CN114034539A - 用于硬脆材料高应变率变形和损伤分析的冲击刻划装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及硬脆材料加工,更具体的说是用于硬脆材料高应变率变形和损伤分析的冲击刻划装置,包括冲击刻划机构,所述冲击刻划机构包括冲击刻划轴移动台,以及转动连接在冲击刻划轴移动台内的冲击刻划主轴,以及通过冲击刻划主轴驱动实现转动的电机连接轴,以及固接在电机连接轴上的刻划支撑平台,以及固接在刻划支撑平台上的冲击刻划刀具安装底座,以及安装在安装底座上的金刚石冲击刻划刀具。还包括刻划基座、工件装夹机构和移动平台;冲击刻划机构通过移动平台驱动在刻划基座上实现左右移动,工件装夹机构通过移动平台驱动在刻划基座上实现前后移动。可以实现不同形状尺寸的硬脆材料快速装夹定位,输入刻划深度、刻划速度和刻划位置,进行不同参数多组冲击刻划实验。
Description
技术领域
本发明涉及硬脆材料加工,更具体的说是用于硬脆材料高应变率变形和损伤分析的冲击刻划装置。
背景技术
随着生产与科技的发展,微电子、光电子、传感器技术和材料技术的日益进步,硬质合金、淬火钢、光学玻璃、陶瓷、半导体材料以及花岗岩等硬脆材料,因耐磨性强、硬度高等优良性能在工业中的应用渐趋普遍。特别是非金属非导电材料及半导体材料,由于其独特的性质在电子、光学、仪器仪表、航空航天、国防及民用工业等诸多领域有着越来越广泛的作用,占据着越来越重要的地位。
硬脆材料的切割过程是用硬度较高的材料去磨削硬度较低的材料,磨削部分损耗、未磨削部分分离,从而达到切割效果。光伏硅材料、半导体材料、蓝宝石材料、磁性材料、光学玻璃和陶瓷材料等硬脆材料没有延展性,都具有抗磨损、硬度高和脆性大等共同特点,加工过程相当于硬碰硬,因此常常出现崩边、成品率低、磨损刀具等问题。硬脆材料加工难度很大,一方面,高硬脆材料硬度很高,较难加工;另一方面,高硬脆材料脆性高,容易在加工过程中断裂。
直接分析硬脆材料的加工机理非常困难,单颗磨粒冲击刻划与精密超精密加工具有一定的相似性,成为硬脆材料加工过程模拟简化分析的重要手段,通过单颗磨粒冲击刻划实验,可以从理论层面建立硬脆材料高应变率接触形变和损伤机理。
发明内容
本发明提供用于硬脆材料高应变率变形和损伤分析的冲击刻划装置,目的是可以进行冲击刻划实验。
上述目的通过以下技术方案来实现:
用于硬脆材料高应变率变形和损伤分析的冲击刻划装置,包括冲击刻划机构,所述冲击刻划机构包括冲击刻划轴移动台,以及转动连接在冲击刻划轴移动台内的冲击刻划主轴,以及通过冲击刻划主轴驱动实现转动的电机连接轴,以及固接在电机连接轴上的刻划支撑平台,以及固接在刻划支撑平台上的冲击刻划刀具安装底座,以及安装在安装底座上的金刚石冲击刻划刀具。
所述金刚石冲击刻划刀具以冲击刻划主轴的轴线为中心周向均匀设有三个,还包括用于调节金刚石冲击刻划刀具沿冲击刻划主轴轴线运动的冲击刻划刀具调节器。
还包括刻划基座,以及调节冲击刻划轴移动台在刻划基座上左右移动的移动平台。
其中所述移动平台包括固接在刻划基座上端的冲击刻划机构左侧挡板和冲击刻划机构后侧挡板,以及安装在冲击刻划机构左侧挡板右端的冲击刻划机构左侧移动控制器,以及安装在冲击刻划机构后侧挡板左端的冲击刻划机构后侧移动控制器;调节冲击刻划轴移动台的左右两端分别与冲击刻划机构左侧移动控制器和冲击刻划机构后侧移动控制器安装以实现左右移动。
