒安装槽内设置有测力盒，采集器安装槽内安装有无线数据采集器；刀夹上设置有传力梁；测力盒包括棱形弹性边框、限位盖板，棱形弹性边框上插嵌设置有四块矩形弹性基片，测力盒通过双头螺柱分别与测力盒安装槽和传力梁螺纹连接；矩形弹性基片上设置有薄膜传感器；测力盒测得的信号由无线数据采集器采集并发射。本发明可以取得高精度的测力和铣削加工过程的实时监控。

Description

一种具有内部插嵌式敏感结构的铣削力测量刀具***

技术领域

本发明属于铣削力测量的技术领域，具体公开了一种具有内部插嵌式敏感结构的铣削力测量刀具***。

背景技术

现代制造技术的发展对铣削加工的可靠性、精度和加工效率等方面的要求越来越高，铣刀作为铣削过程的直接执行元件，不可避免地会发生刀具磨损和破坏等状况。刀具的磨损或破坏会严重影响到所加工零件的加工精度、表面质量。因而，要在铣削加工中对铣刀的状态进行监控，用以准确估计刀具寿命从而保证加工质量、实现连续自动化加工。其中，铣削力、振动信号是用于评判铣刀状态的两个极为重要的参数。

CN105436992A公开了一种嵌入薄膜传感器的三向铣削力测量刀具***，包括铣刀头、拉钉、铣刀柄、第一沉头螺钉、测力仪盖板、预紧螺栓、圆柱头螺钉、薄膜传感器模块、固定块、第二沉头螺钉、刀垫、第三沉头螺钉、铣削刀片、内置电路、大六角螺钉、导线；其中，铣刀柄通过拉钉固定于铣刀头的上端；测力仪盖板的表面中央开设有上下贯通的圆形装配孔；圆形装配孔的孔壁上端设有圆环形凸起，且圆环形凸起通过第一沉头螺钉固定于铣刀柄的凸出轴肩上；圆形装配孔的孔壁中部开设有圆环形凹槽，且圆环形凹槽的下槽壁开设有上下贯通的穿线孔；薄膜传感器模块和固定块均通过预紧螺栓预紧固定于铣刀头的刀槽内；薄膜传感器模块的一侧紧靠铣刀头的刀槽内壁，另一侧紧靠固定块；固定块的上端通过圆柱头螺钉固定于铣刀头上；刀垫通过第二沉头螺钉固定于固定块上；铣削刀片通过第三沉头螺钉固定于刀垫上，且铣削刀片采用可转位铣削刀片；内置电路固定于测力仪盖板上的圆环形凹槽内；导线的首端与薄膜传感器模块的接线端连接，尾端穿过测力仪盖板上的穿线孔与内置电路的输入端连接；导线通过大六角螺钉与穿线孔固定。

该专利解决了现有铣削力测量***结构稳定性差、测量精度低、测量实时性差的问题。但是上述专利中，薄膜传感器模块和固定块均通过预紧螺栓预紧固定于铣刀头的刀槽内；薄膜传感器模块的一侧紧靠铣刀头的刀槽内壁，另一侧紧靠固定块；固定块的上端通过圆柱头螺钉固定于铣刀头上；刀垫通过第二沉头螺钉固定于固定块上；铣削刀片通过第三沉头螺钉固定于刀垫上。存在以下问题：

1、薄膜传感器模块及导线暴露在外，工作时受切屑和切削液等外部因素影响，同时受震动、冲击影响，薄膜传感器模块及导线易破坏失效；

2、反复固定，定位误差大，安装误差大，加工困难，薄膜传感器模块拆装困难，不便于更换其他量程传感器或维修。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有内部插嵌式敏感结构的铣削力测量刀具***，以解决背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种具有内部插嵌式敏感结构的铣削力测量刀具***，包括面铣刀盘、刀夹和刀片；面铣刀盘为圆环形结构，沿着周向设置有若干内外贯通的刀夹安装孔；刀夹穿过刀夹安装孔，径向面位于面铣刀盘外侧的位置安装有刀片；面铣刀盘的内壁上设置有测力盒安装槽和采集器安装槽，测力盒安装槽与刀夹安装孔一一对应且与对应的刀夹安装孔连通，测力盒安装槽内设置有测力盒，采集器安装槽内安装有无线数据采集器，采集器安装槽上设置有内外贯通的信号发射孔；刀夹位于面铣刀盘内侧的切向面上设置有与刀片平行的传力梁；测力盒包括棱形弹性边框以及设置在棱形弹性边框两侧的限位盖板，测力盒的对角线Ⅰ平行于面铣刀盘的轴线，对角线Ⅱ垂直于对角线Ⅰ，棱形弹性边框上设置有四块矩形弹性基片，四块矩形弹性基片两两相对分别对称设置在对角线Ⅰ和对角线Ⅱ的两侧，棱形弹性边框的四个侧面上分别螺纹连接有双头螺柱，双头螺柱两侧的螺纹旋向不同，双头螺柱均垂直于对角线Ⅰ，对角线Ⅰ两侧的双头螺柱分别与测力盒安装槽和传力梁螺纹连接；矩形弹性基片上设置有薄膜传感器；测力盒测得的信号由无线数据采集器采集并发射。

