CN104515714A - 一种高速高温液压可调载的刀-屑摩擦装置及摩擦测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高速高温液压可调载的刀-屑摩擦装置及摩擦测量方法，属于高速切削技术领域。该摩擦装置包括摩擦执行组件和液压组件，其中摩擦执行组件包括液压缸、砂轮、盘型摩擦件和测力仪；所述盘型摩擦件端面上设置有砂轮，液压缸设置在测力仪上，刀具材料棒的一端设置在液压缸的活塞杆上，另一端与盘型摩擦件之间留有预设距离；所述液压组件为液压缸提供0～10MPa的驱动压力。通过测力仪测出刀具材料棒与盘型摩擦件之间的摩擦因数，通过热电偶测局部点温度，并通过热传导有限元计算模型建立测量点温度与摩擦端面温度的关系，从而推算得到摩擦端面温度。本发明可实现对高速切削刀-屑摩擦的高速、高温和变载荷工况的模拟和测试，具有高效低振动的特点。

Description

一种高速高温液压可调载的刀-屑摩擦装置及摩擦测量方法

技术领域

本发明涉及一种摩擦实验装置及摩擦测量方法，具体涉及一种高速高温液压可调载的刀-屑摩擦装置及摩擦测量方法，属于高速切削技术领域。

背景技术

切削加工是材料除料加工的主流技术之一，高速是其重要发展方向。随着材料、信息和微电子等新技术应用其中，促进了大功率高速电主轴、高性能进给系统和超硬耐磨耐热刀具材料等关键技术的突破，使高速切削在德国、日本和中国等制造业先进国家得到迅速发展，在装备制造、航空航天业和模具等行业获得广泛应用。

高速切削技术的实现和广泛应用唤起人们对高速切削机理的深入探讨，刀-屑摩擦是高速切削机理最重要组成部分之一，未知未明地方有许多，摩擦因数同切削速度、载荷、接触面积和摩擦端面温度等影响因素之间的相关性机理就是其中一个核心问题，但研究该机理的高速摩擦实验装置一直缺乏，需要自主设计。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种高速高温液压可调载的刀-屑摩擦装置及摩擦测量方法，能够满足高速切削过程中高速和高温工况、降低高速摩擦实验过程的振动、提供可调节载荷、获得刀具材料棒受到的轴向力、径向力以及摩擦界面温度。

一种高速高温液压可调载的刀-屑摩擦装置，该摩擦装置包括摩擦执行组件和液压组件，其中摩擦执行组件包括液压缸、砂轮、盘型摩擦件和测力仪；

所述盘型摩擦件安装在车床的三爪卡盘上，其端面设置有砂轮，液压缸设置在测力仪上，刀具材料棒的一端设置在液压缸的活塞杆上，另一端与盘型摩擦件之间留有预设距离；

所述液压组件为液压缸提供0～10MPa的驱动压力。

所述液压组件包括气囊式蓄能器、压力表、先导式溢流阀、液压泵、油箱和三位四通换向阀；

其中，气囊式蓄能器与三位四通换向阀的A口相连，三位四通换向阀的P口引出后分成两路，一路连接先导式溢流阀的进口，另一路连接液压泵，三位四通换向阀的T口连接油箱，在气囊式蓄能器和三位四通换向阀的A口之间还设置有压力表；三位四通换向阀的A口和B口还分别与液压缸中活塞两侧的腔体连通。

所述刀具材料棒的外表面设置有聚氨酯轴套。

所述刀具材料棒的圆周面上沿径向加工有微孔，微孔内设置有热电偶。

所述刀具材料棒与盘型摩擦件之间的预设距离为1mm；液压缸调节刀具材料棒与盘型摩擦件之间的压力为50N～500N。

所述液压缸通过安装卡套设置在测力仪上，所述安装卡套为L形结构，其长边侧面上加工有安装槽；液压缸设置在安装卡套的安装槽内，安装卡套的短边端面设置在测力仪上。

一种高速高温液压可调载的刀-屑摩擦测量方法，该摩擦测量方法的具体步骤如下：

步骤S1：盘型摩擦件高速旋转，液压泵开始工作，三位四通换向阀的左位联通驱动液压缸进给；

步骤S2：刀具材料棒的端面与盘型摩擦件接触并产生摩擦，所述端面记为摩擦端面；

步骤S3：当压力表显示的压力达到要求时，三位四通换向阀的中位联通，气囊式蓄能器开始工作维持液压缸的压力稳定；

步骤S4：测力仪测出刀具材料棒在所述压力作用下受到的轴向力和径向力大小，并与压力表显示的压力进行对比，得到刀具材料棒与盘型摩擦件之间的摩擦因数；

步骤S5：热电偶测量出微孔底部处温度，结合有限元热传导模型，获得刀具材料棒的摩擦端面与盘型摩擦件接触面积时热电偶测量点处温度与摩擦端面温度之间的关系，进而推算得到摩擦端面的温度；

