CN106017974A - 一种制备切屑根的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种制备切屑根的装置和方法，该制备切屑根的装置包括数控车床工作台、激光加热单元和快速落刀单元，数控车床工作台上设有用于安装工件的固定件，激光加热单元用于对工件进行加热；快速落刀单元安装在数控车床工作台；快速落刀单元上安装有刀具，用于对工件进行切削。与现有技术比较，本发明提供的一种制备切屑根的装置和方法，由于采用激光加热单元和快速落刀单元，能够在较大的加热温度区间内完成高温下切屑根的制备，切削区的材料的变形不会被破坏，且落刀过程中刀具相对于工件所移动的距离很小，刀具不会受到损坏。

Description

一种制备切屑根的装置和方法

技术领域

本发明涉及机械加工设备领域，具体涉及一种制备切屑根的装置和方法。

背景技术

随着现代制造业的发展，难加工材料的应用愈来愈多，加热辅助切削技术能有效地解决难加工材料的切削加工，该技术现在发展成为特种切削加工中一个重要的发展方向，但是材料在高温下的车削变形机理尚没有进行深入的研究，这些都要求我们更加深入地掌握高温下切削过程的规律，并以此为基础创造出先进的切削技术，以适应切削加工发展的新需要。但切削加工过程是一个复杂的非线性过程，且加工模型的可预测性较低，加工过程中会出现各种物理现象，如切削力、切削热、刀具的磨损、积屑瘤以及切削振动等，都还需要作进一步的深入研究。这些物理现象都与切屑形成过程的规律密切相关，因此，研究切屑形成过程的有关规律就具有很强的理论意义，对解决生产实际问题也有指导作用。为研究切削过程中切屑的形成机理，就要分析刀具切削刃处刀-屑接触区以及后刀面处的变形情况。最常用的方法是使用快速落刀装置，使刀具以较大的加速度突然离开切削区，通过“冻结”在退刀瞬时的切削状态以获得切屑根部，再将根部和工件分离，制成切屑根部的金相试样，以进行后续的研究，通过实验结果和理论分析，探讨在该切削条件下金属切削层的变形情况。

目前没有出现一种在高温下制备切屑根的装置和方法，以解决难加工材料，例如陶瓷、高温合金、淬硬钢、复合材料等在高温下变形的机理分析。

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。

发明内容

为解决上述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，

一方面提供一种制备切屑根的装置，其包括数控车床工作台、激光加热单元和快速落刀单元，所述数控车床工作台上设有用于安装工件的固定件，所述激光加热单元用于对所述工件进行加热；所述快速落刀单元安装在所述数控车床工作台；所述快速落刀单元上安装有刀具，用于对所述工件进行切削。

较佳的，所述激光加热单元包括激光器、光纤和激光聚焦头，所述光纤一端与所述激光器连接，另一端与所述激光聚焦头连接。

较佳的，所述激光加热单元还包括激光聚焦头调整机构，所述激光聚焦头安装在所述激光聚焦头调整机构上。

较佳的，所述快速落刀单元为爆炸式快速落刀单元，所述爆炸式快速落刀单元包括拉栓、撞针、射钉弹、撞击块、刀夹和铸铁销；所述刀具安装在所述刀夹上。

较佳的，上述制备切屑根的装置还包括刀架，所述快速落刀单元安装在所述刀架上。

较佳的，上述制备切屑根的装置还包括机床导轨，所述刀架安装在所述机床导轨上。

较佳的，上述制备切屑根的装置还包括红外测温仪和工控机，所述工控机分别与所述红外测温仪和所述激光器电连接。

较佳的，所述固定件为三爪卡盘。

又一方面提供一种根据上述制备切屑根的装置制备切屑根的方法，该方法包括以下步骤：

步骤S101，将工件安装在数控车床工作台上的固定件上；

步骤S102，将刀具调整到所述工件的切削位置；

步骤S103，打开机床和激光器；

步骤S104，通过激光聚焦头调整机构调整激光聚焦头的位置，控制激光光斑的入射位置与光斑直径，使之照射在所述工件的切削区域；

步骤S105，设置机床的切削参数和激光器的激光参数；

其中，所述切削参数包括切削速度、切削深度和进给速度；所述激光参数包括：激光功率、预热时间、激光运动速度和激光光斑中心到刀具中心的距离；所述激光参数通过温度场有限元仿真获得；

