CN105651637A

CN105651637A - 基于落锤冲击实验机的高速切削实验装置

Info

Publication number: CN105651637A
Application number: CN201610159870.2A
Authority: CN
Inventors: 叶贵根; 朱秀星; 薛世峰
Original assignee: China University of Petroleum East China
Current assignee: China University of Petroleum East China
Priority date: 2016-03-21
Filing date: 2016-03-21
Publication date: 2016-06-08
Anticipated expiration: 2036-03-21
Also published as: CN105651637B

Abstract

本发明属于金属切削领域，具体地，涉及一种基于落锤冲击实验机的高速切削实验装置。基于落锤冲击实验机的高速切削实验装置，包括：落锤冲击实验机、变速单元、减程单元、切削单元和回收单元；落锤冲击实验机、减程单元、切削单元和回收单元沿同一方向依次分布；变速单元的滑轮组固定在落锤冲击实验机上，落锤冲击实验机的落锤和减程单元的滚轮经由绕过滑轮的钢丝绳相连；减程单元的轮架和切削单元的滑杆通过牵引钢丝绳相连；切削单元的滑杆和回收单元的固定墩通过钢索相连。本发明能够实现高速正交切削实验，同时避免了由于高速加载而引起的震动；利用光栅光纤测量切削力，具有抗干扰能力强、采集频率高的特点，适用于捕捉切削力的高频波动。

Description

基于落锤冲击实验机的高速切削实验装置

技术领域

本发明属于金属切削领域，具体地，涉及一种基于落锤冲击实验机的高速切削实验装置。

背景技术

先进制造技术被视为提高产业竞争和增强综合国力的根本保证，而高速切削是集高效、优质、低耗于一身的先进制造技术，是切削加工技术的发展方向，具有广阔的应用前景。高速切削机理是高速切削技术应用和发展的理论基础，对我国制造产业的发展起着举足轻重的指导作用。但是，当前对高速切削理论的研究严重滞后于工程应用，至今尚未形成比较完整的理论体系，这种状况已经严重制约了我国国民经济的快速发展。为了更好地理解高速切削机理，急需发展有效的高速切削实验装置来研究高速切削过程中的相关机理及规律。

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。另外在车床加工中，工件的直径通常比较小，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。更为重要的是，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。目前，也有研究人员通过轻气炮或Hopkinson压杆等气动加载装置来实现高速切削。但是，利用气动加载需要通过调整气压大小来调节切削速度，而气压大小很难精确调节，这使得切削速度不好精确控制。更为重要的是，气动加载时高压气体的爆轰过程会引起整个实验装置的震动。这种震动会影响切削精度，同时会诱发锯齿状切屑的形成，从而影响高速切削机理的研究。因此，目前急需一种有效的装置来实现高速切削，同时避免由于高速加载而引起的震动。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于落锤冲击实验机的高速切削实验装置，在实现高速正交切削的同时避免由于高速加载而引起的震动，同时可以完成切削力的高频测量。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于落锤冲击实验机的高速切削实验装置，包括：落锤冲击实验机、变速单元、减程单元、切削单元和回收单元；落锤冲击实验机、减程单元、切削单元和回收单元沿同一方向依次分布；变速单元的动滑轮和定滑轮固定在落锤冲击实验机上，落锤冲击实验机的落锤和减程单元的滚轮经由绕过滑轮的钢丝绳相连；减程单元的轮架和切削单元的滑杆通过牵引钢丝绳相连；切削单元的滑杆和回收单元的固定墩通过钢索相连。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、能够实现高速正交切削实验，同时避免了由于高速加载而引起的震动问题。

2、利用梁式刀架和光纤光栅测量切削力，方便快捷，具有抗干扰能力强、测量精度高、采集频率超高的特点，特别适用于捕捉锯齿状切屑形成过程中切削力的高频波动情况，为高速切削机理研究提供基础。

附图说明

图1为基于落锤冲击实验机的高速切削实验装置示意图；

图2为减程单元、切削单元和回收单元局部三维示意图；

图3为切削单元三维示意图；

图中：1、落锤冲击实验机；101、机座框架；102、导轨；103、落锤；2、变速单元；201、定滑轮；202、动滑轮；203、钢丝绳；204、定向轮；3、减程单元；301、底座；302、滑道；303、滚轮；304、轮架；4、切削单元；401、牵引钢丝绳；402、滑行支座；403、滑槽；404、滑杆；405、导向键；406、工件；407、刀架支座；408、刀架；409、刀具；410、光栅；411、光纤；412、光栅光纤动态解调仪；413、计算机；5、回收单元；501、固定墩；502钢索。