步骤S6：三位四通换向阀的右位联通，液压缸收缩，刀具材料棒的摩擦端面与盘型摩擦件分离，摩擦实验结束。

有益效果：

(1)本发明采用刀具材料棒与高速旋转的盘型摩擦件接触并产生摩擦，来模拟实际高速切削刀-屑摩擦的高速和变载荷工况。由于盘型摩擦件直径大，同等转速下其线速度高，因此能够在其边缘处得到很高的线速度，从而实现对高速刀-屑摩擦工况的模拟；此外通过液压组件驱动液压缸实现刀具材料棒的进给，能够在50N～500N范围内实现载荷可调，既能实现高线速度所引起摩擦载荷模拟，也能实现对进给速度和切削深度所引起不同摩擦载荷的模拟。

(2)本发明的液压组件可实现摩擦执行组件的低振动，采用气囊式蓄能器具有惯性小、反应灵敏的优点，能够有效的吸收摩擦执行组件在高速摩擦状态下产生的高频振动，从而起到缓冲保压作用，使得刀具材料棒与盘型摩擦件之间的压力可以在高速高温的条件下保持稳定，为准确的测量出摩擦力与温度提供保障。

(3)本发明可实现对高速切削刀-屑的高温工况进行模拟，并采用热电偶测局部点温度，用热传导有限元计算模型建立摩擦界面温度与测量点温度的关系，从而推算出摩擦端面温度，通过这种间接测量方法解决了实际刀具摩擦界面温度难获取问题。

(4)本发明的摩擦测量方法能够可靠有效地得到刀具材料棒受到的轴向力和径向力以及摩擦界面温度，测量过程简单可靠；还能够有效提高测量效率，当一次摩擦测量完毕后，只需调节溢流阀的溢流初始压力就可改变摩擦装置的实际加载压力，从而得到多组不同的相关数据，简化多次实验的流程；当刀具材料棒摩擦表面因为长时间工作而出现缺陷时，可直接通过砂轮进行打磨，从而保证刀具材料棒摩擦端面良好的工作状态，免除更换刀具材料棒的时间和费用，有效提高实验效率和测量效率。

附图说明

图1是本发明摩擦装置的整体轴测图。

图2是本发明摩擦装置中摩擦执行组件的轴测图。

图3是本发明摩擦装置中摩擦执行组件的局部剖视图。

图4是本发明摩擦装置中液压组件的轴测图。

图5是本发明摩擦装置中液压组件的原理图。

图6是本发明摩擦装置中摩擦执行组件的局部放大图。

图7是本发明摩擦温度测量原理图。

图8是本发明刀具材料棒热传导有限元计算模型。

图9是本发明摩擦测量方法的流程图。

其中，1-摩擦执行组件、2-液压组件、3-气囊式蓄能器、4-压力表、5-先导式溢流阀、6-液压泵、7-油箱、8-三位四通换向阀、9-液压缸、10-刀具材料棒、11-安装卡套、12-砂轮、13-盘型摩擦件、14-聚氨酯轴套、15-测力仪、16-热电偶。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如附图1所示，本发明提供了一种高速高温液压可调载的摩擦装置，该摩擦装置包括摩擦执行组件1和液压组件2，其中液压组件2能够为摩擦执行组件1提供0～10MPa稳定可调节的压力，并且通过优化液压组件2后，能够有效地减少实际加载过程中产生的振动，保证加载时的准确性和稳定性，从而确保该摩擦装置的可靠性。摩擦执行组件1通过对刀-屑运动形式的转换以及刀具摩擦温度测量方法的改进，准确地模拟出实际刀-屑摩擦的不同工况，并准确地搜集轴向力、径向力和温度等数据。

如附图2和3所示，摩擦执行组件1包括液压缸9、安装卡套11、砂轮12、盘型摩擦件13、聚氨酯轴套14和测力仪15，其中安装卡套11为L形结构，其长边侧面上加工有安装槽，测力仪15选用Kistlor 9257B测力仪。

