CN112730135A - 用于材料直角自由切削实验的装置 - Google Patents

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CN112730135A CN202110010882.XA CN202110010882A CN112730135A CN 112730135 A CN112730135 A CN 112730135A CN 202110010882 A CN202110010882 A CN 202110010882A CN 112730135 A CN112730135 A CN 112730135A
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Abstract

本发明公开了用于材料直角自由切削实验的装置，包括：圆柱基台、圆柱压块、圆板试件、圆柱上盖板和定位销。圆柱基台、圆柱压块、圆板试件和圆柱上盖板依次相连，并通过定位销实现同轴定位。圆柱基台的左端通过车床上的三爪卡盘定位夹紧，圆柱上盖板的右端通过车床上的回转顶尖沿Z轴方向顶紧。该装置实现了将平板类材料用径向车削的方式进行直角自由切削实验，降低了平板类材料直角自由切削实验的实施难度，并增加了直角自由切削实验结果的可靠性及稳定性，实现了板类零件大回转半径的高速车削。

Description

用于材料直角自由切削实验的装置
技术领域
本发明涉及直角自由切削，特别涉及用于材料直角自由切削实验的装置。
背景技术
直角自由切削是一种切削刃垂直于切削方向即刃倾角为零度的切削方式，它是材料切削加工(例如车削、铣削、钻削等)当中最基本的切削模式。因为直角自由切削的模型简单，能够快速地建立切削作用理论模型，因此直角自由切削方式常被用于各种材料的切削机理研究。
传统的直角自由切削实验研究通常采用车削的方式实施，需要将大直径棒料预先加工成环桶状或圆形筋板状作为实验试件，然后沿着Z向或者X向直线进给车削。然而，这种实验方案并不适用于平板类零件的直角自由切削实验，并且，该方案实验试件的准备工作量大，实验试件通常采用的是高筋板结构，因此在切削时容易产生弹性回弹，导致实验结果的可靠性及稳定性受到较大的影响。对于平板类零件的直角自由切削实验研究，目前多采用刨削的方式，该方式面临切削速度低，切削参数选择范围极其有限等问题，与实际的切削工况存在较大差异，使得机理研究与生产实践存在一定的脱节。
近年来，金属玻璃、复合材料等先进材料得到了极大的发展，然而由于它们生产工艺的限制，这类材料的尺寸或者形状常常受到很大的限制，因此，难以开展传统直角自由切削实验研究。例如：张卫国(2012)在其博士论文中采用外圆车削的方式，对金属玻璃的切削机理展开研究，他所采用的工件外圆直径仅有16mm左右；另外，Feng Ding(2020)等人，运用刨削的方式，对金属玻璃板材进行直角自由切削研究，所参用的切削参数切削速度仅有0.17m/s。目前金属玻璃等先进材料切削机理的研究面临着几个问题：(1)工件尺寸小，限制了实验研究切削参数的选择范围，使得理论研究与实际切削工况存在差异；(2)不便于开展直角自由切削实验，不利于切削机理的研究；(3)在小尺寸工件上进行加工，存在较大的误差，影响了实验结果的准确性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于材料直角自由切削实验的装置，摆脱板类零件的尺寸与形状限制，更广泛便捷地开展直角自由切削实验研究，降低直角自由切削的实验成本，拓宽板类材料直角自由切削实验时的切削参数选择范围。
