專利名稱：一種基于霍普金森壓桿加載技術(shù)的高速切削實驗裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬切削領(lǐng)域，尤指一種基于霍普金森壓桿加載技術(shù)的高速正交切削實驗裝置。
背景技術(shù)：
高速切削技術(shù)是近十幾年來迅速崛起的一項先進制造技術(shù)，代表了現(xiàn)代加工技術(shù)的主流方向。高速切削機理是高速切削技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，然而關(guān)于高速切削過程中的很多現(xiàn)象人們依然知其然而不知其所以然，高速切削機理也尚不清楚，這嚴重制約了高速切削技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。為了更好的理解高速切削機理，急需發(fā)展有效的實驗裝置來研究高速切削過程中的切屑變形行為及相關(guān)規(guī)律。目前高速切削實驗主要在車床上進行。要獲得較高的線切削速度，車床的主軸轉(zhuǎn)速要求必須很高。利用車床切削時，工件一般通過三爪卡盤安裝在主軸上，但是當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速較高時，離心力的作用將會導(dǎo)致卡盤的夾力減小，嚴重時可能將工件甩飛，具有相當(dāng)大的危險。因此一般機床主軸轉(zhuǎn)速不是很高，目前最高在10000轉(zhuǎn)/分鐘左右。要獲取高速切削所需的極高線速度，除了與主軸轉(zhuǎn)速相關(guān)以外，還與工件直徑相關(guān)。受車床結(jié)構(gòu)的限制，工件的直徑通常比較小，一般臥式車床允許工件的最大直徑在400 mm左右，加之受車床功率及安全性等因素的限制，工件直徑越大所對應(yīng)的主軸最大轉(zhuǎn)速就越小，使得利用車床加工所獲取的線切削速度往往較低，很難達到高速切削所需的要求。再者，高速切削實驗研究一般要求對工件在不同切削速度下的切削行為進行分析。然而，利用車床進行高速切削實驗， 在主軸轉(zhuǎn)速大范圍改變的情況下往往會出現(xiàn)共震現(xiàn)象，導(dǎo)致機床劇烈顫震，從而難以獲得穩(wěn)態(tài)的高速切削過程。此外，獲取高速切削過程的瞬態(tài)圖像是高速切削機理研究的關(guān)鍵，然而在高速車削過程中工件轉(zhuǎn)動慣性極大，很難讓工件與機床主軸瞬間停止轉(zhuǎn)動，從而難于捕獲高速切削圖像。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對目前難于實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高速切削的問題，建立了一種安全可靠、便捷實用的高速切削實驗裝置。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的高速切削實驗裝置，包括動力機構(gòu)、切削機構(gòu)、固定機構(gòu)和收捕機構(gòu)，動力機構(gòu)、切削機構(gòu)、固定機構(gòu)和收捕機構(gòu)沿一軸線依次排布，動力機構(gòu)用于向切削機構(gòu)發(fā)射彈丸，通過彈丸撞擊切削機構(gòu)從而推動切削機構(gòu)的入射桿前行，隨著入射桿前行，入射桿前端設(shè)置的刀具切削固定機構(gòu)上固定的工件；收捕機構(gòu)用于抵擋前行的入射桿，使入射桿快速停止。
