CN103163038A - 电磁驱动高速切削模拟实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁驱动高速切削实验装置，包括动力机构、切削机构和固定机构，动力机构用于产生电磁推力，带动切削机构高速运动，使刀具切削固定机构上固定的工件，动力机构上的缓冲垫和铝合金端部挡块使刀具快速停止。本发明的整个实验装置基于电磁驱动技术搭建，经济环保，稳定性好，可达到很高的切削速度，并且切削速度可调，加装高速相机，可对高速切削切削过程进行图像处理分析。通过与激光测速仪、测力仪等仪器配合，能满足多种材料的高速切削实验需求。

Description

电磁驱动高速切削模拟实验装置

技术领域

本发明属于金属切削领域，尤其涉及一种电磁驱动高速切削模拟实验装置。

背景技术

高速切削加工以高效率、高精度和高表面质量为基本特征，在汽车工业、航空航天、模具制造和仪器仪表等行业中获得了越来越广泛的应用，是当代先进制造技术的重要组成部分。

高速切削机理是高速切削技术发展的基础，而高速切削实验是进行高速切削加工技术研究的一个重要手段。通过高速切削实验，不但可以揭示高速切削过程中被加工材料的变形行为及相关规律，还可以对高速切削理论预测结果和有限元模拟仿真结果进行验证。

为了获得高的切削线速度，目前的高速切削实验通常在车床上采用大直径工件，通过正交切削（即直角切削）加工方法来完成，由于受到机床主轴最大转速和工件动平衡的限制，较难达到理想的高切削线速度。再者，高速切削实验研究一般要求对工件在不同切削速度下的材料变形行为进行分析。然而，利用车床进行高速切削实验，在主轴转速大范围改变的情况下往往会出现共振现象，难以获得稳定的高速切削过程。此外，“冻结”获取高速切削过程的瞬态切屑是高速切削机理研究的关键，然而在高速车削过程中工件的转动惯性极大，很难让工件与机床主轴瞬间停止转动，从而难于捕获高速切削瞬间产生的切屑。

因此，一些学者开始采用新的装置来实现稳定的高速切削。例如，中国专利文献（201110049605.6）公开了一种基于霍普金森压杆加载技术的高速切削实验装置，这种切削装置通过用小口径轻气枪对刀具进行间接加载，其能量有限，很难达到极高的切削速度，而且轻气枪被国家禁止销售和使用，因此此装置不适用于一般的科学研究；中国专利文献（201210031362.8）公开了一种基于轻气炮加载技术的高速切削实验装置，该装置同样是对刀具进行间接加载，虽然能够实现很高的切削速度，但也存在设备复杂，安全隐患高，实验成本过高的问题；中国专利文献（201110308593.4）公开了一种爆炸式高速切削装置，其原理是利用火药爆炸产生的强大气体压力来驱动刀杆带动刀片高速撞击工件，这种装置结构简单、成本低，但是不能控制切削速度的大小，而且使用火药时存在一定的安全隐患。因此，研制经济环保、安全可靠的高速切削实验装置就成为当今开展高速切削实验研究的一个迫切需求。

发明内容

本发明提供一种电磁驱动高速切削模拟实验装置，它具有速度高，安全可靠、经济环保等优点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种电磁驱动高速切削实验装置，包括动力机构、切削机构和固定机构，所述动力机构包括依次连接的电磁驱动器、电容器组、直流整流器和调压变压器，所述切削机构包括刀具夹持装置和安装在其上的刀具，所述固定机构包括支撑框架、支座、固定箍套和工件夹持及定位装置，所述动力机构的电磁驱动器通过固定箍套固定在支座上，所述刀具夹持装置安装在电磁驱动器内铝合金杆的一端。

所述电磁驱动器包括依次连接的铝合金杆端部挡块、缓冲垫、铝合金杆，所述铝合金杆上依次套有第一轴承、若干间隔的铁环电磁装置和第二轴承，所述若干铁环电磁装置的外面设有保护外壳，所述铁环电磁装置包括软铁环、亚克力管和电磁线圈，其中软铁环嵌在铝合金杆上，所述电磁线圈环绕在亚克力管的外围，电磁线圈与软铁环之间通过亚克力管实现间隔、定位和绝缘，所述保护外壳两端的铝合金杆上设有第一轴承和第二轴承。

所述动力机构的电磁驱动器通过放电线路连接电容器组，所述电容器组通过充电线路连接直流整流器，所述直流整流器通过连接线连接调压变压器，所述调压变压器设有插头。

所述支座安装在支撑框架上，所述工件夹持及定位装置固定在支座上，所述工件固定在工件夹持及定位装置上。

所述动力机构用于产生电磁推力以带动切削机构高速运动，带动刀具切削工件夹持及定位装置上的工件；所述动力机构上的缓冲垫和铝合金端部挡块用于使刀具快速停止。

所述动力机构的调压变压器连接电压为220V的单相交流电，能在0～660V范围内连续调节输出电压，通过改变输出电压的大小调节装置的切削速度，如需要更高的切削速度，则更改调压变压器即可。所述电容器组包括若干个电容器，每个电容器与电磁驱动器中的若干个电磁线圈一一对应。电磁线圈之间相互独立，通过开启/关闭部分电磁线圈来调节装置的切削速度。