进一步地，面铣刀盘的内壁上安装有环形封闭盖，用于固定无线数据采集器且将测力盒、无线数据采集器、双头螺柱封闭在面铣刀盘内。

进一步地，面铣刀盘内设置有用于连接薄膜传感器和无线数据采集器的PCB板。

进一步地，相邻测力盒安装槽之间的内壁与面铣刀盘的铣削端面之间设置有弧形槽；位于棱形弹性边框内侧的限位盖板为内限位盖板，内限位盖板朝向棱形弹性边框的侧面设置有十字形槽；PCB板插设在弧形槽和十字形槽中，连接薄膜传感器和无线数据采集器。

进一步地，棱形弹性边框上设置有插槽，矩形弹性基片插嵌安装在插槽中。

进一步地，棱形弹性边框与限位盖板通过螺钉连接，限位盖板的螺钉孔为兼具过载缓冲导向作用的条形孔。

进一步地，棱形弹性边框的四个角均为圆角；和/或

刀夹位于面铣刀盘内侧的切向面与传力梁之间设置有圆角。

进一步地，面铣刀盘和刀夹之间设置有弹性垫片。

进一步地，双头螺柱的中部固定设置有调节螺母，调节螺母两侧的螺纹旋向不同。

进一步地，薄膜传感器通过磁控溅射沉积于矩形弹性基片的表面。

上述具有内部插嵌式敏感结构的铣削力测量刀具***的工作原理如下所述：在刀夹上设置了两个传力梁，可以直接将面铣刀工作时的切向力传递至双头螺柱，双头螺柱被拉伸或压缩，使棱形弹性边框发生形变，矩形弹性基片随之发生形变，薄膜传感器阻值变化，输出电信号由无线数据采集器采集并发射；面铣刀受切深方向（背吃刀量方向）的力时，通过两个传力梁的受力不平衡，导致与传力梁相连接的两个双头螺柱产生扭力，使棱形弹性边框发生形变，矩形弹性基片随之发生形变，薄膜传感器阻值变化，输出电信号由无线数据采集器采集并发射。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、薄膜传感器通过磁控溅射沉积于矩形弹性基片的表面，且矩形弹性基片插嵌安装在棱形弹性边框内，直接由两侧的限位盖板对薄膜传感器进行保护，测力盒通过两侧双头螺柱安装在面铣刀盘内，薄膜传感器工作时不会受切屑和切削液等外部因素影响，同时可减小振动、冲击影响，薄膜传感器不易破坏失效；

2、面铣刀盘的内壁上安装有环形封闭盖，与测力盒配合，实现薄膜传感器的多重保护；

3、矩形弹性基片插设在棱形弹性边框的插槽中，可沿插槽取出，实现不同量程矩形弹性基片的快速更换，也方便维修；

4、测力盒采用双头螺柱的安装方式，可降低零件加工困难，便于测力盒快速拆装，而且有很好的抗冲击和抗振动效果，可以延长测力盒的使用寿命，双头螺柱两侧的螺纹旋向不同，有助于快速合理的调节测力盒在面铣刀盘和刀夹之间的位置；

