CN105643367A - 一种固液气减振式高速螺旋进给的摩擦装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高速切削技术领域，公开了一种固液气减振式高速螺旋进给的摩擦装置，刀具材料棒设置在调载减振组件上，其端部与旋转摩擦件的位置相对应；调载减振组件能够调节刀具材料棒受到的载荷并进行固体减振，带动其与旋转摩擦件进行旋转摩擦，实现刀-屑摩擦工况的模拟；注油气锁紧组件向所述调载减振组件注入液压油进行液体减振，注入过程产生的气泡也起到减振作用；测力仪能够测量刀具材料棒受到的轴向力和径向力，转化后即可得到摩擦因数。本发明能够模拟高速切削过程中高速和高温工况,抑制高速摩擦实验过程的振动,提供可调节载荷,获得刀具与工件材料棒的高速摩擦因数以及摩擦界面温度，并且能够反映刀具前刀面与新流入的切屑挤压面进行摩擦的刀-屑摩擦特征。

Description

一种固液气减振式高速螺旋进给的摩擦装置

技术领域

本发明涉及高速切削技术领域、更具体的说、特别涉及一种固液气减振式高速螺旋进给的摩擦装置。

背景技术

高速切削是材料除料加工的主流技术之一，具有高效率、高质量和低成本等优点，应用范围也日益扩大，目前德国、日本和中国等制造业发达国家都在汽车、航天航空、军事以及新兴的模具工业中广泛应用高速切削技术，从而促进了现代机械制造业的发展。

技术实现与广泛应用促进了人们对高速切削机理的深入研究，同时技术实现也为高速切削机理研究提供了物质基础和实验条件。刀-屑摩擦是高速切削的两大基础行为之一，一直以来是切削机理研究的重点。在高速切削刀-屑摩擦中，摩擦界面上载荷分布不均匀、温度场分布不均匀、接触面积比例不均匀、材料变形效应不均匀等，从而导致刀-屑摩擦的复杂性和研究难度，至今其机理还有许多不清晰的地方，值得持续研究。在研究方法上，若直接采用切削方法研究刀-屑摩擦机理，影响因素对摩擦特征的作用机理就难以单独解析出来，只能给出整体效果，细节则不清。采用摩擦磨损试验机，如SRV试验机，不能进行高速实验，摩擦界面特征不能完全反应刀-屑摩擦的特征，用其研究高速切削刀-屑摩擦有其局限性。采用自行设计的高速摩擦装置，也面临着高速摩擦所带来的高频振动，影响了测试效果。因此设计一种能够模拟高速切削刀-屑摩擦特征，并且能够抑制高速摩擦振动等问题的高性能实验装置，变得十分必要。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种固液气减振式高速螺旋进给的摩擦装置，能够模拟高速切削过程中高速高温工况、降低高速摩擦实验过程的振动、提供可调节载荷、获得摩擦系数和摩擦界面温度。

为了解决以上提出的问题，本发明采用的技术方案为：

一种固液气减振式高速螺旋进给的摩擦装置，包括测力仪、调载减振组件、注油气锁紧组件、夹具组件、旋转摩擦件，其中旋转摩擦件安装在外围的车床上并作旋转运动，注油气锁紧组件与调载减振组件连接后整体通过夹具组件安装在测力仪上，所述测力仪安装在外围的车床刀塔上；

刀具材料棒设置在所述调载减振组件上，其端部与旋转摩擦件的位置相对应；所述调载减振组件能够调节刀具材料棒受到的载荷并进行固体减振，递送其与旋转摩擦件进行旋转摩擦，实现刀-屑摩擦工况的模拟；所述注油气锁紧组件向所述调载减振组件注入液压油进行液体减振，注入过程产生的气泡也起到减振作用；所述测力仪能够测量刀具材料棒受到的轴向力和径向力。

所述夹具组件包括后支撑座、中间支撑座、紧定螺钉一、前支撑座、中间支撑底座，其中前支撑座、中间支撑座和后支撑座依次安装在测力仪上；中间支撑座和测力仪之间还安装有中间支撑底座；所述前支撑座上加工有刀具材料棒安装孔，并设置有紧定螺钉一。

所述调载减振组件包括调载螺钉、活塞盖、蝶形弹簧、活塞缸、左活塞、分离塞、右活塞；其中活塞缸上加工有与内腔相连通的注油口，其内腔分别安装有左活塞和右活塞，两者之间还设置有分离塞，分离塞与左活塞之间形成液压腔；左活塞的凸台面与活塞缸的内壁之间、右活塞的凸台面与分离塞之间分别安装有蝶形弹簧；活塞的开口端安装有活塞盖，调载螺钉水平安装在活塞盖的中部并与右活塞连接；左活塞的端部水平安装有刀具材料棒；

