CN105021616A - 一种高速切削变形场瞬态测量装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速切削变形场瞬态测量装置及使用方法，其技术方案是：包括高速切削加载单元，用于实现高速正交切削加载和回收；切屑根部显微图像高速采集单元，用于连续实时捕捉切削过程中切屑根部显微图像；图像数字化处理单元，用于处理拍摄得到的系列高速切削瞬态图像，得到高速切削过程中的切屑根部变形场。有益效果是：通过增设的切屑根部显微图像高速采集和图像数字化处理装置，能够实现高速切削瞬态变形场的非接触式测量，测量过程安全可靠；通过激光测速信号触发高速特种相机拍摄能实现切削过程和拍摄过程的同步；在高速特种相机和工件之间设置光学放大装置能够更清晰地捕捉到切屑根部的显微图像，有助于提高后续的图像处理精度。

Description

一种高速切削变形场瞬态测量装置及使用方法

技术领域

本发明涉及金属切削领域，特别涉及一种高速切削变形场瞬态测量装置及使用方法。

背景技术

    制造业是我国国民经济的支柱产业，其增加值约占我国国内生产总值的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400 mm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。中国专利文献公开号为102175549A专利名称为《基于霍普金森压杆加载技术的高速切削实验装置》，包括动力机构、切削机构、固定机构和收捕机构，动力机构、切削机构、固定机构和收捕机构沿一轴线依次排布，动力机构用于向切削机构发射弹丸，通过弹丸撞击切削机构从而推动切削机构的入射杆前行，随着入射杆前行，入射杆前端设置的刀具切削固定机构上固定的工件；收捕机构用于抵挡前行的入射杆，使入射杆快速停止。该发明的整个实验装置基于Hopkinson压杆加载技术搭建，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，为获得稳态的高速切削过程提供前提。但是其存在的问题是：该专利虽然提供了一种高速切削实验手段，但依然无法实现高速切削过程中变形场的瞬态测量。

高速切削过程中切屑的变形主要集中发生在主剪切变形区，变形程度非常大，剪切应变可达1~10。另外，切屑变形完成后还会随切屑流走，使得应用常规的应变片或光纤光栅等接触式测量技术根部无法获得切屑的瞬态变形场，只能通过数字图像相关测量技术来实现。然而，高速切削过程中切屑的变形集中发生在一个很狭窄的区域，一般在 10¹~10² 微米范围内，而剪切应变却达到1~10，这对数字图像相关测量的空间分辨率要求非常高。更为重要的是，高速切削过程中切屑的变形速率极高，应变率可达10⁶ s^-1以上，这又对数字图像相关测量的时间分辨率提出了苛刻的要求。因此，目前还没有一个有效的装置和方法能获得高速切削过程中切屑的瞬态变形场。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种高速切削变形场瞬态测量装置及使用方法，增加了一套相关的切屑根部显微图像高速采集和图像数字化处理装置，可实现高速切削变形场的瞬态测量。

本发明提到的一种高速切削变形场瞬态测量装置，包括高速切削加载单元，高速切削加载单元用于实现高速正交切削加载和回收，包含高压气室（101）、加速身管（102）、子弹（103）、激光测速器（104）、入射杆（105）、工件夹持装置（106）、回收杆（107），所述子弹（103）安装于加速身管（102）内，经高压气室（101）加速后撞击入射杆（105）并推动安置于入射杆前端的工件（202）高速前行，使其被固定于刀架（204）上的刀具快速切削，切削完成后入射杆（105）通过撞击回收杆（107）停止前行；所述加速身管出口（102）处设置有测量子弹速度的激光测速器（104），子弹经过激光测速器时激光测速器（104）被激活；刀架（204）后部正对入射杆（105）的位置安放回收杆（107），回收杆（107）后部设置缓冲器（108）；还包括切屑根部显微图像高速采集单元和图像数字化处理单元，所述切屑根部显微图像高速采集单元，用于连续实时捕捉切削过程中切屑根部显微瞬态图像，包含切削台（201）、工件（202）、有机玻璃（203）、刀架（204）、刀具（205）、三维矢量平台（206）、高速特种相机（207）、显微成像镜头（208）、光学放大装置（209）、照明装置（210），所述切削台（201）固定在工件夹持装置（106）与回收杆（107）之间；两个刀架（204）以工件（202）为中心对称安装于切削台（201）上侧，且位置和高度可调；所述刀架（204）上安装有角度调节器，可以调整刀具倾角；所述刀具（205）固定于所述刀架（204）上，实验前刀具切削刃紧靠在工件内边界（202-2），刀具侧面紧贴有机玻璃，保证工件表面和刀具侧面处于同一平面；所述的高速特种相机（207）与高速切削加载单元的激光测速器（104）通过数据线相连，可由激光测速信号触发拍摄，实现切削与拍摄过程同步；