具体实施方式

如图1所示，基于落锤冲击实验机的高速切削实验装置，包括：落锤冲击实验机1、变速单元2、减程单元3、切削单元4和回收单元5；落锤冲击实验机1、减程单元2、切削单元4和回收单元5沿同一方向依次分布；变速单元2的动滑轮和定滑轮固定在落锤冲击实验机1上，落锤冲击实验机1的落锤和减程单元3的滚轮经由绕过滑轮的钢丝绳相连；减程单元的轮架和切削单元的滑杆通过牵引钢丝绳相连；切削单元的滑杆和回收单元的固定墩通过钢索相连；落锤冲击实验机的落锤通过自由落体运动，经由滑轮组拖拽盘绕在滚轮上的钢丝绳，使滚轮在轮架内自由转动；当落锤下落到一定距离并拥有相当速度时，钢丝绳被拉紧绷直，进而拉动轮架以及与之相连的滑杆，使轮架和滑杆分别沿滑道和滑槽高速滑行；滑杆在高速滑行过程中携带工件撞击固定于梁式刀架上的刀具，从而实现高速正交切削，切削过程中的切削力由梁式刀架上安装的光栅光纤测力系统测量；切削完成后滑杆被回收单元的钢索拖拽进而减速停止。

落锤冲击试验机1用于实施高速牵引加载，包括：机座框架101、导轨102、落锤103、升降机构和数控设备；机座框架101固定在地面上，机座框架101包括上横梁和下横梁，两根平行的导轨102垂直安装于机座框架101的上横梁和下横梁之间；落锤103嵌装在导轨上，可沿导轨上下自由滑动；落锤103具有相当大的质量，实验前落锤103由升降机构抬升到一定高度，实验过程中落锤103自由下落，当下落到最低点时具有较高的速度和动能，由此可以提供高速牵引载荷；落锤冲击试验机的操作和数据采集由数控设备控制。

变速单元2用于连接落锤和减程单元，使减程单元的轮架在落锤的牵引下高速滑动，其主要包括N+1个定滑轮201、N个动滑轮202、钢丝绳203和定向轮204；定滑轮201安装在机座框架101的上横梁上，动滑轮202安装在落锤103上，定滑轮201和动滑轮202位于同一平面；钢丝绳203的一端固定在机座框架101的横梁上，另一端在依次交替绕过定滑轮201和动滑轮202后由定向轮204牵引至减程单元的滚轮303；经过滑轮组变速后，钢丝绳203的末端线速度和移动距离均为落锤的2N倍；

减程单元3用于减少工件的滑动距离，节省实验空间，包括：底座301、滑道302、滚轮303和轮架304；底座301、滑道302、滚轮303和轮架304在落锤冲击试验机的一侧沿同一轴线对称分布，其对称轴落于变速单元的钢丝绳所在平面内；底座301固定在地面上，两个滑道302对称布置于底座301的中上部；滚轮303安装在轮架304上，滚轮303可在轮架304内自由转动；轮架304装嵌在滑道内，可携带滚轮303沿滑道滑行；轮架304和滑道302之间设置卡簧，只有当轮架304受一定大小的拉力作用时卡簧才会松开，此时轮架304才能沿滑道302滑行；轮架304上设有定向孔，变速单元的钢丝绳203穿过定向孔后固定在滚轮303的中心位置；滚轮303上安装有可拆卸式手柄，在实验前通过旋转手柄使钢丝绳203盘绕在滚轮303上，从而大幅缩短滑道长度，节省实验空间；实验过程中，当落锤103下落到一定距离并拥有相当速度时，盘绕在滚轮上的钢丝绳被拉紧绷直，进而拉动轮架，使其沿滑道高速前行。

切削单元4用于实现高速正交切削并测量切削力，包括：牵引钢丝绳401、滑行支座402、滑槽403、滑杆404、导向键405、工件406、刀架支座407、梁式刀架408、刀具409、光栅410、光纤411、光栅光纤动态解调仪412和计算机413；滑行支座402固定在地面上，两个滑槽403沿轴线对称布置于滑行支座的上部，并贯穿整个滑行支座；滑杆404通过导向键405安装在滑槽403内，可沿滑槽水平滑动；滑杆404的前方设置有一个槽口，工件406固定于该槽口内；滑杆404的前端通过牵连钢丝绳401与减程单元的轮架304相连；当落锤103下落到一定距离时，减程单元的轮架304经由钢丝绳被落锤拖拽进而高速前行，与之相连的滑杆404也随之携带工件406沿滑槽403高速前行；切削单元的两个刀架支座407位于底座301和滑行支座402之间，对称固定在滑杆404的运行路线的正前方；梁式刀架408固定在刀架支座407上，刀具409安装在梁式刀架408的前端，刀具409的前刀面安置在梁式刀架408的纵向对称面上；刀具409可沿梁式刀架408的轴线滑动，从而调整切削厚度；刀具409与工件406之间的距离可调，确保落锤103在落地之后工件406才开始撞击刀具409，从而保证切削过程为匀速过程；梁式刀架408的两端为圆形截面梁，中间为方形截面梁；方形截面梁为测试截面，在其上下表面中心，沿轴线方向对称粘贴两个光栅410(a，b)，在其左右两侧粘贴另外两个光栅410(c，d)，光栅距离切削刃距离为L；光栅410通过光纤411与光栅光纤动态解调仪412相连，光栅光纤动态解调仪412通过数据线与计算机413相连，光栅410的应变数据经光栅光纤动态解调仪412解调后由计算机413记录并处理。

