CN102539265A

CN102539265A - 一种基于轻气炮加载技术的高速切削实验装置

Info

Publication number: CN102539265A
Application number: CN2012100313628A
Authority: CN
Inventors: 戴兰宏; 马维; 叶贵根; 凌中; 蒋敏强
Original assignee: Institute of Mechanics of CAS
Current assignee: Institute of Mechanics of CAS
Priority date: 2012-02-13
Filing date: 2012-02-13
Publication date: 2012-07-04

Abstract

本发明公开了一种基于轻气炮加载技术的高速切削实验装置，包括：轻气炮动力加载机构，用于推动切削机构以预定的速度沿预定的轨道飞行；切削机构，用于对待加工的工件进行高速切削；固定机构，用于固定待加工的工件；收捕机构，用于接收完成切削的所述切削机构；其中，轻气炮动力加载机构、切削机构、固定机构和收捕机构沿一轴线依次排布。本发明通过调节轻气炮的气压大小、炮弹质量或炮弹初始位置可获得很广的切削速度，利用该装置可进行切削速度高达30m/s～150m/s的高速切削实验，能满足大多数材料的高速切削实验要求。

Description

一种基于轻气炮加载技术的高速切削实验装置

技术领域

本发明属于金属切削领域，尤指一种基于轻气炮加载技术的高速正交切削实验装置。

背景技术

制造业是我国国名经济的支柱产业，其增加值约占我国国内生产总值(GDP)的40％以上，其中切削加工占了整个制造业总产值的15％，因此发展先进切削加工技术是启动我国经济新高潮的杠杆。高速切削可使切削力下降30％，加工效率提高3～5倍以上，被誉为20世纪机械制造业的一场技术革命。高速切削机理是高速切削技术应用和发展的理论基础，在高速切削技术应用中起着指导作用，占有十分重要的地位。但是，当前对高速切削理论的研究严重滞后于应用研究，至今仍有许多问题我们是知其然而不知其所以然，尚未形成比较完整的理论体系，这种状况已经成为制约我国高速切削技术发展的瓶颈。为了更好的理解高速切削机理，急需发展有效的实验装置来研究高速切削过程中的切屑变形行为及相关规律。

目前切削实验主要在车床上进行，车床加工所实现的切削速度一般在几米每秒，很难实现几十甚至几百米每秒的高速切削。要获得较高的切削速度，车床的主轴转速要求必须很高，但由于安全及技术原因，目前一般机床主轴转速都不是很高，最高在10000转/分钟左右。另外在车床加工中，工件的直径通常比较小，一般卧式车床允许工件的最大直径在400mm左右，这也使得利用车床加工所获取的线切削速度往往较低，很难达到高速切削所需的要求。再者，在主轴转速大范围改变的情况下车床加工往往会出现共震现象，导致机床剧烈颤震，从而难以获得稳态的高速切削过程。

最近也有人发展新的方法来实现稳态的高速切削。例如，专利文献(201110049605.6)公开了这样一种高速切削实验装置，该装置基于Hopkinson压杆加载技术搭建，它通过轻气枪发射弹丸撞击入射杆，从而推动入射杆携带刀具前行，进而切削固定的工件。这种切削装置是通过用小口径的轻气枪对刀具进行间接加载来实现的，很难达到极高的切削速度，只能实现5m/s-30m/s的正交切削。当要求实现更高速度(＞30m/s)的高速切削时，这种实验装置就不再适用了。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于轻气炮加载技术的高速切削实验装置，能够实现大于30m/s的稳态高速切削。

为实现上述目的，本发明的一种基于轻气炮加载技术的高速切削实验装置包括：

轻气炮动力加载机构，用于推动切削机构以预定的速度沿预定的轨道飞行；

切削机构，用于对待加工的工件进行高速切削；

固定机构，用于固定待加工的工件；

收捕机构，用于接收完成切削的所述切削机构；

其中，轻气炮动力加载机构、切削机构、固定机构和收捕机构沿一轴线依次排布。

进一步，所述轻气炮动力加载机构包括轻气炮和加速身管，轻气炮与加速身管相连。

进一步，所述切削机构包括炮弹和刀具，刀具通过固定装置安装于炮弹前端。

进一步，所述炮弹安装于所述加速身管内，经轻气炮加载后推动所述刀具在所述加速身管内加速并达到预定的飞行速度，最后从所述加速身管出口发射出去；所述炮弹在所述加速身管内沿一导向机构运行，以避免在飞行过程中发生晃动和偏转；在所述加速身管出口处设置有测量所述炮弹速度的激光测速器。