所述安装底座的周向表面处均匀分布设置多个冲击刻划动平衡调节口。
安装底座上位于冲击刻划主轴轴线处设有激光发射点。
还包括用于固定硬脆材料的工件装夹机构。
还包括移动平台,所述移动平台包括安装在刻划基座上端的工件轴移动台;
所述工件装夹机构包括转动连接在工件轴移动台内的工件装夹主轴,以及真空吸盘固接在工件装夹主轴上的真空吸盘;工件装夹主轴的轴线与工件装夹机构的轴线高度相同,真空吸盘与金刚石冲击刻划刀具朝向相对。
所述移动平台还包括固接在刻划基座上端的工件装夹机构前侧挡板和工件装夹机构后侧挡板,以及安装工件装夹机构前侧挡板后端的工件装夹机构前侧移动控制器,以及安装在工件装夹机构后侧挡板前端的工件装夹机构后侧移动控制器;工件轴移动台的前后两端分别安装在工件装夹机构前侧移动控制器和工件装夹机构后侧移动控制器上以实现前后移动。
所述刻划基座包括大理石基座以及四个分别安装在大理石基座下端四角的高阻尼隔震支座。
附图说明
图1显示了本发明用于硬脆材料高应变率变形和损伤分析的冲击刻划装置的整体结构示意图;
图2显示了冲击刻划机构示意图;
图3显示了工件装夹机构示意图;
图4是本发明的主视图;
图5是本发明的俯视图;
图6是本发明的左视图。
具体实施方式
如图1所示,用于硬脆材料高应变率变形和损伤分析的冲击刻划装置包括冲击刻划机构1、刻划基座2、工件装夹机构3和移动平台4;冲击刻划机构1通过移动平台4驱动在刻划基座2上实现左右移动,工件装夹机构3通过移动平台4驱动在刻划基座2上实现前后移动。
其中,可以参考图1至5,所述冲击刻划机构1包括金刚石冲击刻划刀具5、刻划支撑平台6、冲击刻划刀具安装底座7、冲击刻划动平衡调节口8、电机连接轴9、窄平形金属垫片10、刻划机构轴套11、冲击刻划轴套筒12、冲击刻划主轴13、不锈钢六角焊接螺母28、GB802组合盖型螺母29、冲击刻划机构主轴端面30、冲击刻划刀具调节器35、冲击刻划刀具支座36、冲击刻划轴主轴保护套38和激光发射点43;
具体的,金刚石冲击刻划刀具5采用Synton-MDP系列冲击刻划刀具,安装底座7上安装3个金刚石冲击刻划刀具5,冲击刻划刀具安装底座7上有12个冲击刻划动平衡调节口8用于调节动平衡,刻划支撑平台6和冲击刻划刀具安装底座7通过4个不锈钢六角焊接螺母28连接,电机连接轴9和刻划支撑平台6通过4个不锈钢六角焊接螺母28连接,刻划机构轴套11和电机连接轴9中间存在窄平形金属垫片10,并通过4个GB802组合盖型螺母29连接,冲击刻划刀具支座36与冲击刻划刀具安装底座7连接,冲击刻划刀具调节器35在冲击刻划刀具安装底座7上调节3个刀具伸出冲击刻划刀具安装底座7的高度,激光发射点43在装夹工件时起辅助定位作用;冲击刻划轴套筒12在冲击刻划主轴13和冲击刻划轴移动台27之间起保护作用,冲击刻划轴主轴保护套38保护冲击刻划轴主轴在移动中发生末端碰撞;
使用前,确定金刚石冲击刻划刀具5的稳定装夹,利用冲击刻划刀具调节器35调节其中两个金刚石冲击刻划刀具5伸出冲击刻划刀具安装底座7的高度相同,第3个金刚石冲击刻划刀具5伸出的距离远于另外两个金刚石冲击刻划刀具5,在进行冲击刻划实验中,仅一个金刚石冲击刻划刀具5对刻划硬脆材料晶体21进行刻划,在调节好金刚石冲击刻划刀具5后,利用动平衡仪调节冲击刻划刀具安装底座7的动平衡,通过12个冲击刻划动平衡调节口8进行调节;