進一步，所述動力機構(gòu)包括輕氣槍、彈丸和加速身管，輕氣槍連接加速身管，彈丸從加速身管中發(fā)出；加速身管出口處設(shè)置有測量彈丸速度的激光測速器。進一步，所述輕氣槍的氣壓大小可控，以調(diào)整裝置的切削速度。進一步，所述入射桿架設(shè)在支撐座上，該支撐座上還設(shè)置有用于控制入射桿只在所述軸線方向移動的導(dǎo)向機構(gòu)。進一步，所述固定機構(gòu)上能夠?qū)ΨQ設(shè)置兩個工件，兩個工件之間的間距根據(jù)所需切削深度選擇；所述刀具具有對稱分布的兩個切削刃，對應(yīng)切削兩個工件。進一步，所述收捕機構(gòu)設(shè)置在所述固定機構(gòu)后部的正對所述入射桿位置，收捕機構(gòu)的質(zhì)量大于入射桿的質(zhì)量，收捕機構(gòu)為柱形桿或板或擋塊。進一步，所述收捕機構(gòu)的前端設(shè)置可伸縮的軸桿，軸桿上設(shè)置緩沖彈簧，收捕機構(gòu)后端同時設(shè)置緩沖器，以減小所述刀具撞擊收捕機構(gòu)給刀具帶來的沖擊。進一步，所述固定機構(gòu)上還設(shè)置有用于觀測工件切削過程的攝像裝置。進一步，所述刀具、工件和固定機構(gòu)上設(shè)置有用于檢測切削過程中切削力和切削溫度的傳感器。目前國內(nèi)尚無使用上述類似裝置進行高速切削實驗的案例，上述實驗裝置具有以下優(yōu)點
1、通過調(diào)節(jié)輕氣槍的氣壓大小可獲得很廣的切削速度，利用該裝置可進行切削速度高達200 m/min 2000 m/min的高速切削實驗，能滿足大多數(shù)材料的高速切削實驗要求。2、整個切削過程速度快、歷時短，加之沖擊能量遠大于切削所需能量，可視為穩(wěn)態(tài)過程。3、本實驗裝置可令刀具在切削過程中撞擊收捕機構(gòu)而快速停止，從而實現(xiàn)切削過程的瞬態(tài)凍結(jié)，進而捕獲高速切削瞬態(tài)圖像，便于觀測高速切削過程中材料損傷裂紋發(fā)展的不同階段，研究高速切削過程中材料損傷裂紋發(fā)展的歷程和機理。本發(fā)明安全可靠、便捷實用，可在刀具和工件及其夾持裝置上安裝傳感器，有利于高速切削過程中切削力和切削溫度等參數(shù)的測試。


圖1為切削裝置示意圖； 圖2為切削裝置的俯視圖。圖中主要元件說明1、輕氣槍；2加速身管；3 子彈；4、激光測速器；5、入射桿；6、 入射桿支座；7、刀具夾持裝置；8、刀具；9、工件夾持及高精度定位裝置；10、回收桿；11、緩沖器；12、工件；13、高精度升降臺；14、支座。
具體實施例方式本發(fā)明的整個實驗裝置基于Hopkinson壓桿加載技術(shù)搭建，主要包括輕氣槍1、 Hopkinson入射桿5、工件固定機構(gòu)9、回收桿10和緩沖器11，輕氣槍1連接加速身管2，加速身管2中容納彈丸3，通過輕氣槍1發(fā)射彈丸3為入射桿5的快速移動提供動力，入射桿
45架設(shè)在入射桿支座6上，在彈丸3的沖擊作用下可以沿入射桿支座6上設(shè)置的導(dǎo)向槽(圖中未示出)方向快速前行，由于入射桿支座6上設(shè)置有導(dǎo)向槽可以有效防止入射桿5在前行過程中發(fā)生晃動和偏轉(zhuǎn)。刀具8通過刀具夾持裝置7安裝于入射桿5的一端，刀具8設(shè)計為幾何對稱結(jié)構(gòu)，具有對稱分布的兩個切削刃。工件12安裝于入射桿5后部對稱分布的兩個工件夾持及高精度定位裝置9上，工件12的高度可以通過高精度升降臺13調(diào)節(jié)。工件夾持及高精度定位裝置9后部正對于入射桿的位置安放一回收桿10，其質(zhì)量要求遠大于入射桿5，為了防止刀具8撞擊回收桿10后給刀具8帶來沖擊破壞，回收桿10前端設(shè)置有可以伸縮的軸桿，軸桿上纏繞緩沖彈簧。