进一步，根据所述轻气炮的气压大小、炮弹质量及炮弹在加速身管内的初始位置调整所述刀具的切削速度。

进一步，所述固定机构上对称设置两个待加工的工件，两个待加工的工件之间的间距根据所需切削深度确定；所述刀具具有对称分布的两个切削刃，对应切削两个待加工的工件。

进一步，所述收捕机构设置在所述固定机构后部的正对所述加速身管出口位置，收捕机构为柱形腔体，内装缓冲材料。

进一步，所述固定机构上还设置有用于观测工件切削过程的摄像装置。

进一步，所述刀具、待加工的工件和固定机构上设置有用于检测切削过程中切削力和切削温度的传感器。

本发明具有以下优点：

1、通过调节轻气炮的气压大小、炮弹质量或炮弹初始位置可获得很广的切削速度，利用该装置可进行切削速度高达30m/s～150m/s的高速切削实验，能满足大多数材料的高速切削实验要求；

2、整个切削过程速度快、历时短，加之冲击能量远大于切削所需能量，可视为稳态过程；

3、本实验装置可通过安装高速摄像装置捕获高速切削瞬态图像，有助于研究高速切削相关机理；

4、本发明安全可靠、可在刀具和工件及其夹持装置上安装传感器，有利于高速切削过程中切削力和切削温度等参数的测试。

附图说明

图1为切削装置示意图；

图2为图1中A部的放大示意图；

图3为图1的俯视图。

图中主要元件说明：1、轻气炮；2、加速身管；3、子弹；4、刀具夹持装置；5、刀具；6、激光测速器；7、工件；8、工件夹持及高精度定位装置；9、高精度升降台；10、回收腔；11、支座。

具体实施方式

本发明的一种基于轻气炮加载技术的高速切削实验装置包括：轻气炮动力加载机构、切削机构、固定机构和收捕机构，轻气炮动力加载机构用于推动切削机构以30～150m/s的速度沿预定的轨道飞行；切削机构用于对待加工的工件进行高速切削；固定机构用于固定待加工的工件；收捕机构用于接收完成切削的所述切削机构；其中，轻气炮动力加载机构、切削机构、固定机构和收捕机构沿一轴线依次排布。

在本发明中轻气炮动力加载机构包括轻气炮和加速身管，轻气炮与加速身管相连；切削机构包括炮弹和刀具，刀具通过固定装置安装于炮弹前端。

下面结合附图进一步对本发明的各机构进行说明。

如图1、2、3所示，本发明的整个实验装置基于轻气炮加载技术搭建，主要包括可提供撞击速度达500m/s的轻气炮1，口径60mm，长6m的加速身管2、炮弹3、刀具5、工件固定机构7和回收腔10。轻气炮1与加速身管2可通过滑轮机构(图中未示出)自由地连接与分离，切削前分离轻气炮1和加速身管2可便于调整炮弹3在加速身管2中的位置，切削过程中则连接轻气炮1与加速身管2实现对炮弹的密闭加载。

加速身管2中容纳炮弹3，通过轻气炮1发射炮弹3，炮弹3推动刀具5在加速身管2中沿导向槽(图中未示出)快速前行，由于炮弹3和加速身管2之间设置有导向槽可以有效防止炮弹3在前行过程中发生晃动和偏转。

刀具5通过刀具夹持装置4安装于炮弹3的前端，刀具5设计为几何对称结构，具有对称分布的两个切削刃。工件7安装于加速身管2出口处对称分布的两个工件夹持及高精度定位装置8上，工件7的高度可以通过高精度升降台9调节。