步骤S106，将射钉弹安装到爆炸式快速落刀单元中；

步骤S107，打开光闸，对所述切削区域进行加热；

步骤S108，当所述切削区域的温度达到加工要求时，开始切削，切削达到稳定阶段时，拉动拉栓，拉栓触发撞针，撞针撞击到射钉弹，射钉弹爆炸后瞬间产生高的气体压力，气体压力冲击撞击块，撞击块撞击到刀夹，然后冲断支撑刀夹的铸铁销，刀夹带动刀具快速离开工件，冻结此时切削状态，高温下的切屑根保留在工件上，完成切屑根的制备。

较佳的，在上述方法还包括：

步骤S109，关闭光闸；步骤S1010，取下保留有切屑根的工件，利用线切割将切屑根取下，镶嵌后打磨，进行显微组织以及形貌的观察分析。

与现有技术比较本发明的有益效果在于：本发明提供的一种制备切屑根的装置和方法，由于采用激光加热，并且能够调整激光参数，能够在较大的加热温度区间内完成高温下切屑根的制备，且升温快，易于控制。采用爆炸式快速落刀单元，刀具与工件分离时间在μs数量级，切削区的材料的变形不会被破坏，且落刀过程中刀具相对于工件所移动的距离很小，刀具不会受到损坏。在切屑和工件表面所引起的几何形状与金属组织的变化小。本发明的装置在常用的切削条件范围内有较好的静刚度和动刚度。结构简单，操作方便。

附图说明

为了更清楚地说明本发明各实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明提供的一种制备切屑根的装置的结构示意图；

图2为爆炸式快速落刀单元的结构示意图；

图3为本发明提供的一种利用上述装置制备切屑根方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

实施例一

如图1和图2所示，图1为本发明提供的一种制备切屑根的装置的结构示意图，图2为本发明中爆炸式快速落刀单元的结构示意图，该装置包括数控车床工作台1、三爪卡盘2、激光加热单元、红外测温仪7、工控机9、刀具10、爆炸式快速落刀单元11、刀架12和机床导轨13。爆炸式快速落刀单元11包括：拉栓14、撞针15、射钉弹16、撞击块17、刀夹18和铸铁销19。激光加热单元包括：激光聚焦头4、激光聚焦头调整机构5、光纤6和激光器8。

三爪卡盘2固定安装在车床工作台1上，三爪卡盘2用于卡装工件3。刀架12固定安装在机床导轨13上，爆炸式快速落刀单元11固定安装在刀架12上，刀具10固定安装在爆炸式快速落刀单元11中的刀夹18里，爆炸式快速落刀单元11和刀架12通过机床导轨13能够在数控车床工作台1上沿着工件3的长度方向上来回移动，方便将刀具10移动到工件3的合适位置。爆炸式快速落刀单元11能够在刀架12上上下移动。激光聚焦头4通过光纤与激光器8连接，激光聚焦头4安装在激光聚焦头调整机构5上，通过激光聚焦头调整机构5能够调整激光聚焦头4的位置。红外测温仪7与工控机9电连接，工控机9和激光器8电连接。激光聚焦头调整机构5能够调整激光聚焦头4射出的激光的入射方向和入射在工件3表面的光斑直径大小。红外测温仪7能够实时采集切削区域的温度场数据，并将其传输到工控机9，工控机9将接收到的温度场数据与内部存储的优化的温度场数据进行对比，根据对比结果控制激光器8及时调整激光参数，使切削区域的温度场与优化的温度场始终一致，从而提高刀具10的使用寿命，提高加工表面质量。