其中,金刚石冲击刻划刀具5硬度和刚度高,加工过程中金刚石冲击刻划刀具5产生的变形对研究材料损伤的影响较小,在冲击刻划中可以近似为刚体,忽略刀具变形引起的加工深度误差;金刚石冲击刻划刀具5周向均匀设有三个,在刀盘转动过程中,产生的振动影响较小,便于调节动平衡。其中一个金刚石冲击刻划刀具磨损,无需等待更换,通过冲击刻划刀具调节器35伸长另外的金刚石冲击刻划刀具5,收缩受损的金刚石冲击刻划刀具5,即可继续实现连续实验。
平衡调节时,先进行静平衡调节,金刚石冲击刻划刀具5的重心在中心上,在垂直于冲击刻划刀具安装底座7的平面上进行动平衡调节。校正方法一般采用加重或去重的方式进行,通过调节不同长度的螺栓和螺栓外伸于冲击刻划动平衡调节口8长度调节动平衡。
激光发射点43在装夹工件时起辅助定位作用,其中的辅助定位是辅助工件能够居中;
其中,移动平台4优选采用气浮导轨,基于气体动静压效应,实现无摩擦和无振动的平滑移动。通过与伺服驱动,传感器组成闭环系统,实现高精度位移定位。
其中,可以参考图1,刻划基座2包括大理石基座14,高阻尼隔震支座15,刻划基座调平平台16和冲击刻划水平调节垫片37;
具体的,在进行微纳米冲击刻划实验的开始先对装置状态进行调整,大理石基座14和刻划基座调平平台16中间安装高阻尼隔震支座15起减震作用,刻划基座调平平台16利用冲击刻划水平调节垫片37调平保证微纳米冲击刻划装置水平。具体的调平步骤如下:激光跟踪仪放置在装置的2米外,大理石基座14的前后左右各有两处共8处靶点位置,利用冲击刻划水平调节垫片37调节8处靶点位置在同一平面内,即微纳米冲击刻划装置调平完成,调平完成后,固定刻划基座调平平台16位置,保证微纳米冲击刻划装置位置固定。
其中,可以参考图1、4、5和6,工件装夹机构3包括工件轴末端保护套17、工件轴套筒18,工件装夹主轴19,真空吸盘20,刻划硬脆材料晶体21,工件装夹套筒31,工件轴轴套32,304不锈钢自锁螺母33和装夹垫片34;
具体的,工件装夹机构3通过真空吸盘20吸附刻划硬脆材料晶体21,真空吸盘20通过4个304不锈钢自锁螺母33连接装夹垫片34和工件轴轴套32上;工件轴套筒18在工件装夹主轴19和工件轴移动台22之间起保护作用,工件轴末端保护套17保护工件轴在移动中发生末端碰撞。
其中,可以参考图1、4、5和6,所述移动平台4包括两个部分,两个部分分别驱动冲击刻划机构1和工件装夹机构3移动,所述移动平台4其中一个部分包括:冲击刻划轴移动台27、冲击刻划机构左侧移动控制器42,冲击刻划机构左侧挡板41、冲击刻划机构右侧移动控制器26和冲击刻划机构右侧挡板25;移动平台4另外一个部分包括:工件轴移动台22、工件装夹机构前侧移动控制器23、工件装夹机构前侧挡板24、工件装夹机构后侧移动控制器39和工件装夹机构后侧挡板40;
具体的,冲击刻划轴移动台27通过冲击刻划机构左侧移动控制器42向左侧移动,冲击刻划机构左侧挡板41控制冲击刻划轴移动台27的左侧移动范围,冲击刻划轴移动台27通过冲击刻划机构右侧移动控制器26向右侧移动,冲击刻划机构右侧挡板25控制冲击刻划轴移动台27的右侧移动范围;