为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
用于材料直角自由切削实验的装置，包括：圆柱基台、圆柱压块、圆板试件、圆柱上盖板和定位销；圆柱基台、圆柱压块、圆板试件、圆柱上盖板，依次相连，呈Z轴方向排列；圆柱基台、圆柱压块、圆板试件、圆柱上盖板，通过穿过彼此之间在Z轴方向延伸的定位销实现同轴定位；圆柱基台一端与圆柱压块相连，另一端可以通过车床上的三爪卡盘定位夹紧，并驱动该装置绕Z轴转动；圆柱上盖板一端与圆板试件相连，另一端设有顶尖孔，可以通过车床上的回转顶尖沿Z轴方向顶紧该装置，并能产生圆柱基台、圆柱压块、圆板试件、圆柱上盖板之间的摩擦扭矩。
进一步地：
该装置的定位销采用单定位销，依次穿过圆柱基台、圆柱压块、圆板试件、圆柱上盖板的旋转轴心。
进一步地：
该装置的定位销采用双定位销，分别穿过圆柱基台、圆柱压块、圆板试件、圆柱上盖板。
进一步地：
回转顶尖推力N的取值范围为所使用车床最大推力的60％～80％。
进一步地：
圆板试件的厚度t与露出高度h的比值大于1。
进一步地：
圆柱压块和圆柱上盖板半径相同，所述圆柱基台的半径不大于圆柱压块和圆柱上盖板的半径。
进一步地：
圆柱压块和圆柱上盖板的最大直径Φ1amx，采用如下设计：
根据试件材料尺寸及车床加工行程，确定圆板试件的极限尺寸Φ0max；
根据圆板试件的厚度t，确定圆板试件(4)的露出高度h；
根据Φ0max及h值，得到圆柱压块(3)、圆柱上盖板的最大直径Φ1amx。
Φ1amx＝Φ0max-h (1)
进一步地：
圆柱压块和圆柱上盖板的最小半径R、圆柱基台的直径Φ2采用如下设计：
选取最低切削速度与最大进给量，进行实验，利用测力仪可测得切削力合力F，沿切向与径向分解切削力F，得到切向分力F0。
切削力对装置产生的扭矩大小T0通过公式(2)计算获得：
T0＝F0×R0 (2)
其中T0是切削力对装置产生的扭矩，F0是切削力沿圆板试件切向的分力，R0是圆板试件半径；
假设圆柱压块、圆柱上盖板半径是R1，当回转顶尖的压力确定后，圆板试件与圆柱压块、圆柱上盖板间的摩擦力产生的极限扭矩T1可通过公式(3)计算获得：
Figure BDA0002885089160000031
其中T1是圆板试件与圆柱压块、圆柱上盖板间的摩擦力产生的极限扭矩，μ1是圆板试件与圆柱压块、圆柱上盖板间的摩擦系数，可以通过摩擦系数仪测得；FN是回转顶尖提供的压力值，R1是圆柱压块、圆柱上盖板的半径。
进行直角自由切削时，需满足T1＞T0，由公式(2)、公式(3)可得：
Figure BDA0002885089160000032
圆柱基台与圆柱压块间的摩擦力产生的极限扭矩T2可通过公式(5)计算获得：
Figure BDA0002885089160000041
T2是圆柱基台与圆柱压块间的摩擦力产生的极限扭矩，单位是N·m，μ2是圆柱基台与圆柱压块间的摩擦系数，可以通过摩擦系数仪测得；R2是圆柱基台半径；
为了使装置能够顺利完成切削工作，必须满足T2＞T0，由公式(2)、公式(5)可得：
Figure BDA0002885089160000042
则圆柱压块与圆柱上盖板的最小半径R为：
R＝max(R1,R2) (7)
圆柱基台的直径Φ2＝2R。
用于材料直角自由切削实验的装置，其特征在于，所述装置包括：
圆柱基台、圆柱压块、圆板试件、圆柱上盖板和若干短定位销；