所述图像数字化处理单元，用于处理拍摄得到的系列高速切削瞬态图像，并计算得到高速切削过程中的切屑根部变形场。

优选的，三维矢量平台（206）通过安装槽固定于切削台（201）上；高速特种相机（207）通过三维矢量平台（206）垂直架设于刀具（205）上端；所述高速特种相机（207）前部安装显微成像镜头（208），可通过光学放大装置（209）向下拍摄刀具尖端附近的切屑根部微观图像；上述高速特种相机最高拍摄速度达每秒32万帧，存储量32GB，可满足高速切削大应变、高应变率的瞬态变形场测量要求。

上述工件（202）设计成凸字形，凸口朝前，工件（202）同一侧的内外两边间距与切削深度一致；所述工件（202）的待观测面打磨平整，并由细砂纸打磨出井字形条纹，利于后期变形场计算。

上述工件（202）水平放置，工件（202）的上部覆盖透明的有机玻璃（203），有机玻璃（203）的宽度略大于工件（202）的宽度，能有效抑制工件的曲面变形；所述有机玻璃（203）和工件（202）一起由工件夹持装置（106）固定于入射杆（105）的前端。

刀架（204）后部正对入射杆（105）的位置安放回收杆（107），回收杆（107）后部设置缓冲器（108）。

上述三维矢量平台（206）的四个支柱具有螺纹结构，用于对高速特种相机的高度进行粗调；且三维矢量平台（206）上布置有纵向、横向滑轨和垂直升降台，可用于调整高速特种相机的水平位置和聚焦。

光学放大装置（209）安装于高速特种相机（207）下部，用以得到屑根部的显微放大图像，其包含分光镜、透镜和滤波器，照明装置（210）位于高速特种相机（207）和刀具（205）之间，其光源汇聚于刀具尖端。

本发明提到的高速切削变形场瞬态测量装置的使用方法，包括以下步骤：

a、组装测量装置：整套装置安装于支座（109）上，安装时保证加速身管（102）、入射杆（105）、回收杆（107）、切削台（201）、三维矢量台（206）、工件（202）以及两个刀架（204）和两个刀具（205）的对称轴位于同一轴线上；

b、实验前调整：实验前通过三维矢量平台（206）的纵向和横向滑轨调整高速特种相机（207）的水平位置，使显微成像镜头（208）正对刀具（205）的刀尖；通过改变三维矢量平台（206）的支柱和垂直升降台高度调整显微成像镜头（208）与光学放大装置（209）以及刀具（205）之间的距离，使其聚焦于刀具尖端的切屑根部；根据拟定的切削速度调整高速特种相机（207）的拍摄速度；调整照明装置（210）的亮度以获得高质量的画面；

c、实验过程中：子弹（103）由高压气室（101）发射并经加速身管（102）加速后于加速身管出口处触发激光测速装置（104），于是高速特种相机（207）被激活，拍摄开始；同时子弹（103）撞击入射杆（105），入射杆（105）受到子弹（103）撞击后将携带工件（202）快速前行，并与对称分布的两个刀具（205）发生碰撞挤压，从而实现高速切削；整个过程同时被高速特种相机（207）记录；切削完成后工件（202）通过与回收杆（107）发生正碰而停止，同时高速特种相机（207）停止拍摄，拍摄完成后，与高速特种相机（207）相连的图像数字化处理单元通过数字图像相关技术对拍摄的图片进行处理，从而计算得到切屑根部的二维变形场，试验过程中子弹（103）的速度由激光测速器（104）测定，基于动量及能量守恒原理可换算得到切削速度。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：