所述切削机构的刀具夹持装置与铝合金杆之间为螺纹连接。

所述刀具、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。

本发明的工作原理：

本发明是利用电磁感应原理将电能转换成动能的实验装置。实验过程中，根据实验所要实现的切削速度，调压变压器首先对电压为220V的单相交流电进行调节，使输出电压达到所需要的数值，输出电压经直流整流器整流后给电容器组充电，充电完成后，充电电路关闭，放电电路使各个电容器同时向各自对应的电磁线圈放电，电磁线圈与软铁环之间的电磁感应将电能转化为动能，使得软铁环带动铝合金杆高速运动，刀具与对称分布的两个工件发生碰撞挤压，从而实现高速切削。切削过程中缓冲垫和铝合金杆端部挡块与保护外壳正碰而使刀具瞬间停止，从而实现高速切削过程的瞬态冻结。电流脉冲将持续数个毫秒，其能量足以使装置达到很高的切削速度。

本发明的有益效果：

1、通过调节电压或者控制电磁线圈的闭合可获得很广的切削速度范围，利用该装置可进行切削速度高达15～50m/s的高速切削模拟实验，能满足大多数材料的高速切削实验要求。如需要更高的切削速度，则更改调压变压器即可；

2、采用电能做为能源驱动，安全可靠，成本低，无污染；

3、电容器放电时间短，刀具切削速度快，冲击能量远大于切削所需能量，可视为稳态过程；

4、本实验装置可使刀具在切削过程中因放电结束及铝合金杆端部挡块撞击保护外壳而快速停止，从而实现切削过程的瞬态冻结，进而捕获高速切削瞬态切屑，便于观测高速切削过程中材料变形或损伤裂纹发展的不同阶段，研究高速切削过程中材料变形规律或损伤裂纹发展的历程和机理；

5、本发明电磁能量可调、稳定性好、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，配置高速相机，可对高速切削过程进行图像分析处理。配合激光测速仪，可满足多种材料的高速切削实验需求；

6本发明的软铁环与电磁线圈的位置不同于现有技术，现有技术的软铁环与电磁线圈是完全吻合的，通电后，电能转换成热能，而本发明的目的是将电能转换成动能，而且，软铁环与电磁线圈之间通过亚克力管间隔和定位。

附图说明

图1为高速切削实验装置示意图；

图2为电磁驱动器示意图；

其中：1、支撑框架；2、支座；3、铝合金杆端部挡块；4、缓冲垫；5、铝合金杆；6、固定箍套；7、电磁驱动器；8、刀具夹持装置；9、刀具；10、工件；11、工件夹持及定位装置；12、放电线路；13、电容器组；14、插头；15、调压变压器；16、直流整流器；17、连接线；18、充电线路；19、第一轴承；20、软铁环；21、亚克力管；22、电磁线圈；23、保护外壳；24、第二轴承。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种电磁驱动高速切削实验装置，包括动力机构、切削机构和固定机构，所述动力机构包括依次连接的电磁驱动器7、电容器组13、直流整流器16和调压变压器15，所述切削机构包括刀具夹持装置8和安装在其上的刀具9，所述固定机构包括支撑框架1、支座2、固定箍套6和工件夹持及定位装置11，所述动力机构的电磁驱动器7通过固定箍套6固定在支座2上，支座2通过支撑框架1固定在墙壁上，所述刀具夹持装置8安装在铝合金杆5的一端。

所述电磁驱动器7包括铝合金杆端部挡块3、缓冲垫4、铝合金杆5，缓冲垫4套在铝合金杆5上，铝合金杆端部挡块3与铝合金杆5为一体结构，可使运动中的刀具9快速停止；所述铝合金杆5上依次套有第一轴承19、若干的铁环电磁装置和第二轴承24，所述若干铁环电磁装置的外面设有保护外壳23，所述铁环电磁装置包括软铁环20、亚克力管21和电磁线圈22，其中软铁环嵌在铝合金杆5上，电磁线圈22与软铁环20之间通过亚克力管21实现定位和绝缘，所述铝合金杆5通过第一轴承19和第二轴承24实现保护外壳23的支撑。

所述动力机构的电磁驱动器7通过放电线路12连接电容器组13，所述电容器组13通过充电线路18连接直流整流器16，所述直流整流器16通过连接线17连接调压变压器15，所述调压变压器15设有插头14。直流整流器16将交流电转换为同等电压的直流电，直流整流器16通过充电线路18给电容器组13内的若干个电容器充电，每个电容器通过放电线路12连接着电磁驱动器7中对应的电磁线圈22，每个电容器的容量为8mF。