调载减振组件的活塞缸通过前支撑座、中间支撑座以及后支撑座水平安装在测力仪上，活塞盖安装在后支撑座上，刀具材料棒的端部通过紧定螺钉一安装在前支撑座上，其端部穿过前支撑座的安装孔并与旋转摩擦件位置相对应。

所述刀具材料棒通过紧定螺钉二安装在左活塞上，紧定螺钉二位于左活塞的圆周面上并处于活塞缸的外侧。

所述刀具材料棒与前支撑座的安装孔之间还设置有尼龙轴套。

所述注油气锁紧组件包括O型密封圈二、柱塞缸、柱塞盖、柱塞杆盖、柱塞杆；其中，柱塞杆安装在柱塞缸的内腔，柱塞盖穿过柱塞杆并安装在柱塞缸的端部开口；柱塞杆下方形成注油通道，其位于柱塞缸内的端部与柱塞缸的内部之间还设置有O型密封圈二，另一端部上设置有柱塞杆盖；所述柱塞缸安装在活塞缸的注油口上，其内腔与液压腔连通，即柱塞杆下方的注油通道与所述液压腔连通。

所述柱塞杆上位于柱塞缸内的端部上加工有与所述注油通道连通的孔。

所述刀具材料棒的摩擦端部圆周面上沿径向电火花加工有微孔，微孔内设置有热电偶。

所述左活塞、分离塞与活塞缸内壁之间分别设置有O型密封圈一。

所述右活塞与活塞缸的内壁之间设置有导向环。

有益效果：

1、本发明中旋转摩擦件的高速旋转和刀具材料棒的进给运动合成使得摩擦轨迹是个螺旋线，如此参与摩擦的旋转摩擦件一直是新表面，与高速切削过程切屑挤压面一直是新表面的特征一致，参与摩擦的刀具材料棒表面特征与高速切削过程刀具前刀面摩擦特征也一致，因此本发明能够很好高速切削过程的刀-屑摩擦状态。本发明旋转摩擦件与刀具材料接触摩擦处具有很高线速度，并且产生很高的摩擦温度，能够反映高速切削刀-屑摩擦的高速和高温特征。

2、本发明中可以实现高速摩擦过程的低振动，即采用固、液、气三种介质的耦合减振来降低高速摩擦时产生的振动。在调载减振组件中设置有碟形弹簧，其弹簧刚度大，具有良好的减振效果；活塞缸内腔装有抗磨的液压油，液压油的不可压缩性，较高粘度加强了减振效果；同时，在注油气自锁组件中的柱塞杆端部加工有孔，孔中储存的空气在振动中可视为阻尼，将进一步降低振动。

3、本发明采用简洁和便于操作的结构，实现了载荷可调功能。通过调载减振组件中调载螺钉旋转拧入一定导程，压缩蝶形弹簧，蝶形弹簧将压力传递到刀具材料棒上，从而实现作用在旋转摩擦件的载荷发生改变，达到载荷可调效果，调节范围在0~50N。同时，本发明能够通过测力仪跟踪记录刀具材料棒受到的轴向力和径向力，测量过程简单可靠。

4、本发明安装在刀具材料棒上的热电偶可以记录测量点的温度，结合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，可推算出摩擦界面温度，从而实现了刀-屑摩擦接触表面温度的获取。

附图说明

图1为本发明摩擦装置的总体轴测图。

图2为本发明中夹具组件的整体轴测图。

图3为本发明中调载减振组件和注油气自锁组件的总装图。

图4为本发明中调载减振组件和注油气自锁组件结合部的局部放大图。

图5为本发明刀具材料棒摩擦端部的局部放大图。

图6为本发明摩擦装置测温用热电偶的安装图。

附图标记说明：1—测力仪、2—调载减振组件、3—注油气自锁组件、4—夹具组件、5—旋转摩擦件、6—内六角螺钉、7—垫片、8—螺母、9—后支撑座、10—中间支撑座、11—紧定螺钉一、12—前支撑座、13—尼龙轴套、14—联接螺钉、15—中间支撑底座、16—调载螺钉、17—活塞盖、18—导向环、19—蝶形弹簧、20—O型密封圈一、21—活塞缸、22—O型密封圈二、23—柱塞缸、24—柱塞盖、25—柱塞杆盖、26—柱塞杆、27—紧定螺钉二、28—刀具材料棒、29—左活塞、30—分离塞、31—右活塞、32—热电偶、A—气泡、B—液压油。