圆柱基台、圆柱压块、圆板试件、圆柱上盖板，依次相连，呈Z轴方向排列；
所述圆柱基台、圆柱压块通过穿过彼此之间在Z轴方向延伸的短定位销实现同轴定位；
所述圆柱压块、圆板试件、圆柱上盖板通过穿过彼此之间在Z轴方向延伸的短定位销实现同轴定位；
圆柱基台一端与圆柱压块相连，另一端可以通过车床上的三爪卡盘定位夹紧，并驱动该装置绕Z轴转动；
圆柱上盖板一端与圆板试件相连，另一端设有顶尖孔，可以通过车床上的回转顶尖沿Z轴方向顶紧该装置，并能产生圆柱基台、圆柱压块、圆板试件、圆柱上盖板之间的摩擦扭矩。
进一步地：
一段短定位销依次穿过所述圆柱基台、圆柱压块的旋转轴心，一段短定位销依次穿过所述圆柱压块、圆板试件、圆柱上盖板的旋转轴心。
本发明具有如下有益效果：
本发明实现了将平板类材料用径向车削的方式进行直角自由切削实验，降低了平板类材料直角自由切削实验的实施难度，同时扩大了平板类材料直角自由切削实验的切削速度等工艺参数的选择范围，解决了部分材料(例如金属玻璃等)因生产尺寸受限而无法开展直角自由切削实验研究的技术难题，并增加了直角自由切削实验结果的可靠性及稳定性，实现了板类零件大回转半径的高速车削。
附图说明
图1是本发明实施例的用于材料直角自由切削实验的装置的工作状态示意图；
图2是本发明一种实施例的用于材料直角自由切削实验的装置的结构示意图；
图3是本发明另一种实施例的用于材料直角自由切削实验的装置的结构示意图；
图4为本发明实施例的用于材料直角自由切削实验的装置剖面尺寸的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图通过具体实施例对本发明作进一步的描述。以下实施例仅用于更加清楚地表明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要说明的是，本实施例中的左、右、上、下、顶、底等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在一种具体的实施例中，如图3所示，用于材料直角自由切削实验的装置，包括：圆柱基台2、圆柱压块3、圆板试件4、圆柱上盖板6和单定位销9；圆柱基台2、圆柱压块3、圆板试件4、圆柱上盖板6，从左到右依次相连，呈Z轴方向排列；单定位销9依次穿过圆柱基台2、圆柱压块3、圆板试件4、圆柱上盖板6的旋转轴心，使圆柱基台2、圆柱压块3、圆板试件4和圆柱上盖板6实现同轴定位；圆柱基台6的左端可以通过车床上的三爪卡盘1定位夹紧，并驱动该装置绕Z轴转动；圆柱上盖板6的右端设有顶尖孔，可以通过车床上的回转顶尖7Z轴方向顶紧该装置，并能产生圆柱基台2、圆柱压块3、圆板试件4、圆柱上盖板6之间的摩擦扭矩。该种装置用于板类材料的径向车削，从而完成板类材料的直角自由切削。板件通过单定位销在装置上进行定位；装置通过车床的三爪卡盘及回转顶尖实现对板类零件的夹紧。通过装置的摩擦力驱动板类零件进行切削，实现板类零件大回转半径的高速车削。
在另一种具体的实施例中，如图2所示，用于材料直角自由切削实验的装置，与上一种实施例的区别在于把单定位销9改为双定位销8，双定位销8分别穿过圆柱基台2、圆柱压块3、圆板试件4、圆柱上盖板6，使圆柱基台2、圆柱压块3、圆板试件4和圆柱上盖板6实现同轴定位。对于切削力较小或者夹紧力足够的情况可以采用单定位销9，对于夹紧力不足或者切削力较大的情况应采用双定位销8。双定位销8采用双圆柱销，圆柱基台2、圆柱压块3、圆板试件4、圆柱上盖板6上带有两个定位孔，定位孔的大小及间距L，需要根据定位销的材料及实际切削载荷进行确定。本实施方式利用双定位销驱动圆板试件转动，产生过定位，增加装配的刚性，防止切削时发生切向及径向窜动。通过定位销的推力驱动板类零件进行切削，实现板类零件大回转半径的高速车削。