工件夹持及高精度定位装置8后部位置安放一回收腔10，其内填装橡胶等缓冲材料，用于回收刀具5和炮弹3。工件7位置还可以设置高速摄像装置用以观测工件的整个切削过程。

整套装置安装于支座11上，安装时保证加速身管2、炮弹3、刀具5及两个工件7的对称轴水平并位于同一轴线上。

实验过程中炮弹3由轻气炮1发射并经加速身管2加速后携带刀具5快速飞行，并与对称分布的两个工件7发生碰撞挤压，从而实现高速切削。

切削完成后炮弹3和刀具5通过撞击回收腔10内的缓冲材料而被回收。试验过程中刀具5和炮弹3的速度由设置在加速身管2出口处的激光测速器6测定。

上述装置所获得的切削速度与轻气炮高压气室的气压大小、炮弹质量及炮弹位置相关，高压气室的气压越大、炮弹的质量越小或者炮弹在加速身管中的加速距离越长，获取的切削速度就越高。

实施例1

整个装置安装于支座上，具体实施步骤如下：

如图1、2所示，将厚度为6mm、前角0°、后角15°的刀具5通过刀具夹持装置4安装于质量为1kg的铝制炮弹3的前端，并将其安置于加速身管2出口处，使刀具5探出加速身管2以便于调节工件7与刀具5的相对位置(切削深度)。

将两个工件夹持及高精度定位装置8沿加速身管轴线对称安装于高精度升降台9上，安装过程中保证二者的间距略大于刀具宽度。加工两个长40mm、宽30mm、厚2mm的工件并分别安装于工件夹持及高精度定位装置8上，调整高精度升降台9使工件高度与刀具高度一致。逐步调节工件夹持及高精度定位装置8，将两个工件的切削厚度均设置为0.1mm。

将炮弹3移动至距离加速身管2出口1米处，连接轻气炮1和加速身管2，调节轻气炮1的气压值，使其大小为1MPa。

轻气炮1发射。炮弹3经发射后携带刀具5在加速身管2内沿导向槽快速前行并在加速身管2出口处与工件7发生碰撞挤压，从而实现正交高速切削。

经安装于加速身管2末端的激光测速器6测速显示，刀具最终的飞行速度为34m/s。

实施例2

在保持实施例1中参数不变的情况下，改变炮弹3在加速身管2中的初始位置，使其距离加速身管2出口6米，最终可实现切削速度为85m/s的切削实验。

实施例3

在保持实施例2中参数不变的情况下，调节轻气枪1的气压值，使其大小为2.5MPa，最终可实现切削速度为160m/s的切削实验。

需要指出的是本发明的各部件的结构参数和位置关系并不局限于以上实施例，也可以根据实际需要做出相应调整。根据本发明具体实施方式所做出的任何变形，均不脱离本发明的精神以及权利要求记载的范围。

Claims

1.一种基于轻气炮加载技术的高速切削实验装置，其特征在于，包括：

切削机构，用于对待加工的工件进行高速切削；

固定机构，用于固定待加工的工件；

收捕机构，用于接收完成切削的所述切削机构；

2.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述轻气炮动力加载机构包括轻气炮和加速身管，轻气炮与加速身管相连。

3.如权利要求2所述的实验装置，其特征在于，所述切削机构包括炮弹和刀具，刀具通过固定装置安装于炮弹前端。

4.如权利要求3所述的实验装置，其特征在于，所述炮弹安装于所述加速身管内，经轻气炮加载后推动所述刀具在所述加速身管内加速并达到预定的飞行速度，最后从所述加速身管出口发射出去；所述炮弹在所述加速身管内沿一导向机构运行，以避免在飞行过程中发生晃动和偏转；在所述加速身管出口处设置有测量所述炮弹速度的激光测速器。

5.如权利要求4所述的实验装置，其特征在于，根据所述轻气炮的气压大小、炮弹质量及炮弹在加速身管内的初始位置调整所述刀具的切削速度。

6.如权利要求3所述的实验装置，其特征在于，所述固定机构上对称设置两个待加工的工件，两个待加工的工件之间的间距根据所需切削深度确定；所述刀具具有对称分布的两个切削刃，对应切削两个待加工的工件。

7.如权利要求2所述的实验装置，其特征在于，所述收捕机构设置在所述固定机构后部的正对所述加速身管出口位置，收捕机构为柱形腔体，内装缓冲材料。

8.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述固定机构上还设置有用于观测工件切削过程的摄像装置。

9.如权利要求3所述的实验装置，其特征在于，所述刀具、待加工的工件和固定机构上设置有用于检测切削过程中切削力和切削温度的传感器。