具体实施方式

为了便于理解本发明、下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是、本发明可以以许多不同的形式来实现、并不限于本文所描述的实施例。相反地、提供这些实施例的目的是使对本发明公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义、本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的、不是旨在于限制本发明。

参阅图1所示、本发明提供的一种固液气减振式高速螺旋进给的摩擦装置，包括测力仪1、调载减振组件2、注油气锁紧组件3、夹具组件4、旋转摩擦件5，其中旋转摩擦件5通过三爪固定在外围的车床上保持高速旋转运动，注油气锁紧组件3与调载减振组件2连接后整体通过夹具组件4固定在测力仪1上，测力仪1下端用内六角螺钉6、垫片7和螺母8固定在外围的车床刀塔上。本实施例中，所述测力仪1选用Kistlor9257B型号。

刀具材料棒28设置在所述调载减振组件2上，其端部与旋转摩擦件5的位置相对应。所述调载减振组件2能够调节刀具材料棒28受到的载荷，可递送其与旋转摩擦件5进行旋转摩擦，实现刀-屑摩擦工况的模拟，调载减振组件2中的蝶形弹簧19可实现固体减振功能；所述注油气锁紧组件3向所述调载减振组件2注入液压油进行液体减振，注入过程产生的气泡A也起到减振作用；所述测力仪1能够测量刀具材料棒28受到的轴向力和径向力。

如附图2所示，所述夹具组件4包括后支撑座9、中间支撑座10、紧定螺钉一11、前支撑座12、联接螺钉14、中间支撑底座15，其中前支撑座12、中间支撑座10和后支撑座9依次安装在测力仪1上，为了安装可靠，中间支撑座10和测力仪1之间还安装有中间支撑底座15，前支撑座12通过联接螺钉14安装在测力仪1上。所述前支撑座12上加工有刀具材料棒28安装孔，并设置有紧定螺钉一11。

如附图3所示，所述调载减振组件2包括调载螺钉16、活塞盖17、蝶形弹簧19、活塞缸21、紧定螺钉二27、左活塞29、分离塞30、右活塞31；其中活塞缸21上加工有与内腔相连通的注油口，其内腔分别安装有左活塞29和右活塞31，两者之间还设置有分离塞30，分离塞30与左活塞29之间形成液压腔。左活塞29的凸台面与活塞缸21的内壁之间、右活塞31的凸台面与分离塞30之间分别安装有蝶形弹簧19。活塞缸21的开口端安装有活塞盖17，调载螺钉16水平安装在活塞盖17的中部并与右活塞31连接，可用于摩擦载荷的调节。刀具材料棒28通过紧定螺钉二27水平安装在左活塞29的端部，紧定螺钉二27位于左活塞29的圆周面上并位于活塞缸21的外侧，还能用作左活塞29的回程限位。

调载减振组件2的活塞缸21通过前支撑座12、中间支撑座10以及后支撑座9水平安装在测力仪1上，活塞盖17安装在后支撑座9上，刀具材料棒28的端部通过紧定螺钉一11安装在前支撑座12上，其穿过前支撑座12的安装孔并与旋转摩擦件5位置相对应。

所述刀具材料棒28与前支撑座12之间还设置有尼龙轴套13，可以起到保护作用并能保证摩擦的稳定性。

上述中，为了保证液压腔的密封性，左活塞29、分离塞30与活塞缸21的内壁之间还分别设置有O型密封圈一20。

上述中，为了保证右活塞31运动的可靠性，右活塞31与活塞缸21的内壁之间设置有导向环18。

上述中，尼龙轴套13与蝶形弹簧19的使用可大大降低高速摩擦中的振动，同时对刀具材料棒28起到一定的保护作用，可提高其使用寿命。蝶形弹簧19具有较高刚度，较高载荷下只有较小形变量，可在一定程度上提高载荷的调节范围。采用调载螺钉16调整对蝶形弹簧19的压力，利用螺纹行程改变蝶形弹簧19的形变量，从而得到所需载荷，载荷调节范围为0~50N，此方式使装置在实验操作中具有一定的便捷性，也降低了故障维修的难度。