1、本实验装置通过增设的切屑根部显微图像高速采集和图像数字化处理装置，能够实现高速切削瞬态变形场的非接触式测量，测量过程安全可靠；

2、根据切削深度预置凸字形工件可以提高实验精度，并使切削过程更快达到稳定状态；

3、在工件上部覆盖有机玻璃能够有效抑制工件的曲面变形，利于捕捉高质量的瞬态图像，同时防止切屑飞溅；

4、通过激光测速信号触发高速特种相机拍摄能实现切削过程和拍摄过程的同步；

5、在高速特种相机和工件之间设置光学放大装置能够更清晰地捕捉到切屑根部的显微图像，有助于提高后续的图像处理精度。

附图说明

图1为高速切削加载单元、切削台和工件位置示意图；

图2为切削区示意图；

图3为图2中A部的放大示意图，其中，切削区局部放大图，视角旋转90^o；

图4为三维矢量平台和高速特种相机装配示意图；

图5为切屑根部显微图像高速采集单元正视图；

上图中：高压气室101、加速身管102、子弹103、激光测速器104、入射杆105、工件夹持装置106、回收杆107、缓冲器108、支座109、切削台201、工件202、工件外边界202-1、工件内边界202-2、有机玻璃203、刀架204、刀具205、三维矢量平台206、安装槽206-1、支柱206-2、纵向滑轨206-3、横向滑轨206-4、垂直升降台206-5、高速特种相机207、显微成像镜头208、光学放大装置209、照明装置210、切削区A、高速特种相机聚焦区B。

具体实施方式

    结合附图，对本发明作进一步的描述：

本发明的一种高速切削变形场瞬态测量装置包括：高速切削加载单元、切屑根部显微图像高速采集单元和图像数字化处理单元，高速切削加载单元用于实现高速切削加载和回收；切屑根部显微图像高速采集单元用于捕捉高速切削过程中的切屑根部瞬态图像；图像数字化处理单元用于处理拍摄得到的瞬态图像并计算得到切屑根部的二维变形场。

如图1、图2、图3、图4和图5所示，高速切削加载单元主要包括可提供撞击速度达50 m/s的高压气室101、加速身管102、子弹103、激光测速器104、入射杆105、工件夹持装置106、回收杆107、缓冲器108和支座109；切屑根部显微图像高速采集单元主要包括切削台201、工件202、有机玻璃203、刀架204、刀具205、三维矢量台206、最高拍摄速度32万帧/秒的高速特种相机207、显微成像镜头208、最高放大倍数为20的光学放大装置209和照明装置210。

高压气室101连接加速身管102，加速身管102中放置子弹103，通过高压气室101发射子弹103并在加速身管102中加速，为入射杆105的快速移动提供动力，入射杆105在子弹103的冲击作用下可以沿支座快速前行。加速身管102出口处设置激光测速器104用以测量子弹速度和激发高速特种相机207。

工件202通过夹持装置106安装于入射杆105的一端，工件202设计为凸字形结构，凸口朝前，其工件外边界202-1和工件内边界202-2的间距与切削深度一致；工件202水平放置，上部覆盖透明的有机玻璃203，有机玻璃203的宽度略大于工件宽度，有机玻璃203与工件202同时由工件夹持装置106固定。

切削台201固定于工件202前端；两个刀架204以工件202为中心对称安装于切削台201上；两个刀具205分别固定于两个刀架204上；刀架204上安装有角度调节器，可以调整刀具205的倾角；切削前刀具205的切削刃紧靠工件202的内边界202-2，刀具205的侧面紧贴有机玻璃203，保持工件202的上表面和刀具205的侧面处于同一平面。

刀架204后部正对入射杆105的位置安放回收杆107，回收杆107后部设置缓冲器108。

三维矢量平台206通过安装槽206-1固定于切削台201上；高速特种相机207垂直架设于三维矢量平台顶部，向下正对刀具205尖端；高速特种相机207前部安装显微成像镜头208；显微成像镜头208下悬挂光学放大装置209；显微成像镜头208通过光学放大装置209聚焦于刀具205尖端。

三维矢量平台206的四个支柱206-2为螺纹结构，可以对高速特种相机207的高度进行粗调；三维矢量平台206上端安装有纵向滑轨206-3和横向滑轨206-4，用于调整高速特种相机207的水平位置；三维矢量平台206上端还安装有垂直升降台206-5，用于调整显微成像镜头208和光学放大装置209之间的距离，便于聚焦。

高速特种相机207通过数据线与激光测速器104相连，拍摄过程由激光测速信号触发。

高速特种相机207通过数据线与图像数字化处理单元的计算机相连图中未标示，使图像数字化处理单元可以实时获得高速特种相机拍摄的画面。

本发明提到的高速切削变形场瞬态测量装置的使用方法，包括以下步骤：

a、组装测量装置：整套装置安装于支座109上，安装时保证加速身管102、入射杆105、回收杆107、切削台201、三维矢量台206、工件202以及两个刀架204和两个刀具205的对称轴位于同一轴线上；

b、实验前调整：实验前通过三维矢量平台206的纵向和横向滑轨调整高速特种相机207的水平位置，使显微成像镜头208正对刀具205的刀尖；通过改变三维矢量平台206的支柱和垂直升降台高度调整显微成像镜头208与光学放大装置209以及刀具205之间的距离，使其聚焦于刀具尖端的切屑根部；根据拟定的切削速度调整高速特种相机207的拍摄速度；调整照明装置210的亮度以获得高质量的画面；

