新型压电式钻削测力仪的研制

　　0引盲

　　钻削加工时形成切屑所消耗的功主要表现为钻削抗力，影响钻削因素较多，如工件材料、钻削用量(钻头直径、进给量、切削速度等)、钻头几何参数以及钻削条件等。对钻削力进行测量，并研究其分布规律，对于优化钻头几何参数、掌握钻削加工质量等具有重要的指导意义。

　　压电钻削测力仪与普通压电车削、铣削等测力仪不同之处在于要测量钻削扭矩。测量扭矩的方法很多，但用于钻削测量上，主要是采用“力x力臂”法。即使目前比较先进的压电式钻削测力仪，扭矩也是通过密布在一个固定直径圆周上且具有切向灵敏度切型的石英晶片测得的，该类测力仪所需的石英晶片数量较多，一般为12一24片，为使各对晶片均匀受力，晶片的等高性以及其上、下表面的平面度、粗糙度要求相当严格，这些将导致测力仪结构复杂，工艺要求高，调试难度大，成本高。

　　针对上述问题，在前期压电晶体变形效应研究基础上设计出一种结构简单、装配调整工艺方便、成本低、操作简便、适用于小钻削力测量的新型压电钻削测力仪。

　　1钻削测力仪的构造原理

　　压电钻削测力仪设计的核心是根据压电效应原理来正确选择敏感元件的几何切型和晶组组成方式。

　　1.1轴向力测量原理和晶组组成

　　1. 1. 1抽向力浏量原理

　　当石英晶体受到外力作用时，压电效应所产生的电极化强度P与所受应力T成线性关系，此时在IRE规定的晶体坐标系下压电方程可写成:

　　凡是晶体在压电系数中存在i习的系数，该种切型晶体具有纵向效应(或者说是拉压效应)，即在拉力或压力作用下晶体表面出现极化电荷，从而可通过极化电荷的大小来感知拉力或压力。由式(1)可知，石英晶体存在，可选择切割方向为:零度的X0^o切型来测量钻削轴向力。

　　1.1.2轴向力浏蚤晶组组成

　　轴向力测量晶组在电学上采用并联方式，采用完全相同的2片X0^o晶片“对装”，即两晶片晶体坐标系的Y轴相互错开1800，同时使:轴方向相反，然后把信号引出电极夹在两片中间，见图1。该方法具有结构简单，省去了专门的绝缘装置，此外，双片与单片相比，可使传感器电荷灵敏度提高1倍。

　　1. 2扭矩测.原理和晶组组成

　　1.2.1扭矩测量原理

　　扭矩测量利用石英晶片的扭转效应来实现。根据各向异性弹性理论推导出如图2所示的Y0^o切型的圆形石英晶片在扭矩作用下的平面应力函数和扭转应力函数为