所述注油气锁紧组件3包括O型密封圈二22、柱塞缸23、柱塞盖24、柱塞杆盖25、柱塞杆26；其中，柱塞杆26安装在柱塞缸23的内腔，柱塞盖24穿过柱塞杆26安装在柱塞缸23的端部开口。柱塞杆26下方形成注油通道，其位于柱塞缸23内的端部上加工有与所述注油通道连通的孔，所述端部与柱塞缸23的内部之间还设置有O型密封圈二22，另一端部上设置有柱塞杆盖25。

所述柱塞缸23安装在活塞缸21的注油口上，其内腔与液压腔连通，即柱塞杆26下方的注油通道与所述液压腔连通。

上述中，在调载减振组件2中通过改变调载螺钉16向活塞盖17里拧入的导程，从而改变蝶形弹簧19的压缩量，并根据力的传递性、从而实现载荷的可调性。活塞缸21中液压腔内的液压油B以及碟形弹簧19达到了降低振动目的，柱塞杆26底部的孔在进行摩擦实验时与活塞缸21液压腔相通，孔中的气泡A在振动时的压缩，可进一步降低振动。

如附图5所示，所述刀具材料棒28的摩擦端部圆周面上沿径向电火花加工有微孔孔，本实施例中，其直径为φ0.6mm，并在微孔内设置有K型热电偶32，通过热电偶32可获得刀具材料棒28测量点温度T1，建立刀具材料棒28的摩擦界面与旋转摩擦件5接触时的热传导有限元计算模型，获取摩擦界面温度T2和测量点温度T1之间的关系，进而推算出摩擦端界温度，实现对摩擦界面温度的获取。

本发明的工作过程如下：

摩擦实验前，先将旋转摩擦件5通过三爪固定在车床主轴上，将测力仪1固定在车床上。通过活塞缸21上的注油口注入抗磨液压油，注满后，将注油气锁紧组件3的柱塞缸23与活塞缸21的注油口连接上。通过注油气锁紧组件3的柱塞杆26下方的注油通道继续注射液压油B直至调载螺钉16拧入长度达到初始长度，即让调载减振组件2中各部件处于紧凑状态，然后去除注油气锁紧组件3中多余液压油B，保持柱塞杆26底部孔中气体的储存。最后将联接有注油气锁紧组件3的调载减振组件2整体通过前支撑座12、中间支撑座10、中间支撑底座15以及后支撑座9进行固定，并调节车床刀塔使刀具材料棒28与旋转摩擦件5之间的预设距离，本实施例中所述预设距离为2mm。

工作时，将调载螺钉16根据载荷大小以及蝶形弹簧19的形变量拧入相应导程，使刀具材料棒28与旋转摩擦件5带载接触（参阅图6所示），与此同时刀具材料棒28沿旋转摩擦件5轴向缓慢匀速进给，不断模拟刀-屑摩擦工况。刀具材料棒28与旋转摩擦件5的作用载荷在0~50N可调，通过测力仪1测出刀具材料棒28所受的径向力和轴向力。同时K型热电偶32测出刀具材料棒28测量点温度T1，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T2。一次实验结束后调节机床改变刀具材料棒28与旋转摩擦件5的距离，停止机床，即结束。

本发明中通过调载减振组件2能够简洁有效的模拟高速高温变载荷刀-屑摩擦工况，有效降低振动，保证实验的稳定性和可靠性，并通过热电偶32以及测力仪1准确测量出轴向力、径向力以及温度等数据，分析可得到摩擦因数。

本发明中不仅使用了固体减振，还充分利用了液体、气体两种介质实现减振。通过活塞缸21内液压油B以及注油气锁紧组件3底部孔内储存气体的混合，进一步降低了高速摩擦过程的振动。同时，注油气锁紧组件3具有封锁效果，在液压作用下柱塞杆26在柱塞缸23体内的一段自由行程有助于降低振动，但顶部柱塞盖24将柱塞杆26封锁在柱塞缸23内，在低压时又会形成真空。这样，柱塞缸23中腔内的气泡A与液压油B共同作用，可大幅度降低振动。

上述实施例为本发明较佳的实施方式、但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制、其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化、均应为等效的置换方式、都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种固液气减振式高速螺旋进给的摩擦装置，其特征在于：包括测力仪（1）、调载减振组件（2）、注油气锁紧组件（3）、夹具组件（4）、旋转摩擦件（5），其中旋转摩擦件（5）安装在外围的车床上并作旋转运动，注油气锁紧组件（3）与调载减振组件（2）连接后整体通过夹具组件（4）安装在测力仪（1）上，所述测力仪（1）安装在外围的车床刀塔上；