c、实验过程中：子弹103由高压气室101发射并经加速身管102加速后于加速身管出口处触发激光测速装置104，于是高速特种相机207被激活，拍摄开始；同时子弹103撞击入射杆105，入射杆105受到子弹103撞击后将携带工件202快速前行，并与对称分布的两个刀具205发生碰撞挤压，从而实现高速切削；整个过程同时被高速特种相机207记录；切削完成后工件202通过与回收杆107发生正碰而停止，同时高速特种相机207停止拍摄，拍摄完成后，与高速特种相机207相连的图像数字化处理单元通过数字图像相关技术对拍摄的图片进行处理，从而计算得到切屑根部的二维变形场，试验过程中子弹103的速度由激光测速器104测定，基于动量及能量守恒原理可换算得到切削速度。

实验一

整个装置安装于支座上，具体实施步骤如下：

如图1、2所示，将两个刀架沿加速身管和入射杆的轴线对称安装于切削台上。将两个厚度为6 mm的刀具安装于刀架上，调整刀架的角度调节器使刀具前角5⁰、后角15⁰。

加工一个长60 mm、厚2 mm、外宽和内宽分别为40、39.5 mm的凸字形无氧铜工件（切削深度0.25 mm）。将工件打磨平整，用细砂纸将其待观测表面打磨出井字形条纹。工件上表面覆盖长60 mm、宽50 mm、厚2 mm的透明有机玻璃。工件和有机玻璃通过工件夹持装置水平安装于Φ13 mm的入射杆前端。

调整刀架和入射杆位置使刀具的切削刃紧靠工件内边界，刀具的侧面紧贴有机玻璃，保持工件的上表面和刀具侧面处于同一平面。

将高速特种相机架设于安装在切削台上的三维矢量平台上，通过数据线连接高速特种相机和激光测速器以及图像数字化处理单元。

调三维矢量平台上的纵向和横向滑轨使高速特种相机向下正对刀具刀尖。调整放大系统使其放大倍数为20倍。调节三维矢量平台的支柱和垂直升降台的高度使高速特种相机聚焦于刀具尖端的切屑根部。调整高速特种相机的拍摄速度至每秒10 万帧。增加照明装置的亮度以获得优质画面。

将400 mm长的子弹塞入加速身管内，调节高压气室的气压值，使其大小为0.5 MPa。打开高压气室阀门，子弹发射。子弹经加速身管加速后触发激光测速装置，于是激活高速特种相机。同时子弹撞击入射杆，使其携带工件快速前行并与刀具发生碰撞挤压，从而实现高速切削。整个过程同时被高速特种相机记录。切削完成后，通过图像数字化处理单元对拍摄的图片进行分析，从而得到切屑根部的变形场演化情况。上述切削条件下切屑根部最大剪切应变在切削过程稳定后维持在1.8左右。

实验二

在保持实验一的参数不变的情况下，调整刀架的角度调节器使刀具前角变为0⁰，最终在切削过程稳定切屑的最大剪切应变维持于1.9左右。

以上所述，仅是本发明的部分较佳实施例，任何熟悉本领域的技术人员均可能利用上述阐述的技术方案加以修改或将其修改为等同的技术方案。因此，依据本发明的技术方案所进行的任何简单修改或等同置换，尽属于本发明要求保护的范围。

Claims (7)

1.一种高速切削变形场瞬态测量装置，包括高速切削加载单元，高速切削加载单元用于实现高速正交切削加载和回收，包含高压气室（101）、加速身管（102）、子弹（103）、激光测速器（104）、入射杆（105）、工件夹持装置（106）、回收杆（107），所述子弹（103）安装于加速身管（102）内，经高压气室（101）加速后撞击入射杆（105）并推动安置于入射杆前端的工件（202）高速前行，使其被固定于刀架（204）上的刀具快速切削，切削完成后入射杆（105）通过撞击回收杆（107）停止前行；所述加速身管出口（102）处设置有测量子弹速度的激光测速器（104），子弹经过激光测速器时激光测速器（104）被激活；刀架（204）后部正对入射杆（105）的位置安放回收杆（107），回收杆（107）后部设置缓冲器（108）；其特征是：还包括切屑根部显微图像高速采集单元和图像数字化处理单元，所述切屑根部显微图像高速采集单元，用于连续实时捕捉切削过程中切屑根部显微瞬态图像，包含切削台（201）、工件（202）、有机玻璃（203）、刀架（204）、刀具（205）、三维矢量平台（206）、高速特种相机（207）、显微成像镜头（208）、光学放大装置（209）、照明装置（210），所述切削台（201）固定在工件夹持装置（106）与回收杆（107）之间；两个刀架（204）以工件（202）为中心对称安装于切削台（201）上侧，且位置和高度可调；所述刀架（204）上安装有角度调节器，可以调整刀具倾角；所述刀具（205）固定于所述刀架（204）上，实验前刀具切削刃紧靠在工件内边界（202-2），刀具侧面紧贴有机玻璃，保证工件表面和刀具侧面处于同一平面；所述的高速特种相机（207）与高速切削加载单元的激光测速器（104）通过数据线相连，可由激光测速信号触发拍摄，实现切削与拍摄过程同步；

