切削力是評(píng)估工藝影響因素和優(yōu)化加工流程的重要測(cè)量參數(shù)之一，可直觀反映工藝運(yùn)行的穩(wěn)定性。通過(guò)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的傳感器技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)切削力的精準(zhǔn)測(cè)量。目前市場(chǎng)上的刀柄傳感器主要基于兩種不同的技術(shù)原理：壓電技術(shù)作為加工過(guò)程中的成熟切削力測(cè)量方案已在行業(yè)中應(yīng)用了幾十年，而應(yīng)變技術(shù)在近幾年才出現(xiàn)在機(jī)加工應(yīng)用中。雖然兩種技術(shù)原理的刀柄傳感器均能輸出作用于刀具的力與力矩?cái)?shù)據(jù)，但其測(cè)量結(jié)果卻存在著極大差異。

差異一：測(cè)量方式不同 

兩者最核心的差異之一在于測(cè)量方式：

▲采用壓電（PE）技術(shù)的測(cè)力儀可直接檢測(cè)銑削刀具所受的剪切力

▲應(yīng)變測(cè)力儀僅能測(cè)量刀頭所受側(cè)向力而產(chǎn)生的彎矩，無(wú)法直接獲取實(shí)際作用力

應(yīng)變式測(cè)力儀所測(cè)彎矩會(huì)受到多種因素的影響，例如刀具材料（彈性模量 E）、刀具直徑等。以下為影響彎矩計(jì)算的核心參數(shù)匯總：

• 刀具長(zhǎng)度與直徑

• 刀具彈性模量（取決于材料特性、幾何形狀、內(nèi)部通道設(shè)計(jì)等）

圖1. 壓電技術(shù)與應(yīng)變技術(shù)測(cè)力儀的力測(cè)量對(duì)比

差異二：頻率響應(yīng)不同 

壓電技術(shù)的第二個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)是其高固有頻率特性，這使其能夠精準(zhǔn)測(cè)量高頻信號(hào)（如高轉(zhuǎn)速工況下的刀具的高速切入切出頻率）。應(yīng)變技術(shù)因固有頻率較低，其可用頻率范圍受到嚴(yán)格限制。根據(jù)物理規(guī)律及ISO 16063標(biāo)準(zhǔn)，高頻測(cè)量的有效范圍是傳感器固有頻率的1/3。

圖2. 壓電技術(shù)與應(yīng)變技術(shù)頻率響應(yīng)對(duì)比

差異三：靈敏度與準(zhǔn)確性不同

壓電技術(shù)與應(yīng)變技術(shù)的另一關(guān)鍵區(qū)別在于前者的高靈敏度特性。壓電晶體集成于刀柄內(nèi)部，可對(duì)三個(gè)正交方向的力進(jìn)行精準(zhǔn)感知。此外，通過(guò)增設(shè)第四塊壓電晶體，能夠?qū)崿F(xiàn)高靈敏度的力矩測(cè)量 —— 該特性在微小力至超大載荷范圍內(nèi)均適用。壓電技術(shù)的力測(cè)量范圍僅需通過(guò)軟件設(shè)置即可靈活調(diào)整，這意味著同一臺(tái)設(shè)備既可測(cè)量極微小的切削力，也能適配大載荷工況。

由于刀柄在特定方向上的剛度特性，其變形量受到限制。尤其在軸向（Fz 方向）上的變形量極小，導(dǎo)致應(yīng)變片技術(shù)無(wú)法以高靈敏度測(cè)量軸向切削力，這對(duì)微小力的檢測(cè)精度影響尤為顯著。

力矩（Mz）測(cè)量同樣存在類(lèi)似局限：由于該方向的變形量較小（主要為刀柄扭轉(zhuǎn)），應(yīng)變技術(shù)在小載荷工況下的力矩測(cè)量精度受限，其靈敏度與準(zhǔn)確性均不及壓電傳感器。

圖3. 壓電傳感器與應(yīng)變傳感器在 Fz 和 Mz 測(cè)量原理上的示意圖解

基于上述技術(shù)差異，在旋轉(zhuǎn)切削測(cè)力儀（RCD）的設(shè)計(jì)中，相較于采用壓電技術(shù)的傳感器，采用應(yīng)變技術(shù)傳感器，所產(chǎn)生的噪聲相比實(shí)際信號(hào)明顯更高。

圖4. 壓電式與應(yīng)變式 RCD 的噪聲與實(shí)際信號(hào)比對(duì)比圖

借助高采樣率、高固有頻率及低噪聲特性，即便是在四刃端面銑削過(guò)程中產(chǎn)生的微小切削力，也能被采用壓電技術(shù)的奇石樂(lè)無(wú)線旋轉(zhuǎn)切削測(cè)力儀（WL-RCD），以極坐標(biāo)圖形式清晰呈現(xiàn)。作為對(duì)比，下圖同時(shí)展示了采用應(yīng)變技術(shù)的另一款 RCD 所采集的極坐標(biāo)圖。

圖 5. 壓電式與應(yīng)變式Fz和Mz極坐標(biāo)圖對(duì)比