刀具材料棒（28）设置在所述调载减振组件（2）上，其端部与旋转摩擦件（5）的位置相对应；所述调载减振组件（2）能够调节刀具材料棒（28）受到的载荷并进行固体减振，递送其与旋转摩擦件（5）进行旋转摩擦，实现刀-屑摩擦工况的模拟；所述注油气锁紧组件（3）向所述调载减振组件（2）注入液压油进行液体减振，注入过程产生的气泡也起到减振作用；所述测力仪（1）能够测量刀具材料棒（28）受到的轴向力和径向力。

2.根据权利要求1所述的固液气减振式高速螺旋进给的摩擦装置，其特征在于：所述夹具组件（4）包括后支撑座（9）、中间支撑座（10）、紧定螺钉一（11）、前支撑座（12）、中间支撑底座（15），其中前支撑座（12）、中间支撑座（10）和后支撑座（9）依次安装在测力仪（1）上；中间支撑座（10）和测力仪（1）之间还安装有中间支撑底座（15）；所述前支撑座（12）上加工有刀具材料棒（28）安装孔，并设置有紧定螺钉一（11）。

3.根据权利要求2所述的固液气减振式高速螺旋进给的摩擦装置，其特征在于：所述调载减振组件（2）包括调载螺钉（16）、活塞盖（17）、蝶形弹簧（19）、活塞缸（21）、左活塞（29）、分离塞（30）、右活塞（31）；其中活塞缸（21）上加工有与内腔相连通的注油口，其内腔分别安装有左活塞（29）和右活塞（31），两者之间还设置有分离塞（30），分离塞（30）与左活塞（29）之间形成液压腔；左活塞（29）的凸台面与活塞缸（21）的内壁之间、右活塞（31）的凸台面与分离塞（30）之间分别安装有蝶形弹簧（19）；活塞缸（21）的开口端安装有活塞盖（17），调载螺钉（16）水平安装在活塞盖（17）的中部并与右活塞（31）连接；左活塞（29）的端部水平安装有刀具材料棒（28）；

调载减振组件（2）的活塞缸（21）通过前支撑座（12）、中间支撑座（10）以及后支撑座（9）水平安装在测力仪（1）上，活塞盖（17）安装在后支撑座（9）上，刀具材料棒（28）的端部通过紧定螺钉一（11）安装在前支撑座（12）上，其端部穿过前支撑座（12）的安装孔并与旋转摩擦件（5）位置相对应。

4.根据权利要求3所述的固液气减振式高速螺旋进给的摩擦装置，其特征在于：所述刀具材料棒（28）通过紧定螺钉二（27）安装在左活塞（29）上，紧定螺钉二（27）位于左活塞（29）的圆周面上并处于活塞缸（21）的外侧。

5.根据权利要求4所述的固液气减振式高速螺旋进给的摩擦装置，其特征在于：所述刀具材料棒（28）与前支撑座（12）的安装孔之间还设置有尼龙轴套（13）。

6.根据权利要求3或5所述的固液气减振式高速螺旋进给的摩擦装置，其特征在于：所述注油气锁紧组件（3）包括O型密封圈二（22）、柱塞缸（23）、柱塞盖（24）、柱塞杆盖（25）、柱塞杆（26）；其中，柱塞杆（26）安装在柱塞缸（23）的内腔，柱塞盖（24）穿过柱塞杆（26）并安装在柱塞缸（23）的端部开口；柱塞杆（26）下方形成注油通道，其位于柱塞缸（23）内的端部与柱塞缸（23）的内部之间还设置有O型密封圈二（22），另一端部上设置有柱塞杆盖（25）；所述柱塞缸（23）安装在活塞缸（21）的注油口上，其内腔与液压腔连通，即柱塞杆（26）下方的注油通道与所述液压腔连通。

7.根据权利要求6所述的固液气减振式高速螺旋进给的摩擦装置，其特征在于：所述柱塞杆（26）上位于柱塞缸（23）内的端部上加工有与所述注油通道连通的孔。

8.根据权利要求6或7所述的固液气减振式高速螺旋进给的摩擦装置，其特征在于：所述刀具材料棒（28）的摩擦端部圆周面上沿径向电火花加工有微孔，微孔内设置有热电偶（32）。

9.根据权利要求3或5所述的固液气减振式高速螺旋进给的摩擦装置，其特征在于：所述左活塞（29）、分离塞（30）与活塞缸（21）内壁之间分别设置有O型密封圈一（20）。

10.根据权利要求9所述的固液气减振式高速螺旋进给的摩擦装置，其特征在于：所述右活塞（31）与活塞缸（21）的内壁之间设置有导向环（18）。