实验过程中，滑杆404携带工件406撞击固定在梁式刀架上的刀具409从而实现高速切削，切削过程中刀具409受到工件309施加的作用力，作用力可分解为沿ox方向的轴向切削力和沿oy方向的横向推挤力，分别使梁式刀架发生oy方向的压缩变形和绕oz轴的弯曲变形；由于光栅410(a，b)位于截面中心，所以它们由弯曲引起的应变为零；

公式(1)给出了轴向切削力和横向推挤力关于4个光栅应变的关系，式中F_x为轴向切削力，F_y为横向推挤力，E为梁式刀架的弹性模量，A为梁式刀架方形截面梁的截面面积，W_z为梁式刀架方形截面梁关于oz轴的抗弯截面系数，ε₁、ε₂，ε₃，ε₄分别为光栅410(a，b，c，d)的应变，应变压为正、拉为负。将测得的光栅应变带入公式(1)，即可获得高速切削过程中的轴向切削力和横向推挤力。

\{\begin{matrix} F_{x} = {EW}_{z} \frac{(ϵ_{3} - ϵ_{4})}{2 L} \\ F_{y} = E A \frac{(ϵ_{1} + ϵ_{2})}{2} \end{matrix} - - - (1)

回收单元用于在切削完成后阻止滑杆404和轮架304继续前行，包括固定墩501和钢索502；固定墩501通过钢索502与滑杆404的尾部相连；钢索502初始蛇形布置于滑杆404和固定墩501之间；切削完成后钢索502被拉直，从而拖拽滑杆404，阻止滑杆404和轮架304继续前行。

实验过程中，落锤103通过自由落体运动经由滑轮组拖拽盘绕在滚轮303上的钢丝绳203，使得滚轮303在轮架304内自由转动；当落锤103下落到一定距离并拥有相当速度时，钢丝绳203被拉紧绷直，进而拉动轮架304以及与之相连的滑杆404，使它们分别沿滑道302和滑槽403高速滑行；滑杆404在高速滑行过程中携带工件406撞击固定于梁式刀架408上的刀具409，从而实现高速正交切削，切削过程中的切削力由梁式刀架408上安装的光栅光纤测力系统测量；切削速度可利用切削长度除以光纤光栅测力系统记录的切削时间得到；切削完成后钢索502被拉直，进而拖拽滑杆404，阻止滑杆404和轮架304继续前行。

实施例一

具体实施步骤如下：

将冲击能量为5000焦的落锤安装于落锤冲击试验机上，落锤距离地面高度5m；

在落锤上安装3个动滑轮，在落锤冲击实验机机座框架的横梁上安装4个定滑轮；将长度适当的钢丝绳的一端固定在机座框架的横梁上，另一端依次绕过定滑轮和动滑轮，然后由定向轮牵引至轮架，将钢丝绳穿过轮架的定向孔后固定在滚轮中心；将轮架移动至滑道顶端，设置好滑道和轮架之间的卡簧；利用可拆卸式手柄将钢丝绳盘绕在滚轮上，并绷紧钢丝绳；

将长3cm、宽3.5cm、厚2mm的钛合金工件固定于截面尺寸为2cm×2cm、长40cm的滑杆前端的槽口内；将滑杆通过导向键安装于滑行支座的滑槽内；

将倾角为0°、后角7°的刀具安装于刀架上；调整滑杆在滑槽中的位置，使工件接触刀具；调整刀具沿梁式刀架轴线的位置，使切削厚度为0.1mm，固定刀具；

调整滑杆位置，使滑杆和轮架之间的牵引钢丝绳绷紧；

将4个粘贴在梁式刀架上的光栅经光纤连接至采集频率为2MHz的4通道光栅光纤动态解调仪，将光栅光纤动态解调仪与计算机通过数据线相连，启动光栅光纤动态解调仪和计算机，开始采集4个光栅的应变数据；