5、采用PCB板电性连接，且将PCB板置于面铣刀盘内，解决了导线暴露在外的问题；

6、上述具有内部插嵌式敏感结构的铣削力测量刀具***可以取得高精度的测力和铣削加工过程的实时监控。

附图说明

图1为具有内部插嵌式敏感结构的铣削力测量刀具***的结构示意图；

图2为图1去掉环形封闭盖后的结构示意图；

图3为图2平行于面铣刀盘轴线的部分剖视图；

图4为面铣刀盘的结构示意图；

图5为刀夹、刀片、测力盒的装配图；

图6为刀夹与传力梁的连接图；

图7为测力盒与双头螺柱的装配图；

图8为测力盒的***图；

图9为矩形弹性基片在棱形弹性边框上的安装示意图；

图10为薄膜传感器在矩形弹性基片上的示意图；

图11为内限位盖板的结构示意图。

图中：面铣刀盘1；弧形槽1.1；刀夹2；刀片3；测力盒4；棱形弹性边框4.1；内限位盖板4.2；外限位盖板4.3；螺钉4.4；条形孔4.5；十字形槽4.6；无线数据采集器5；信号发射孔6；传力梁7；矩形弹性基片8；双头螺柱9；调节螺母9.1；薄膜传感器10；环形封闭盖11；12-弹性垫片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例提供一种具有内部插嵌式敏感结构的铣削力测量刀具***，包括面铣刀盘1、刀夹2和刀片3；面铣刀盘1为圆环形结构，沿着周向设置有若干内外贯通的刀夹安装孔；刀夹2穿过刀夹安装孔，径向面位于面铣刀盘1外侧的位置安装有刀片3；面铣刀盘1的内壁上设置有测力盒安装槽和采集器安装槽，测力盒安装槽与刀夹安装孔一一对应且与对应的刀夹安装孔连通，测力盒安装槽内设置有测力盒4，采集器安装槽内安装有无线数据采集器5，采集器安装槽上设置有内外贯通的信号发射孔6；刀夹2位于面铣刀盘1内侧的切向面上设置有与刀片3平行的传力梁7；测力盒4包括棱形弹性边框4.1以及设置在棱形弹性边框4.1两侧的限位盖板，测力盒4的对角线Ⅰ平行于面铣刀盘1的轴线，对角线Ⅱ垂直于对角线Ⅰ，棱形弹性边框4.1上设置有四块矩形弹性基片8，四块矩形弹性基片8两两相对分别对称设置在对角线Ⅰ和对角线Ⅱ的两侧，棱形弹性边框4.1的四个侧面上分别螺纹连接有双头螺柱9，双头螺柱9两侧的螺纹旋向不同，双头螺柱9均垂直于对角线Ⅰ，对角线Ⅰ两侧的双头螺柱9分别与测力盒安装槽和传力梁7螺纹连接；矩形弹性基片8上通过磁控溅射沉积有薄膜传感器10；测力盒4测得的信号由无线数据采集器5采集并发射。

本实施例中，四个矩形弹性基片8垂直于面铣刀盘1的轴线方向，在面铣刀盘1旋转工作时，不受其径向力的影响，提高了测量精度。矩形弹性基片8插嵌安装在棱形弹性边框4.1内，直接由两侧的限位盖板对薄膜传感器10进行保护。测力盒4通过两侧双头螺柱9安装在面铣刀盘1内，双头螺柱9两侧的螺纹旋向不同，可以快速调节测力盒4在面铣刀盘1内的位置。双头螺柱9两侧的螺纹均为自锁螺纹，连接可靠，防震性好。测力盒4设置为棱形结构，精度高，不仅可以检测到较小的拉压力，还可以检测到较小的扭力。无线数据采集器5为现有技术，采用内置电源，薄膜传感器10的信号经过前置放大电路、信号转换器和无线发射器被采集并发射至信号接收器。

进一步地，面铣刀盘1的内壁上安装有环形封闭盖11，用于固定无线数据采集器5且将测力盒4、无线数据采集器5、双头螺柱9封闭在面铣刀盘1内，在不影响面铣刀盘1工作的同时，还可以防止切屑和切削液等对薄膜传感器10和无线数据采集器5的破坏。

进一步地，刀夹2位于面铣刀盘1内侧的切向面与传力梁7之间设置有圆角，减少了应力集中，以增加传力梁7的强度，提高测力精度。

进一步地，面铣刀盘1和刀夹2之间设置有弹性垫片12，可提高面铣刀盘1和刀夹2的安装稳定性，有助于刀夹1受力的传递。

进一步地，双头螺柱9的中部固定设置有调节螺母9.1，调节螺母9.1两侧的螺纹旋向不同。通过调节螺母9.1旋转双头螺柱9，方便双头螺柱9的调节。

如图1所述，本实施例在面铣刀盘1上均匀设置有5个刀夹2和测力盒4，但实际上并不限于5个。

实施例2

在实施例1的基础上，本实施例提供薄膜传感器10和无线数据采集器5的连接方式，面铣刀盘1内设置有用于连接薄膜传感器10和无线数据采集器5的PCB板，解决了导线暴露在外的问题。

进一步地，相邻测力盒安装槽之间的内壁与面铣刀盘1的铣削端面之间设置有弧形槽1.1；位于棱形弹性边框4.1内侧的限位盖板为内限位盖板4.2，位于棱形弹性边框4.1外侧的限位盖板为外限位盖板4.3，内限位盖板4.2朝向棱形弹性边框4.1的侧面设置有十字形槽4.6；PCB板插设在弧形槽1.1和十字形槽4.6中，连接薄膜传感器10和无线数据采集器5。

实施例3

在实施例1和实施例2的基础上，本实施例提供测力盒4中各零件的具体安装方式及更多细节。

棱形弹性边框4.1上设置有插槽，矩形弹性基片8插设在插槽中，可沿插槽取出，实现不同量程矩形弹性基片8的快速更换，也方便维修。

棱形弹性边框4.1与限位盖板通过螺钉4.4连接，限位盖板的螺钉孔为兼具过载缓冲导向作用的条形孔4.5。当棱形弹性边框4.1在对角线Ⅰ方向发生形变时，对角线Ⅰ上的两个螺钉4.4可沿着条形孔4.5移动，在不影响测量精度的前提下，保证了棱形弹性边框4.1不被破坏，起到了保护棱形弹性边框4.1的作用。

