CN105067469A - 一种可调参数的直角与斜角切削试验装置及其切削方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可调参数的直角与斜角切削试验装置及其切削方法，能够实现金属与复合材料等试验件的直角切削和斜角切削，且能够精确调节切削深度和刃倾角；试验台上装有测力仪等测量设备，刀具支架处装有高速摄像机，可以监测切削过程中切削力的变化和实时切削变形状态。

Description

一种可调参数的直角与斜角切削试验装置及其切削方法

技术领域

本发明涉及一种直角切削与斜角切削试验的方法和设备，用于进行金属与复合材料等的切削试验研究。

背景技术

在航空航天、汽车、船舶等领域，切削加工如铣削、车削、钻削等占据了所有加工形式的很大比重，切削加工的对象多以金属与复合材料为主，然而零件常常因加工质量不合格导致报废，其原因除人为操作不当等因素外，主要集中在刀具质量不过关、刀具性能欠佳、工艺参数选择不合理等。目前国内外许多学者针对以上问题做了大量研究，改进刀具材料、设计新型刀具、优化加工工艺参数，所有的这些工作都是建立在对切削机理的深入研究之上。切削试验是研究切削机理的最直接方法，能够比较真实地还原实际加工时的状态，在所有切削试验研究中，直角切削与斜角切削作为最基本的切削形式历来为研究人员所重视，几乎所有刀具在加工零件时，切削刃所进行的切削均可直接或间接地转化成直角切削与斜角切削。

目前国外如美国卫奇塔大学、澳大利亚悉尼大学，国内如北京航空航天大学、河南农业大学等高校均进行了切削机理的试验研究，卫奇塔大学和悉尼大学利用数控机床和自制刀具进行了复合材料直角切削试验，并未涉及专用切削试验设备，且未见相关专利发表；北京航空航天大学利用自制试验设备进行了高速切削试验来分析切削机理，其涉及的试验设备功能单一，无法进行斜角切削，且切削参数不可调节。

专利CN101126703A针对现有研究金属直角切削过程中切屑形成方法的不足，提供了一种简单方便、通用性强的研究金属直角切削切屑形成的方法，此方法可用于车削加工和铣削加工；该专利仅适用于研究直角切削过程中的切屑形成，不具备金属与复合材料的切削机理研究的一般性，同时该试验装置也无法完成斜角切削。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种可调参数的直角与斜角切削试验装置及其切削方法，能够实现切削深度、切削速度、刃倾角等切削参数的准确调节，配合测力仪与高速摄像机，记录切削过程中的力的变化和材料变形与失效趋势等动态过程，从而为切削机理的研究提供支撑。

技术方案

一种可调参数的直角与斜角切削试验装置，其特征在于包括试验台架、驱动电机、减速器、导轨、丝杠、螺母座、试验台、试验件夹具、刀具支架、刀具夹持与调节装置和刀具；驱动电机和减速器与试验台架固连，驱动电机通过减速器驱动丝杠，从而带动试验台在导轨上运动；刀具支架固定在试验台架上，刀具支架通过轴承和刀具夹持与调节装置相连；刀具夹持与调节装置包括刀具夹持套筒、角度调节盘和切深调节钮，切深调节钮和角度调节盘位于刀具夹持套筒上部，刀具夹持套筒外侧装有夹紧卡头，刀具与刀具夹持套筒间隙配合，试验件夹具安装在试验台上。

还包括测力仪，所述的测力仪固定在试验台上。

还包括高速摄像机，所述的高速摄像机固定在刀具支架上。

一种使用所述的试验装置进行的切削方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将试验件置于夹具上，所述的试验件厚度为5mm～10mm、长度为100mm～150mm、高度为50mm～60mm，保持试验件底部与试验台紧密接触，使用螺栓将试验件固定，确保在试验进行时夹具与试验件不发生相对移动；

步骤2：将刀具插入套筒使刀柄上端部与套筒内精密丝杠下端面紧密贴合；

步骤3：旋转切深调节钮，调节刀具插入套筒深度0～1mm，然后锁紧套筒上的两个夹紧卡头，最后反向旋转切深调节钮，使精密丝杠与刀柄分离以保护丝杠；

步骤4：进行直角切削试验时，旋转角度调节盘，将上侧与下侧的零刻度对齐，锁紧固定卡头；进行斜角切削试验时，旋转角度调节盘-60°～60°，使得刻度与刃倾角值相等，锁紧调节盘上的夹紧卡头；