為了進一步提高緩沖效果回收桿10后部還可選擇設(shè)置緩沖器11。工件12位置還可以設(shè)置攝像裝置以觀測工件的整個切削過程。整套裝置安裝于支座14上，安裝時保證加速身管2、入射桿5、回收桿10、刀具8及兩個工件12的對稱軸位于同一軸線上。實驗過程中彈丸3由輕氣槍1發(fā)射并經(jīng)加速身管2加速后撞擊入射桿 5，入射桿5受到彈丸3撞擊后將攜帶刀具8沿導(dǎo)向槽快速前行，并與對稱分布的兩個工件 12發(fā)生碰撞擠壓，從而實現(xiàn)高速切削。切削過程中刀具8通過與質(zhì)量較大的回收桿10發(fā)生正碰而瞬間停止，從而實現(xiàn)高速切削過程的瞬態(tài)凍結(jié)。試驗過程中彈丸3速度由設(shè)置在入射桿5前端的激光測速器4測定，基于動量及能量守恒原理可換算得到刀具運行速度。上述裝置所獲得的切削速度與輕氣槍高壓氣室的氣壓大小相關(guān)，高壓氣室的氣壓越大，獲取的切削速度就越高。
實施例1
整個裝置安裝于支座上，具體實施步驟如下
1.如圖1所示，將厚度為6 mm、前角0°、后角15°的刀具8通過刀具夾持裝置7安裝于 Φ13 mm的入射桿5的一端。入射桿則安放于導(dǎo)向槽6上，保證入射桿另一端正對于輕氣槍出口，且與槍口保持100 mm左右的間距。2.將兩個工件夾持及高精度定位裝置9沿輕氣槍和入射桿的軸線對稱安裝于高精度升降臺13上，安裝過程中保證二者的間距略大于刀具寬度且盡可能與刀具靠攏。加工兩個長60 mm、寬40 mm、厚4mm的工件并分別安裝于工件夾持及高精度定位裝置9上，調(diào)整高精度升降臺13使工件高度與刀具高度一致。逐步調(diào)節(jié)工件夾持及高精度定位裝置9，將兩個工件的切削厚度均設(shè)置為0. 1 mm。3.沿導(dǎo)向槽移動入射桿，使刀具與工件靠攏，調(diào)節(jié)回收桿位置，把切削長度控制在 10 mm左右。4.將300 mm長的子彈3塞入加速身管2內(nèi)，調(diào)節(jié)輕氣槍1的氣壓值，使其大小為 1. 5 MPa。5.輕氣槍發(fā)射。子彈經(jīng)發(fā)射加速后撞擊入射桿，入射桿攜帶刀具沿導(dǎo)向槽快速前行并與工件發(fā)生碰撞擠壓，從而實現(xiàn)高速切削。經(jīng)安裝于加速身管末端的激光測速器4測速顯示，子彈運行速度為M30 m/min。 由于該裝置中子彈重量300 g，刀具及入射桿整體重600 g，經(jīng)換算可得整個切削過程的切削速度為1600 m/min。實施例2
在保持實施例1中參數(shù)不變的情況下，調(diào)節(jié)輕氣槍1的氣壓值，使其大小為0. 8 MPa，最終可實現(xiàn)切削速度為880 m/min的切削實驗。
實施例3
在保持實施例1中參數(shù)不變的情況下，調(diào)節(jié)輕氣槍1的氣壓值，使其大小為0. 25 MPa, 最終可實現(xiàn)切削速度為200 m/min的切削實驗。需要指出的是本發(fā)明的各部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)和位置關(guān)系并不局限于以上實施例，也可以根據(jù)實際需要做出相應(yīng)調(diào)整。根據(jù)本發(fā)明具體實施方式
所做出的任何變形，均不脫離本發(fā)明的精神以及權(quán)利要求記載的范圍。
權(quán)利要求