所述图像数字化处理单元，用于处理拍摄得到的系列高速切削瞬态图像，并计算得到高速切削过程中的切屑根部变形场。

2.根据权利要求1所述的高速切削变形场瞬态测量装置，其特征是：三维矢量平台（206）通过安装槽固定于切削台（201）上；高速特种相机（207）通过三维矢量平台（206）垂直架设于刀具（205）上端；所述高速特种相机（207）前部安装显微成像镜头（208），可通过光学放大装置（209）向下拍摄刀具尖端附近的切屑根部微观图像。

3.根据权利要求1所述的高速切削变形场瞬态测量装置，其特征是：所述工件（202）设计成凸字形，凸口朝前，工件（202）同一侧的内外两边间距与切削深度一致；所述工件（202）的待观测面打磨平整，并由细砂纸打磨出井字形条纹，利于后期变形场计算。

4.根据权利要求3所述的高速切削变形场瞬态测量装置，其特征是：所述工件（202）水平放置，工件（202）的上部覆盖透明的有机玻璃（203），有机玻璃（203）的宽度略大于工件（202）的宽度，能有效抑制工件的曲面变形；所述有机玻璃（203）和工件（202）一起由工件夹持装置（106）固定于入射杆（105）的前端。

5.根据权利要求2所述的高速切削变形场瞬态测量装置，其特征是：所述三维矢量平台（206）的四个支柱具有螺纹结构，用于对高速特种相机的高度进行粗调；且三维矢量平台（206）上布置有纵向、横向滑轨和垂直升降台，可用于调整高速特种相机的水平位置和聚焦。

6.根据权利要求2所述的高速切削变形场瞬态测量装置，其特征是：光学放大装置（209）安装于高速特种相机（207）下部，用以得到屑根部的显微放大图像，其包含分光镜、透镜和滤波器，照明装置（210）位于高速特种相机（207）和刀具（205）之间，其光源汇聚于刀具尖端。

7.一种如权利要求1-6中任一项所述的高速切削变形场瞬态测量装置的使用方法，其特征是包括以下步骤：

a、组装测量装置：整套装置安装于支座（109）上，安装时保证加速身管（102）、入射杆（105）、回收杆（107）、切削台（201）、三维矢量台（206）、工件（202）以及两个刀架（204）和两个刀具（205）的对称轴位于同一轴线上；

b、实验前调整：实验前通过三维矢量平台（206）的纵向和横向滑轨调整高速特种相机（207）的水平位置，使显微成像镜头（208）正对刀具（205）的刀尖；通过改变三维矢量平台（206）的支柱和垂直升降台高度调整显微成像镜头（208）与光学放大装置（209）以及刀具（205）之间的距离，使其聚焦于刀具尖端的切屑根部；根据拟定的切削速度调整高速特种相机（207）的拍摄速度；调整照明装置（210）的亮度以获得高质量的画面；

c、实验过程中：子弹（103）由高压气室（101）发射并经加速身管（102）加速后于加速身管出口处触发激光测速装置（104），于是高速特种相机（207）被激活，拍摄开始；同时子弹（103）撞击入射杆（105），入射杆（105）受到子弹（103）撞击后将携带工件（202）快速前行，并与对称分布的两个刀具（205）发生碰撞挤压，从而实现高速切削；整个过程同时被高速特种相机（207）记录；切削完成后工件（202）通过与回收杆（107）发生正碰而停止，同时高速特种相机（207）停止拍摄，拍摄完成后，与高速特种相机（207）相连的图像数字化处理单元通过数字图像相关技术对拍摄的图片进行处理，从而计算得到切屑根部的二维变形场，试验过程中子弹（103）的速度由激光测速器（104）测定，基于动量及能量守恒原理可换算得到切削速度。