步骤5：通过改变驱动电机的旋转速度，来调节试验件相对于刀具的运动速度，实现不同切削速度的调节；

步骤6：在完成试验件与刀具装夹和切削参数调整之后，启动驱动电机开始进行切削试验。

有益效果

本发明提出的一种可调参数的直角与斜角切削试验装置及其切削方法，利用本发明的切削试验方法和装置，能够实现金属与复合材料等试验件的直角切削和斜角切削，且能够精确调节切削深度和刃倾角；试验台上装有测力仪等测量设备，刀具支架处装有高速摄像机，可以监测切削过程中切削力的变化和实时切削变形状态。

附图说明

图1是切削试验台整体示意图

图2是切削试验台正视图

图3是切削深度与刃倾角调节装置

图4是进行直角切削试验示意图

图5是进行斜角切削试验示意图

图中：1-试验台架；2-驱动电机；3-减速器；4-导轨；5-丝杠；6-螺母座；7-试验台；8-试验件夹具；9-刀具支架；10-高速摄像机；11-刀具夹持与调节装置；12-刀具；13-试验件；14-角度调节盘；15-切深调节钮；16-夹紧卡头；17-测力仪。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明包括试验台架1、驱动电机2、减速器3、导轨4、丝杠5、螺母座6、试验台7、试验件夹具8、刀具支架9、高速摄像机10、刀具夹持与调节装置11、刀具12、角度调节盘14、切深调节钮15、夹紧卡头16和测力仪17。

如图1或2所示，所述试验台架1为整个设备提供支撑，驱动电机2和减速器3固定在试验台架1左侧边。驱动电机2接入减速器输入端，通过减速器3内部齿轮啮合关系使输出的扭矩得到增强。丝杠5接入减速器输出端并与之固连，利用位于试验台7上的丝母座将丝杠5的正、逆向旋转运动转变为试验台7在导轨4上的往复运动。驱动电机2通过减速器3驱动丝杠5，从而带动试验台7在导轨4上运动。另外，刀具支架9也固定在试验台架1上，刀具支架9两端伸长臂分别固定在试验台架1前后两侧面，为刀具夹持与调节装置11提供支撑。本装置所有的连接和安装都是使用螺栓方式。

如图1或2所示，所述试验台7是切削作业平台，能够在丝杠5带动下沿导轨4运动，且有4个螺孔，用于固定测力仪17等测量设备，试验件夹具8用螺栓与测量设备固定测力仪17相连，形成切削工作平台。

如图1或2所示，所述试验件夹具8用于夹持试验件，呈“凹”形，两侧上各设有6个螺孔，通过旋紧试验件夹具8两侧螺栓完成试验件13夹持。

如图1或2所示，所述刀具支架9为刀具夹持与调节装置11提供支撑，并通过轴承和刀具夹持与调节装置11相连，使其能够在-60°～60°范围内旋转。

如图3所示，所述刀具夹持与调节装置11能够实现刀具12夹持和切削深度、刃倾角的调节，其包括一个刀具夹持套筒、切深调节钮15和角度调节盘14。刀具夹持套筒上设有两条镂空槽，外侧装有夹紧卡头16，刀柄与套筒间隙配合，将刀柄放入套筒后压下夹紧卡头16即可实现刀具装夹。刀具夹持套筒上部有切深调节钮15和角度调节盘14，切深调节通过旋转切深调节钮15控制精密丝杠伸缩，套筒内的精密丝杠端部紧密接触，从而实现切削深度调节；角度调节通过旋转扇形角度调节盘14实现，扇形盘与刀具夹持套筒固连。

如图3所示，所述角度调节盘14是一个扇形盘，用于调节刃倾角，其刻度范围在-60°～60°之间，相邻两个刻度的值为0.5°。在刀具支架9上有一个与调节盘对应的半圆盘，居中位置处有一条刻度线，调节刃倾角时旋转角度调节盘使该刻度线与调节盘上指定角度处的刻度线对齐。该装置的刃倾角调节精度是0.5°。

如图3所示，所述切深调节钮15工作原理与千分尺类似，没涉及到的精密丝杠行程是15mm，导程是1mm，调节钮的刻度盘标画100条刻度线，将圆周分成一百份，因此切深调节精度是0.01mm。在刻度盘下方对应处有一条刻度线，通过刻度盘的刻度与下方刻度线对齐即可实现切深精确调节。