所述液压缸9通过紧定螺钉径向固定于安装卡套11的安装槽中，用内六角螺栓把安装卡套11的短边端面与测力仪15联接，测力仪15被专门的卡具固定于机床刀塔上。

砂轮12同轴设置在盘型摩擦件13的端面上，刀具材料棒10与聚氨酯轴套14配合，即聚氨酯轴套14配合套装在刀具材料棒10的外表面，刀具材料棒10的一端嵌套在液压缸9的活塞杆中心孔中并用紧定螺钉加以固定，另一端端面与盘型摩擦件13的表面相接触。通过液压缸9使得刀具材料棒10所述端面与盘型摩擦件13之间的压力在50N～500N之间可调，以满足实际刀-屑摩擦不同压力的要求。当一次摩擦过程结束后或刀具材料棒10的摩擦面不够平滑时，直接用砂轮12对刀具材料棒10摩擦面进行打磨从而快速的进行下一次摩擦实验，从而减少更换刀具材料棒10的时间，提高整个摩擦装置的工作效率。

上述中，测力仪15能够测出刀具材料棒10与盘型摩擦件13之间的轴向力和径向力，从而可计算出刀具材料棒10与盘型摩擦件13之间的摩擦因数。

如附图4和5所示，液压组件2包括气囊式蓄能器3、压力表4、先导式溢流阀5、液压泵6、油箱7和三位四通换向阀8，该液压组件2为改进的液压保压组件，能够提供稳定可调节的压力。

所述气囊式蓄能器3和液压泵6设置在油箱7相对的侧面上，先导式溢流阀5和三位四通换向阀8设置在油箱7的顶面上。气囊式蓄能器3与三位四通换向阀8的A口相连，三位四通换向阀8的P口引出后分成两路，一路连接先导式溢流阀5的进口，另一路连接液压泵6，三位四通换向阀8的T口连接油箱7，在气囊式蓄能器3和三位四通换向阀8的A口之间还设置有压力表4。三位四通换向阀8的A口和B口还分别与液压缸9中活塞两侧的腔体连通。

所述液压组件2的工作原理如下：

当三位四通换向阀8的左位联通时，液压泵6驱动液压缸9进给，能够为液压缸9提供的0～10MPa驱动压力；当三位四通换向阀8位于中位时，液压缸9保持稳定压力，并由压力表4显示其大小，通过蓄能器3吸收摩擦装置在高速摩擦状态下的振动，并补偿液压缸9泄漏的液压油，使得加载过程更加平稳可靠；当三位四通换向阀8位于右位时，液压缸9的活塞杆退出摩擦。

如附图6、7和8所示通过在刀具材料棒10的圆周面上径向打一个φ0.6mm的微孔，并在微孔内设置K型的热电偶16，即可获得刀具材料棒10测量点温度T_A，建立刀具材料棒10摩擦端面与盘型摩擦件13接触时的热传导有限元计算模型，获取摩擦端面温度T_B和测量点温度T_A之间的关系，进而推算出摩擦端面温度T_B，解决实际刀-屑摩擦端面温度难获取问题。

本发明的工作过程如下：

在摩擦过程开始之前，用三爪卡盘将盘型摩擦件13和砂轮12固定于车床主轴上，用专门夹具将测力仪15将固定于车床刀塔上，调整机床进给机构将刀具材料棒10的一端与盘型摩擦件13之间距离控制在1mm左右。摩擦开始时，启动车床带动盘型摩擦件13高速旋转，启动电机带动液压泵6工作旋转。其中，车床主轴、刀塔和进给系统均为外围设备。

高压液压油将输送给三位四通换向阀8，同时通过先导式溢流阀5的调压来控制液压泵6输送给三位四通换向阀8液压油的压力大小。三位四通换向阀8的左位联通，高压液压油驱动液压缸9进给，此时刀具材料棒10的一端将会和盘型摩擦件13摩擦，观察压力表4的示数变化。当压力表4示数达到要求时，将三位四通换向阀8的中位接通，这时气囊式蓄能器3开始工作以确保液压缸9保持稳定压力。

摩擦执行组件2中的测力仪15将测出刀具材料棒10所受的径向力和轴向力。同时K型的热电偶16测出刀具材料棒10测量点温度T_A，用热传导有限元计算模型获取摩擦界面温度与测量点温度的关系，从而获得摩擦界面温度T_B。当一次摩擦过程结束后，将三位四通换向阀8的右位接通，液压缸9收缩，刀具材料棒10与盘型摩擦件13分离，关闭电机，停止机床的运作，即结束。

如附图9所示，本发明还提高一种高速高温液压可调载的刀-屑摩擦测量方法，该摩擦测量方法具体步骤如下：

步骤S1：盘型摩擦件13高速旋转，液压泵6开始工作，三位四通换向阀8的左位联通驱动液压缸9进给；

步骤S2：刀具材料棒10的端面与盘型摩擦件13接触并产生摩擦，所述端面记为摩擦端面；

步骤S3：当压力表4显示的压力达到要求时，三位四通换向阀8的中位联通，气囊式蓄能器3开始工作维持液压缸9的压力稳定；

步骤S4：测力仪15测出刀具材料棒10在所述压力作用下受到的轴向力和径向力大小，并与压力表4显示的压力进行对此，得到刀具材料棒10与盘型摩擦件13之间的摩擦因数；