启动落锤冲击实验机，使落锤自由下落；落锤下落过程中拖拽钢丝绳，使滚轮转动；当落锤下落到一定距离并拥有相当速度时，钢丝绳被拉紧绷直，从而拉动轮架以及滑杆，使其高速滑行；滑杆在高速滑行过程中携带工件撞击固定于梁式刀架上的刀具，从而实现高速正交切削；切削过程中梁式刀架上的变形由光栅测量，并由计算机记录；切削完成后停止光栅光纤数据采集；根据公式1，结合4个光栅的应变数据计算出轴向切削力和横向推挤力，其平局值分别为426N和97N。利用切削长度除以光纤光栅测力系统记录的切削时间得到切削速度，为41.2m/s。

Claims

1.一种基于落锤冲击实验机的高速切削实验装置，包括：落锤冲击实验机、变速单元、减程单元、切削单元和回收单元；其特征在于，落锤冲击实验机、减程单元、切削单元和回收单元沿同一方向依次分布；变速单元的动滑轮和定滑轮固定在落锤冲击实验机上，落锤冲击实验机的落锤和减程单元的滚轮经由绕过滑轮的钢丝绳相连；减程单元的轮架和切削单元的滑杆通过牵引钢丝绳相连；切削单元的滑杆和回收单元的固定墩通过钢索相连。

2.根据权利要求1所述的基于落锤冲击实验机的高速切削实验装置，其特征在于：落锤冲击试验机包括：机座框架、导轨、落锤、升降机构和数控设备；机座框架固定在地面上，机座框架包括上横梁和下横梁，两根平行的导轨垂直安装于机座框架的上横梁和下横梁之间；落锤嵌装在导轨上，可沿导轨上下自由滑动；落锤冲击试验机的操作和数据采集由数控设备控制。

3.根据权利要求1-2所述的基于落锤冲击实验机的高速切削实验装置，其特征在于：变速单元,包括多个定滑轮、多个动滑轮、钢丝绳和定向轮；定滑轮安装在机座框架的上横梁上，动滑轮安装在落锤上，定滑轮和动滑轮位于同一平面；钢丝绳的一端固定在机座框架的横梁上，另一端在依次交替绕过定滑轮和动滑轮后由定向轮牵引至减程单元的滚轮。

4.根据权利要求1-3所述的基于落锤冲击实验机的高速切削实验装置，其特征在于：减程单元，包括：底座、滑道、滚轮和轮架；底座、滑道、滚轮和轮架在落锤冲击试验机的一侧沿同一轴线对称分布，其对称轴落于变速单元的钢丝绳所在平面内；底座固定在地面上，两个滑道对称布置于底座的中上部；滚轮安装在轮架上，滚轮可在轮架内自由转动；轮架装嵌在滑道内，可携带滚轮沿滑道滑行；轮架和滑道之间设置卡簧；轮架上设有定向孔，变速单元的钢丝绳穿过定向孔后固定在滚轮的中心位置；滚轮上安装有可拆卸式手柄，在实验前通过旋转手柄使钢丝绳盘绕在滚轮上。

5.根据权利要求1-4所述的基于落锤冲击实验机的高速切削实验装置，其特征在于：切削单元，包括：牵引钢丝绳、滑行支座、滑槽、滑杆、导向键、工件、刀架支座、梁式刀架、刀具、光栅、光纤、光栅光纤动态解调仪和计算机；滑行支座固定在地面上，两个滑槽沿轴线对称布置于滑行支座的上部，并贯穿整个滑行支座；滑杆通过导向键安装在滑槽内，可沿滑槽水平滑动；滑杆的前方设置有一个槽口，工件固定于该槽口内；滑杆的前端通过牵连钢丝绳与减程单元的轮架相连；切削单元的两个刀架支座位于底座和滑行支座之间，对称固定在滑杆的运行路线的正前方；梁式刀架固定在刀架支座上，刀具安装在梁式刀架的前端，刀具的前刀面安置在梁式刀架的纵向对称面上；刀具可沿梁式刀架的轴线滑动，刀具与工件之间的距离可调，梁式刀架的两端为圆形截面梁，中间为方形截面梁；方形截面梁为测试截面，在其上下表面中心，沿轴线方向对称粘贴两个光栅，在其左右两侧粘贴另外两个光栅，光栅通过光纤与光栅光纤动态解调仪相连，光栅光纤动态解调仪通过数据线与计算机相连，光栅的应变数据经光栅光纤动态解调仪解调后由计算机记录并处理。

6.根据权利要求1-5所述的基于落锤冲击实验机的高速切削实验装置，其特征在于：回收单元，包括固定墩和钢索；固定墩通过钢索与滑杆的尾部相连；钢索初始蛇形布置于滑杆和固定墩之间。