使用上述试验装置进行的直角与斜角切削方法：

步骤1、试验件制备：由于夹具的限制试验件厚度在5mm～10mm为宜，长度在100mm～150mm为宜，高度50mm～60mm为宜。

步骤2、试验件夹持：将制备好的试验件置于夹具上，试验件底部保持与试验台紧密接触，选择合适数量的螺栓将试验件固定，保持切削面水平，确保在试验进行时夹具与试验件不发生相对移动。

步骤3、刀具安装：将刀具插入套筒，使得刀柄上端部与套筒内精密丝杠下端面紧密贴合，安装刀具使得刀具轴线与试验件切削表面垂直。

步骤4、调整切削深度：刀具插入套筒之后，同时旋转切深调节钮，调节刀具插入套筒深度，然后锁紧套筒上的两个夹紧卡头，最后反向旋转切深调节钮，使精密丝杠与刀柄分离以保护丝杠。

步骤5、调整刃倾角：刃倾角是刀具切削刃与垂直于切削方向的直线的夹角，是切削试验的重要参数。进行直角切削试验时，旋转角度调节盘，将上侧与下侧的零刻度对齐，即为0°即可，锁紧固定卡头；进行斜角切削试验时，根据试验方案规定的刃倾角值，旋转角度调节盘，使得刻度与规定值相等，锁紧调节盘上的夹紧卡头。

步骤6、调整切削速度：通过改变驱动电机的旋转速度，来调节试验件相对于刀具的运动速度，实现不同切削速度的调节。

步骤7、开始切削试验：在完成试验件与刀具装夹和切削参数调整之后，启动驱动电机开始进行切削试验，在此过程中注意观察试验设备有无异常情况发生，出现突发事件时立即停机。

Claims (4)

1.一种可调参数的直角与斜角切削试验装置，其特征在于包括试验台架(1)、驱动电机(2)、减速器(3)、导轨(4)、丝杠(5)、螺母座(6)、试验台(7)、试验件夹具(8)、刀具支架(9)、刀具夹持与调节装置(11)和刀具(12)；驱动电机(2)和减速器(3)与试验台(1)架固连，驱动电机(2)通过减速器驱动丝杠(5)，从而带动试验台(7)在导轨(4)上运动；刀具支架(9)固定在试验台架(1)上，刀具支架(9)通过轴承和刀具夹持与调节装置(11)相连；刀具夹持与调节装置(11)包括刀具夹持套筒、角度调节盘(14)和切深调节钮(15)，切深调节钮(14)和角度调节盘(15)位于刀具夹持套筒上部，刀具夹持套筒外侧装有夹紧卡头(16)，刀具(12)与刀具夹持套筒间隙配合，试验件夹具(8)安装在试验台(7)上。

2.根据权利要求1所述的可调参数的直角与斜角切削试验装置，其特征在于还包括测力仪(17)，所述的测力仪(17)固定在试验台(7)上。

3.根据权利要求1所述的可调参数的直角与斜角切削试验装置，其特征在于还包括高速摄像机(10)，所述的高速摄像机(10)固定在刀具支架(9)上。

4.一种使用权利要求1所述的试验装置进行的切削方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将试验件置于夹具上，所述的试验件厚度为5mm～10mm、长度为100mm～150mm、高度为50mm～60mm，保持试验件底部与试验台紧密接触，使用螺栓将试验件固定，确保在试验进行时夹具与试验件不发生相对移动；

步骤2：将刀具插入套筒使刀柄上端部与套筒内精密丝杠下端面紧密贴合；

步骤3：旋转切深调节钮，调节刀具插入套筒深度0～1mm，然后锁紧套筒上的两个夹紧卡头，最后反向旋转切深调节钮，使精密丝杠与刀柄分离以保护丝杠；

步骤4：进行直角切削试验时，旋转角度调节盘，将上侧与下侧的零刻度对齐，锁紧固定卡头；进行斜角切削试验时，旋转角度调节盘-60°～60°，使得刻度与刃倾角值相等，锁紧调节盘上的夹紧卡头；

步骤5：通过改变驱动电机的旋转速度，来调节试验件相对于刀具的运动速度，实现不同切削速度的调节；

步骤6：在完成试验件与刀具装夹和切削参数调整之后，启动驱动电机开始进行切削试验。