在优选的实施例中，圆柱基台2、圆柱压块3、圆板试件4、圆柱上盖板6采用两段短定位销分别定位。其中圆柱基台2、圆柱压块3的定位采用一段定位销，圆柱压块3、圆板试件4、圆柱上盖板6的定位采用另外一段定位销。
在优选的实施例中，为了提高试件材料的利用率，需要制造一系列尺寸的圆柱压块3、圆柱上盖板6。每完成一组直角自由切削加工，需要更换一组圆柱压块3、圆柱上盖板6，确保试件的露出高度符合要求，实验结果可靠且可重复。如工件材料获得成本较低，可将圆柱基台2、圆柱压块3进行一体设计制造，每个试件只进行一次直角自由切削实验，从而减小实验操作工作量。
在优选的实施例中，为了保证直角自由切削顺利可靠地进行，对装夹后的零件径向跳动以及平面跳动有较高的要求。为了保证零件装夹后的精度，装置的制造精度至关重要，装置的形位精度指标主要包括：圆柱基台2、圆柱压块3、圆柱上盖板6两端面的平面度与粗糙度、两端面的平行度、圆柱的全跳动、圆柱的轴心线与平面的垂直度，定位销孔的尺寸精度、位置精度以及与平面的垂直度。为了保证装置的制造精度，需要合理安排制造工艺，以压块的制造为例进行说明：
(1)下料后，使用铣床精铣两端平面，留磨削余量。
(2)双面平面磨削，保证两端面平行度、平面度及粗糙度。
(3)在数控加工中心上，一次装夹完成圆柱面铣削与定位孔加工。
(4)定位孔加工工艺：先钻底孔，然后扩孔保证位置精度，最后铰孔保证尺寸精度及孔壁表面质量。
在优选的实施例中，回转顶尖的推力N采用所选车床最大载荷的60％～80％。回转顶尖通过车床尾架向装置施加一定的压力，使圆柱基台2、圆柱压块3、圆板试件4、圆柱上盖板6之间能产生足够的摩擦扭矩，以实现板类零件大回转半径的高速车削。
在优选的实施例中，根据圆板试件的厚度t，确定圆板试件的露出高度h。以钛合金TC4板为例，建议t/h>1。其它材料可参照TC4并根据试件的硬度及弹性模量进行适当的调整，乘以一个系数k。对于较高硬度或较低弹性模量的材料，可适当增加t/h的值，对于低硬度或高弹性模量的材料可以适当地减小t/h的值。t/h的选择，以降低加工过程弹性回弹，提高加工实验结果可重复性为原则。
在优选的实施例中，圆柱压块3和圆柱上盖板6半径相同并配套使用，所述圆柱基台2的半径为圆柱压块3和圆柱上盖板6最小半径R，圆柱基台2的直径Φ2由以下计算方法得出：
圆板试件4的极限尺寸Φ0max由试件材料尺寸及车床加工行程确定。
根据Φ0max及h值，得到圆柱压块、圆柱上盖板的直径Φ1amx。
Φ1amx＝Φ0max-h (1)
实验法估算切削力极值F。通常切削力随着切削速度的提高而降低，随着切削厚度的增加而增加。选取最低切削速度与最大进给量，进行实验，利用测力仪可测得切削力合力F，沿切向与径向分解切削力F，得到切向分力F0。切削力对装置产生的扭矩大小T0即可通过公式(2)计算获得：
T0＝F0×R0 (2)
其中T0是切削力对装置产生的扭矩，单位N·m。F0是切削力沿圆板试件切向的分力，单位是N，R0是工件半径，单位是m。
计算极限尺寸。假设圆柱压块、圆柱上盖板半径是R1，当回转顶尖的压力确定后，圆板试件与圆柱压块、圆柱上盖板间的摩擦力产生的极限扭矩T1可通过公式(3)计算获得：
Figure BDA0002885089160000081