步骤S5：热电偶16测量出微孔底部处温度，结合有限元热传导模型，获得刀具材料棒10的摩擦端面与盘型摩擦件13接触时热电偶16测量点处温度，与摩擦端面温度之间的关系，进而推算得到摩擦端面的温度；

步骤S6：三位四通换向阀8的右位联通，液压缸9收缩，刀具材料棒10的摩擦端面与盘型摩擦件13分离，则结束。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高速高温液压可调载的刀-屑摩擦装置，其特征在于，该摩擦装置包括摩擦执行组件(1)和液压组件(2)，其中摩擦执行组件(1)包括液压缸(9)、砂轮(12)、盘型摩擦件(13)和测力仪(15)；

所述盘型摩擦件(13)安装在车床的三爪卡盘上，其端面设置有砂轮(12)，液压缸(9)设置在测力仪(15)上，刀具材料棒(10)的一端设置在液压缸(9)的活塞杆上，另一端与盘型摩擦件(13)之间留有预设距离；

所述液压组件(2)为液压缸(9)提供0～10MPa的驱动压力。

2.如权利要求1所述的高速高温液压可调载的刀-屑摩擦装置，其特征在于，所述液压组件(2)包括气囊式蓄能器(3)、压力表(4)、先导式溢流阀(5)、液压泵(6)、油箱(7)和三位四通换向阀(8)；

其中，气囊式蓄能器(3)与三位四通换向阀(8)的A口相连，三位四通换向阀(8)的P口引出后分成两路，一路连接先导式溢流阀(5)的进口，另一路连接液压泵(6)，三位四通换向阀(8)的T口连接油箱(7)，在气囊式蓄能器(3)和三位四通换向阀(8)的A口之间还设置有压力表(4)；三位四通换向阀(8)的A口和B口还分别与液压缸(9)中活塞两侧的腔体连通。

3.如权利要求1或2所述的高速高温液压可调载的刀-屑摩擦装置，其特征在于，所述刀具材料棒(10)的外表面设置有聚氨酯轴套(14)。

4.如权利要求3所述的高速高温液压可调载的刀-屑摩擦装置，其特征在于，所述刀具材料棒(10)的圆周面上沿径向加工有微孔，微孔内设置有热电偶(16)。

5.如权利要求1或4所述的高速高温液压可调载的刀-屑摩擦装置，其特征在于，所述刀具材料棒(10)与盘型摩擦件(13)之间的预设距离为1mm；液压缸(9)调节刀具材料棒(10)与盘型摩擦件(13)之间的压力为50N～500N。

6.如权利要求5所述的高速高温液压可调载的刀-屑摩擦装置，其特征在于，所述液压缸(9)通过安装卡套(11)设置在测力仪(15)上，所述安装卡套(11)为L形结构，其长边侧面上加工有安装槽；液压缸(9)设置在安装卡套(11)的安装槽内，安装卡套(11)的短边端面设置在测力仪(15)上。

7.一种基于权利要求1-6所述高速高温液压可调载的刀-屑摩擦装置的摩擦测量方法，其特征在于，该摩擦测量方法具体步骤如下：

步骤S1：盘型摩擦件(13)高速旋转，液压泵(6)开始工作，三位四通换向阀(8)的左位联通驱动液压缸(9)进给；

步骤S2：刀具材料棒(10)的端面与盘型摩擦件(13)接触并产生摩擦，所述端面记为摩擦端面；

步骤S3：当压力表(4)显示的压力达到要求时，三位四通换向阀(8)的中位联通，气囊式蓄能器(3)开始工作维持液压缸(9)的压力稳定；

步骤S4：测力仪(15)测出刀具材料棒(10)在所述压力作用下受到的轴向力和径向力大小，并与压力表(4)显示的压力进行对比，得到刀具材料棒(10)与盘型摩擦件(13)之间的摩擦因数；

步骤S5：热电偶(16)测量出微孔底部处温度，结合有限元热传导模型，获得刀具材料棒(10)的摩擦端面与盘型摩擦件(13)接触时热电偶(16)测量点处温度与摩擦端面温度之间的关系，进而推算得到摩擦端面的温度；

步骤S6：三位四通换向阀(8)的右位联通，液压缸(9)收缩，刀具材料棒(10)的摩擦端面与盘型摩擦件(13)分离，摩擦实验结束。