棱形弹性边框4.1的四个角均为圆角，减少了应力集中，增大棱形弹性边框4.1的强度，提高了棱形弹性边框4.1的抗震动作用，同时提高测量精度。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种具有内部插嵌式敏感结构的铣削力测量刀具***，包括面铣刀盘、刀夹和刀片；

所述面铣刀盘为圆环形结构，沿着周向设置有若干内外贯通的刀夹安装孔；

所述刀夹穿过刀夹安装孔，径向面位于面铣刀盘外侧的位置安装有刀片；

其特征在于，所述面铣刀盘的内壁上设置有测力盒安装槽和采集器安装槽，测力盒安装槽与刀夹安装孔一一对应且与对应的刀夹安装孔连通，测力盒安装槽内设置有测力盒，采集器安装槽内安装有无线数据采集器，采集器安装槽上设置有内外贯通的信号发射孔；

所述刀夹位于面铣刀盘内侧的切向面上设置有与刀片平行的传力梁；

所述测力盒包括棱形弹性边框以及设置在棱形弹性边框两侧的限位盖板，测力盒的对角线Ⅰ平行于面铣刀盘的轴线，对角线Ⅱ垂直于对角线Ⅰ，棱形弹性边框上设置有四块矩形弹性基片，四块矩形弹性基片两两相对分别对称设置在对角线Ⅰ和对角线Ⅱ的两侧，棱形弹性边框的四个侧面上分别螺纹连接有双头螺柱，双头螺柱两侧的螺纹旋向不同，双头螺柱均垂直于对角线Ⅰ，对角线Ⅰ两侧的双头螺柱分别与测力盒安装槽和传力梁螺纹连接；

所述矩形弹性基片上设置有薄膜传感器；

面铣刀工作受切向力时，两个传力梁直接将切向力传递至双头螺柱，双头螺柱被拉伸或压缩，使棱形弹性边框发生形变，矩形弹性基片随之发生形变，薄膜传感器阻值变化，输出电信号由无线数据采集器采集并发射；

面铣刀受切深方向的力时，通过两个传力梁的受力不平衡，导致与传力梁相连接的两个双头螺柱产生扭力，使棱形弹性边框发生形变，矩形弹性基片随之发生形变，薄膜传感器阻值变化，输出电信号由无线数据采集器采集并发射。

2.根据权利要求1所述的具有内部插嵌式敏感结构的铣削力测量刀具***，其特征在于，所述面铣刀盘的内壁上安装有环形封闭盖，用于固定无线数据采集器且将测力盒、无线数据采集器、双头螺柱封闭在面铣刀盘内。

3.根据权利要求1或2所述的具有内部插嵌式敏感结构的铣削力测量刀具***，其特征在于，所述面铣刀盘内设置有用于连接薄膜传感器和无线数据采集器的PCB板。

4.根据权利要求3所述的具有内部插嵌式敏感结构的铣削力测量刀具***，其特征在于，相邻测力盒安装槽之间的内壁与面铣刀盘的铣削端面之间设置有弧形槽；

位于棱形弹性边框内侧的限位盖板为内限位盖板，内限位盖板朝向棱形弹性边框的侧面设置有十字形槽；

PCB板插设在弧形槽和十字形槽中，连接薄膜传感器和无线数据采集器。

5.根据权利要求4所述的具有内部插嵌式敏感结构的铣削力测量刀具***，其特征在于，棱形弹性边框上设置有插槽，矩形弹性基片插嵌在插槽中。

6.根据权利要求5所述的具有内部插嵌式敏感结构的铣削力测量刀具***，其特征在于，棱形弹性边框与限位盖板通过螺钉连接，限位盖板的螺钉孔为兼具过载缓冲导向作用的条形孔。

7.根据权利要求6所述的具有内部插嵌式敏感结构的铣削力测量刀具***，其特征在于，棱形弹性边框的四个角均为圆角；和/或

刀夹位于面铣刀盘内侧的切向面与传力梁之间设置有圆角。

8.根据权利要求1所述的具有内部插嵌式敏感结构的铣削力测量刀具***，其特征在于，面铣刀盘和刀夹之间设置有弹性垫片。

9.根据权利要求1所述的具有内部插嵌式敏感结构的铣削力测量刀具***，其特征在于，双头螺柱的中部固定设置有调节螺母，调节螺母两侧的螺纹旋向不同。

10.根据权利要求1所述的具有内部插嵌式敏感结构的铣削力测量刀具***，其特征在于，薄膜传感器通过磁控溅射沉积于矩形弹性基片的表面。

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