其中T1是圆板试件与圆柱压块、圆柱上盖板间的摩擦力产生的极限扭矩，单位是N·m，μ1是圆板试件与圆柱压块、圆柱上盖板间的摩擦系数，FN是顶尖提供的压力值，单位是N，R1是圆柱压块、圆柱上盖板的半径，单位是m。摩擦系数μ1可以通过摩擦系数仪测得。
进行直角自由切削时，需要满足T1＞T0，由公式(2)、公式(3)可得：
Figure BDA0002885089160000082
同理，可以计算圆柱基台的尺寸。圆柱基台2与圆柱压块3间的摩擦力产生的极限扭矩T2可通过公式(5)计算获得。
Figure BDA0002885089160000083
T2是圆柱基台与圆柱压块间的摩擦力产生的极限扭矩，单位是N·m，μ2是圆柱基台与圆柱压块间的摩擦系数，R2是圆柱基台半径，单位是m。摩擦系数μ2可以通过摩擦系数仪测得。
为了使装置能够顺利完成切削工作，必须满足T2＞T0，由公式(2)、公式(5)可得：
Figure BDA0002885089160000091
则圆柱压块与圆柱上盖板的最小半径R为：
R＝max(R1,R2) (7)
则圆柱基台(2)的直径Φ2＝2R。
根据所确定的各个结构尺寸参数进行装置的制造，进而可以开展平板材料的直角自由切削实验，实现板类零件大回转半径的高速车削。
本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不一定是描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.用于材料直角自由切削实验的装置，其特征在于，所述装置包括：
圆柱基台(2)、圆柱压块(3)、圆板试件(4)、圆柱上盖板(6)和定位销(8)；所述圆柱基台(2)、圆柱压块(3)、圆板试件(4)、圆柱上盖板(6)，依次相连，呈Z轴方向排列；
所述圆柱基台(2)、圆柱压块(3)、圆板试件(4)、圆柱上盖板(6)，通过穿过彼此之间在Z轴方向延伸的定位销(8)，实现同轴定位；
所述圆柱基台(2)一端与圆柱压块(3)相连，另一端可以通过车床上的三爪卡盘(1)定位夹紧，并驱动该装置绕Z轴转动；
所述圆柱上盖板(6)一端与圆板试件(4)相连，另一端设有顶尖孔，可以通过车床上的回转顶尖(7)沿Z轴方向顶紧该装置，并能产生圆柱基台(2)、圆柱压块(3)、圆板试件(4)、圆柱上盖板(6)之间的摩擦扭矩。
2.根据权利要求1所述的用于材料直角自由切削实验的装置，其特征在于，所述定位销为单定位销，依次穿过圆柱基台(2)、圆柱压块(3)、圆板试件(4)、圆柱上盖板(6)的旋转轴心。
3.根据权利要求1所述的用于材料直角自由切削实验的装置，其特征在于，所述定位销为双定位销，分别穿过圆柱基台(2)、圆柱压块(3)、圆板试件(4)、圆柱上盖板(6)。
4.根据权利要求1所述的用于材料直角自由切削实验的装置，其特征在于，所述回转顶尖(7)推力N的取值范围为所使用车床最大推力的60％～80％。
5.根据权利要求1所述的用于材料直角自由切削实验的装置，其特征在于，所述圆板试件(4)的厚度t与露出高度h的比值大于1。
6.根据权利要求5所述的用于材料直角自由切削实验的装置，其特征在于，所述圆柱压块(3)和圆柱上盖板(6)半径相同，所述圆柱基台(2)的半径不大于圆柱压块(3)和圆柱上盖板(6)的半径。
7.据权利要求6所述的用于材料直角自由切削实验的装置，其特征在于，所述圆柱压块(3)和圆柱上盖板(6)的最大直径Φ1amx，采用如下设计：