实施例二

如图3所示，为本发明提供的一种利用上述制备切屑根的装置制备切屑根方法的流程图，该制备切屑根的方法包括以下步骤：

步骤S101，将工件3安装在数控车床工作台1上的三爪卡盘2上。

步骤S102，通过机床导轨13和刀架12将刀具10调整到工件3的切削位置。

步骤S103，打开机床和激光器。

步骤S104，通过激光聚焦头调整机构5调整激光聚焦头4的位置，控制激光光斑的入射位置与光斑直径，使之照射在工件3的切削区域。

步骤S105，设置机床的切削参数和激光器的激光参数。

其中，切削参数包括切削速度、切削深度和进给速度。激光参数包括：激光功率、预热时间、激光运动速度和激光光斑中心到刀具中心的距离。激光参数通过温度场有限元仿真获得，利用红外测温仪测量激光照射区域的温度场以验证仿真的准确性。具体的首先按照工件的大小建立模型划分网格，将激光看做为表面热流，加载热辐射与对流边界条件，并通过温度测量试验修正边界条件后，即可得到准确的温度分布预测模型。温度场有限元仿真理论如下所述：激光照射在固体表面时光能的吸收主要发生在式样表层，因此激光在固体表面的热作用可以视为发生在表面一个无限薄的区域内，在此区域内激光可以看做表面热源。该表面热源可以用公式(1)表示为：

$I=\frac{2{\mathrm{AP}}_l}{{\mathrm{\πR}}^2}\exp \left(\frac{-2r^2}{R^2}\right)---\left(1\right)$

式中P_l为激光功率(W)；A为激光吸收率；r为距离激光中心距离(m)；R为激光半径(m)。激光传热过程简化为旋转圆柱体受高斯移动热源与对流边界作用下三维瞬态传热问题。假设材料热性能等向，圆柱坐标系下导热微分方程如公式(2)所示：式中，λ为材料的导热系数(W/m·℃)；ρ为密度(kg/m³)；c_p为比热容(J/kg·℃)；q_v为内热源功率密度。

$\frac{1\∂}{r\∂r}\left(\mathrm{\λ}r\frac{\∂T}{\∂r}\right)+\frac{1\∂}{r^2\∂\mathrm{\φ}}\left(\mathrm{\λ}\frac{\∂T}{\∂\mathrm{\φ}}\right)+\frac{\∂}{\∂z}\left(\mathrm{\λ}\frac{\∂T}{\∂z}\right)+q_v={\mathrm{\ρc}}_p\frac{\∂T}{\∂t}---\left(2\right)$

在激光的照射下材料表面吸收的激光能量转化为热能，表面温度升高，与此同时材料内部进行着由表及里、由高温向低温的热传导。材料由激光获得热能视为一种边界条件，即材料表面存在一个随时间变化的外部热源。在工件圆周表面，激光光斑作用区域内时，

$\mathrm{\λ}\frac{\∂T}{\∂r_w}=q_{l,abs}-q_c-E\left(T\right)$

式中q_l,abs为材料吸收激光热量；q_c为材料表面对流换热，q_c＝h_c(T-T₀)；E(T)为材料表面辐射换热；h_c为复合换热系数(W/m·℃)；T₀为环境温度，T为加热温度。

步骤S106，将射钉弹16安装到爆炸式快速落刀单元11中。

步骤S107，打开光闸，对工件3上的切削区域进行加热。

步骤S108，当工件3上的切削区域的温度达到加工要求时，开始切削，切削达到稳定阶段时，爆炸式快速落刀单元11工作完成快速落刀，冻结切屑根。

具体的，切削达到稳定阶段是指当有稳定的切屑生成时的阶段。爆炸式快速落刀单元11工作完成快速落刀具体包括：拉动拉栓14，拉栓14触发撞针15，撞针15撞击到射钉弹16，射钉弹16爆炸后瞬间产生高的气体压力，气体压力冲击撞击块17，撞击块17撞击到刀夹18，然后冲断支撑刀夹18的铸铁销19，刀夹18带动刀具10快速离开工件3，冻结此时切削状态，高温下的切屑根保留在工件3上，完成切屑根的制备。