所述支座2安装在支撑框架1上，所述工件夹持及定位装置11固定在支座2上，工件10安装在铝合金杆5后部对称分布的两个工件夹持及定位装置11上。

所述动力机构用于产生电磁推力以带动切削机构高速运动，带动刀具切削工件夹持及定位装置11上的工件10；所述动力机构上的缓冲垫4和铝合金端部挡块3用于使刀具9快速停止。

所述动力机构的调压变压器15通过插头14连接电压为220V的单相交流电，能在0～660V范围内连续调节输出电压，通过改变输出电压的大小调节装置的切削速度。

所述电容器组13包括若干个电容器，每个电容器与电磁驱动器7中的若干个电磁线圈22一一对应。电磁线圈22之间相互独立，通过开启/关闭部分电磁线圈22来调节装置的切削速度。

所述切削机构的刀具夹持装置8与铝合金杆5之间为螺纹连接。

所述刀具9、工件10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。

所述刀具9具有对称分布的两个切削刃。安装时保证铝合金杆5、刀具夹持装置8、刀具9及两个工件10的对称轴位于同一轴线上。

本发明是利用电磁感应原理将电能转换成动能的实验装置。实验过程中，根据实验所要实现的切削速度，调压变压器15首先对电压为220V的单相交流电进行调节，使输出电压达到所需要的数值，输出电压经直流整流器16整流后给电容器组13充电，充电完成后，充电电路18关闭，放电电路12使各个电容器同时向各自对应的电磁线圈22放电，电磁线圈22与软铁环20之间的电磁感应将电能转化为动能，使得软铁环20带动铝合金杆5高速运动，刀具9与对称分布的两个工件10发生碰撞挤压，从而实现高速切削。切削过程中缓冲垫4和铝合金杆端部挡块3与保护外壳23正碰而使刀具9瞬间停止，从而实现高速切削过程的瞬态冻结。电流脉冲将持续数个毫秒，其能量足以使装置达到很高的切削速度。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种电磁驱动高速切削实验装置，包括动力机构、切削机构和固定机构，其特征是，所述动力机构包括依次连接的电磁驱动器、电容器组、直流整流器和调压变压器，所述切削机构包括刀具夹持装置和安装在其上的刀具，所述固定机构包括支撑框架、支座、固定箍套和工件夹持及定位装置，所述支座安装在支撑框架上，所述工件夹持及定位装置固定在支座上，所述动力机构的电磁驱动器通过固定箍套固定在支座上，所述刀具夹持装置安装在电磁驱动器内的铝合金杆的一端。

2.如权利要求1所述的一种电磁驱动高速切削实验装置，其特征是，所述电磁驱动器包括依次连接的铝合金杆端部挡块、缓冲垫、铝合金杆，所述铝合金杆上依次套有第一轴承、若干间隔的铁环电磁装置和第二轴承，所述若干铁环电磁装置的外面设有保护外壳，所述铁环电磁装置包括软铁环、亚克力管和电磁线圈，其中软铁环嵌在铝合金杆上，所述电磁线圈环绕在亚克力管的外围，电磁线圈与软铁环之间通过亚克力管实现间隔、定位和绝缘，所述保护外壳两端的铝合金杆上设有第一轴承和第二轴承。

3.如权利要求1所述的一种电磁驱动高速切削实验装置，其特征是，所述动力机构的电磁驱动器通过放电线路连接电容器组，所述电容器组通过充电线路连接直流整流器，所述直流整流器通过连接线连接调压变压器，所述调压变压器设有插头。

4.如权利要求1所述的一种电磁驱动高速切削实验装置，其特征是，所述动力机构用于产生电磁推力以带动切削机构高速运动，带动刀具切削工件夹持及定位装置上的工件；所述动力机构上的缓冲垫和铝合金端部挡块用于使刀具快速停止。

5.如权利要求1所述的一种电磁驱动高速切削实验装置，其特征是，所述动力机构的调压变压器连接电压为220V的单相交流电，能在0～660V范围内连续调节输出电压，通过改变输出电压的大小调节装置的切削速度。

6.如权利要求1所述的一种电磁驱动高速切削实验装置，其特征是，所述电容器组包括若干个电容器，每个电容器与电磁驱动器中的若干个电磁线圈一一对应；电磁线圈之间相互独立，通过开启/关闭部分电磁线圈来调节装置的切削速度。

7.如权利要求1所述的一种电磁驱动高速切削实验装置，其特征是，所述切削机构的刀具夹持装置与铝合金杆之间为螺纹连接。

8.如权利要求4所述的一种电磁驱动高速切削实验装置，其特征是，所述刀具、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。

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