根据试件材料尺寸及车床加工行程，确定圆板试件的极限尺寸Φ0max；
根据圆板试件(4)的厚度t，确定圆板试件(4)的露出高度h；
根据Φ0max及h值，得到圆柱压块(3)、圆柱上盖板(6)的最大直径Φ1amx。
Φ1amx＝Φ0max-h (1)
8.根据权利要求7所述的用于材料直角自由切削实验的装置，其特征在于，所述圆柱压块(3)和圆柱上盖板(6)的最小半径R、圆柱基台(2)的直径Φ2，采用如下设计：
选取最低切削速度与最大进给量，进行实验，利用测力仪可测得切削力合力F，沿切向与径向分解切削力F，得到切向分力F0。
切削力对装置产生的扭矩大小T0通过公式(2)计算获得：
T0＝F0×R0 (2)
其中T0是切削力对装置产生的扭矩，F0是切削力沿圆板试件(4)切向的分力，R0是圆板试件(4)半径；
假设圆柱压块(3)、圆柱上盖板(6)半径是R1，当回转顶尖(7)的压力确定后，圆板试件(4)与圆柱压块(3)、圆柱上盖板(6)间的摩擦力产生的极限扭矩T1可通过公式(3)计算获得：
Figure FDA0002885089150000021
其中T1是圆板试件(4)与圆柱压块(3)、圆柱上盖板间(6)的摩擦力产生的极限扭矩，μ1是圆板试件(4)与圆柱压块(3)、圆柱上盖板(6)间的摩擦系数，可以通过摩擦系数仪测得；FN是回转顶尖(7)提供的压力值，R1是圆柱压块(3)、圆柱上盖板(6)的半径。
进行直角自由切削时，需满足T1＞T0，由公式(2)、公式(3)可得：
Figure FDA0002885089150000022
圆柱基台(2)与圆柱压块(3)间的摩擦力产生的极限扭矩T2可通过公式(5)计算获得：
Figure FDA0002885089150000031
T2是圆柱基台(2)与圆柱压块(3)间的摩擦力产生的极限扭矩，单位是N·m，μ2是圆柱基台(2)与圆柱压块(3)间的摩擦系数，可以通过摩擦系数仪测得；R2是圆柱基台(2)半径；
为了使装置能够顺利完成切削工作，必须满足T2＞T0，由公式(2)、公式(5)可得：
Figure FDA0002885089150000032
则圆柱压块(3)与圆柱上盖板(6)的最小半径R为：
R＝max(R1,R2) (7)
圆柱基台(2)的直径Φ2＝2R。
9.用于材料直角自由切削实验的装置，其特征在于，所述装置包括：
圆柱基台(2)、圆柱压块(3)、圆板试件(4)、圆柱上盖板(6)和若干短定位销；
所述圆柱基台(2)、圆柱压块(3)、圆板试件(4)、圆柱上盖板(6)，依次相连，呈Z轴方向排列；
所述圆柱基台(2)、圆柱压块(3)通过穿过彼此之间在Z轴方向延伸的短定位销实现同轴定位；
所述圆柱压块(3)、圆板试件(4)、圆柱上盖板(6)通过穿过彼此之间在Z轴方向延伸的短定位销实现同轴定位；
所述圆柱基台(2)一端与圆柱压块(3)相连，另一端可以通过车床上的三爪卡盘(1)定位夹紧，并驱动该装置绕Z轴转动；
所述圆柱上盖板(6)一端与圆板试件(4)相连，另一端设有顶尖孔，可以通过车床上的回转顶尖(7)沿Z轴方向顶紧该装置，并能产生圆柱基台(2)、圆柱压块(3)、圆板试件(4)、圆柱上盖板(6)之间的摩擦扭矩。
10.根据权利要求9所述的用于材料直角自由切削实验的装置，其特征在于，一段短定位销依次穿过所述圆柱基台(2)、圆柱压块(3)的旋转轴心，一段短定位销依次穿过所述圆柱压块(3)、圆板试件(4)、圆柱上盖板(6)的旋转轴心。
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