步骤S109，关闭光闸。

步骤S1010，小心取下保留有切屑根的工件3，利用线切割将切屑根取下，镶嵌后打磨，进行显微组织以及形貌的观察分析。

本发明提供的一种制备切屑根的装置和方法，由于采用激光加热，并且能够调整激光参数，能够在较大的加热温度区间内完成高温下切屑根的制备，且升温快，易于控制。采用爆炸式快速落刀单元，刀具与工件分离时间在μs数量级，切削区的材料的变形不会被破坏，且落刀过程中刀具相对于工件所移动的距离很小，刀具不会受到损坏。在切屑和工件表面所引起的几何形状与金属组织的变化小。本发明的装置在常用的切削条件范围内有较好的静刚度和动刚度。结构简单，操作方便。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种制备切屑根的装置，其特征在于，其包括数控车床工作台、激光加热单元和快速落刀单元，所述数控车床工作台上设有用于安装工件的固定件，所述激光加热单元用于对所述工件进行加热；所述快速落刀单元安装在所述数控车床工作台；所述快速落刀单元上安装有刀具，用于对所述工件进行切削。

2.根据权利要求1所述的制备切屑根的装置，其特征在于，所述激光加热单元包括激光器、光纤和激光聚焦头，所述光纤一端与所述激光器连接，另一端与所述激光聚焦头连接。

3.根据权利要求2所述的制备切屑根的装置，其特征在于，所述激光加热单元还包括激光聚焦头调整机构，所述激光聚焦头安装在所述激光聚焦头调整机构上。

4.根据权利要求1所述的制备切屑根的装置，其特征在于，所述快速落刀单元为爆炸式快速落刀单元，所述爆炸式快速落刀单元包括拉栓、撞针、射钉弹、撞击块、刀夹和铸铁销；所述刀具安装在所述刀夹上。

5.根据权利要求1所述的制备切屑根的装置，其特征在于，其还包括刀架，所述快速落刀单元安装在所述刀架上。

6.根据权利要求5所述的制备切屑根的装置，其特征在于，其还包括机床导轨，所述刀架安装在所述机床导轨上。

7.根据权利要求2所述的制备切屑根的装置，其特征在于，其还包括红外测温仪和工控机，所述工控机分别与所述红外测温仪和所述激光器电连接。

8.根据权利要求1所述的制备切屑根的装置，其特征在于，所述固定件为三爪卡盘。

9.一种根据权利要求1-8任一所述的装置制备切屑根的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤S101，将工件安装在数控车床工作台上的固定件上；

步骤S102，将刀具调整到所述工件的切削位置；

步骤S103，打开机床和激光器；

步骤S104，通过激光聚焦头调整机构调整激光聚焦头的位置，控制激光光斑的入射位置与光斑直径，使之照射在所述工件的切削区域；

步骤S105，设置机床的切削参数和激光器的激光参数；

其中，所述切削参数包括切削速度、切削深度和进给速度；所述激光参数包括：激光功率、预热时间、激光运动速度和激光光斑中心到刀具中心的距离；所述激光参数通过温度场有限元仿真获得；

步骤S106，将射钉弹安装到爆炸式快速落刀单元中；

步骤S107，打开光闸，对所述切削区域进行加热；

步骤S108，当所述切削区域的温度达到加工要求时，开始切削，切削达到稳定阶段时，拉动拉栓，拉栓触发撞针，撞针撞击到射钉弹，射钉弹爆炸后瞬间产生高的气体压力，气体压力冲击撞击块，撞击块撞击到刀夹，然后冲断支撑刀夹的铸铁销，刀夹带动刀具快速离开工件，冻结此时切削状态，高温下的切屑根保留在工件上，完成切屑根的制备。

10.根据权利要求9所述的装置制备切屑根的方法，其特征在于，其还包括步骤S109，关闭光闸；

步骤S1010，取下保留有切屑根的工件，利用线切割将切屑根取下，镶嵌后打磨，进行显微组织以及形貌的观察分析。