1.基于霍普金森壓桿加載技術(shù)的高速切削實驗裝置，其特征在于，包括動力機構(gòu)、切削機構(gòu)、固定機構(gòu)和收捕機構(gòu)，動力機構(gòu)、切削機構(gòu)、固定機構(gòu)和收捕機構(gòu)沿一軸線依次排布， 動力機構(gòu)用于向切削機構(gòu)發(fā)射彈丸，通過彈丸撞擊切削機構(gòu)從而推動切削機構(gòu)的入射桿前行，隨著入射桿前行，入射桿前端設(shè)置的刀具切削固定機構(gòu)上固定的工件；收捕機構(gòu)用于抵擋前行的入射桿，使入射桿快速停止。
2.如權(quán)利要求1所述的高速切削實驗裝置，其特征在于，所述動力機構(gòu)包括輕氣槍、彈丸和加速身管，輕氣槍連接加速身管，彈丸從加速身管中發(fā)出；加速身管出口處設(shè)置有測量彈丸速度的激光測速器。
3.如權(quán)利要求2所述的高速切削實驗裝置，其特征在于，所述輕氣槍的氣壓大小可控，以調(diào)整裝置的切削速度。
4.如權(quán)利要求3所述的高速切削實驗裝置，其特征在于，所述入射桿架設(shè)在支撐座上， 該支撐座上還設(shè)置有用于控制入射桿只在所述軸線方向移動的導(dǎo)向機構(gòu)。
5.如權(quán)利要求4所述的高速切削實驗裝置，其特征在于，所述固定機構(gòu)上能夠?qū)ΨQ設(shè)置兩個工件，兩個工件之間的間距根據(jù)所需切削深度選擇；所述刀具具有對稱分布的兩個切削刃，對應(yīng)切削兩個工件。
6.如權(quán)利要求5所述的高速切削實驗裝置，其特征在于，所述收捕機構(gòu)設(shè)置在所述固定機構(gòu)后部的正對所述入射桿位置，收捕機構(gòu)的質(zhì)量大于入射桿的質(zhì)量，收捕機構(gòu)為柱形桿或板或擋塊。
7.如權(quán)利要求6所述的高速切削實驗裝置，其特征在于，所述收捕機構(gòu)的前端設(shè)置可伸縮的軸桿，軸桿上設(shè)置緩沖彈簧，收捕機構(gòu)后端同時設(shè)置緩沖器，以減小所述刀具撞擊收捕機構(gòu)給刀具帶來的沖擊。
8.如權(quán)利要求7所述的高速切削實驗裝置，其特征在于，所述固定機構(gòu)上還設(shè)置有用于觀測工件切削過程的攝像裝置。
9.如權(quán)利要求8所述的高速切削實驗裝置，其特征在于，所述刀具、工件和固定機構(gòu)上設(shè)置有用于檢測切削過程中切削力和切削溫度的傳感器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于霍普金森壓桿加載技術(shù)的高速切削實驗裝置，包括動力機構(gòu)、切削機構(gòu)、固定機構(gòu)和收捕機構(gòu)，動力機構(gòu)、切削機構(gòu)、固定機構(gòu)和收捕機構(gòu)沿一軸線依次排布，動力機構(gòu)用于向切削機構(gòu)發(fā)射彈丸，通過彈丸撞擊切削機構(gòu)從而推動切削機構(gòu)的入射桿前行，隨著入射桿前行，入射桿前端設(shè)置的刀具切削固定機構(gòu)上固定的工件；收捕機構(gòu)用于抵擋前行的入射桿，使入射桿快速停止。本發(fā)明的整個實驗裝置基于Hopkinson壓桿加載技術(shù)搭建，整個切削過程速度快、歷時短，加之沖擊能量遠大于切削所需能量，可視為穩(wěn)態(tài)過程，為獲得穩(wěn)態(tài)的切削過程提供前提。
文檔編號G01N3/58GK102175549SQ20111004960
公開日2011年9月7日 申請日期2011年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月2日
發(fā)明者關(guān)永軍, 凌中, 葉貴根, 戴蘭宏, 蔣敏強, 馬維 申請人:中國科學(xué)院力學(xué)研究所