工件轴移动台22通过工件装夹机构前侧移动控制器23向前侧移动,工件装夹机构前侧挡板24控制工件轴移动台22的前侧移动范围,工件轴移动台22通过工件装夹机构后侧移动控制器39向后侧移动,工件装夹机构后侧挡板40控制工件轴移动台22的后侧移动范围;
其中,方位描述如前、后、左和右均以图1为准;
使用前,进一步确定工件装夹机构3的工作状态,工件装夹机构3通过真空吸盘20吸附刻划硬脆材料晶体21,真空吸盘20通过4个304不锈钢自锁螺母33连接装夹垫片34和工件轴轴套32上。工件轴套筒18在工件装夹主轴19和工件轴移动台22之间起保护作用,工件轴末端保护套17保护工件轴在移动中发生末端碰撞,冲击刻划轴主轴保护套38保护冲击刻划轴主轴在移动中发生末端碰撞;
装置工作状态稳定的情况下,进行冲击刻划实验。首先装夹刻划硬脆材料晶体21,利用激光发射点在装夹工件时起辅助定位作用,将刻划硬脆材料晶体21装夹在真空吸盘20上,对金刚石冲击刻划刀具5和刻划硬脆材料晶体21进行预对齐校准,确定金刚石冲击刻划刀具5进给距离,并确定刻划硬脆材料晶体21工作位置。
进行硬脆材料高应变率接触形变和损伤机理分析的微纳米冲击刻划实验,设置实验参数,移动工件轴移动台22至工作位置,移动冲击刻划轴移动台27至工作位置,设置冲击刻划主轴13转速和移动距离,进行微纳米冲击刻划实验。在实验结束后,回归预定工作位置,进行下一组冲击刻划实验,重复上述操作,直至多组实验完成,冲击刻划主轴13停止运转,工件装夹机构3回归零点,冲击刻划机构1回归零点,关闭微纳米冲击刻划装置气源和电源。
本申请可以实现不同形状尺寸的硬脆材料快速装夹定位,输入刻划深度、刻划速度和刻划位置,进行不同参数多组冲击刻划实验。
Claims (10)
1.用于硬脆材料高应变率变形和损伤分析的冲击刻划装置,包括冲击刻划机构(1),所述冲击刻划机构(1)包括冲击刻划轴移动台(27),以及转动连接在冲击刻划轴移动台(27)内的冲击刻划主轴(13),以及通过冲击刻划主轴(13)驱动实现转动的电机连接轴(9),以及固接在电机连接轴(9)上的刻划支撑平台(6),以及固接在刻划支撑平台(6)上的冲击刻划刀具安装底座(7),以及安装在安装底座(7)上的金刚石冲击刻划刀具(5)。
2.根据权利要求1所述的装置,所述金刚石冲击刻划刀具(5)以冲击刻划主轴(13)的轴线为中心周向均匀设有三个;
还包括用于调节金刚石冲击刻划刀具(5)沿冲击刻划主轴(13)轴线运动的冲击刻划刀具调节器(35)。
3.根据权利要求2或1所述的装置,还包括刻划基座(2),以及调节冲击刻划轴移动台(27)在刻划基座(2)上左右移动的移动平台(4)。
4.根据权利要求3所述的装置,其中所述移动平台(4)包括固接在刻划基座(2)上端的冲击刻划机构左侧挡板(41)和冲击刻划机构后侧挡板(25),以及安装在冲击刻划机构左侧挡板(41)右端的冲击刻划机构左侧移动控制器(42),以及安装在冲击刻划机构后侧挡板(25)左端的冲击刻划机构后侧移动控制器(26);调节冲击刻划轴移动台(27)的左右两端分别与冲击刻划机构左侧移动控制器(42)和冲击刻划机构后侧移动控制器(26)安装以实现左右移动。
5.根据权利要求1、2或4所述的装置,所述安装底座(7)的周向表面处均匀分布设置多个冲击刻划动平衡调节口(8)。
6.根据权利要求5所述的装置,安装底座(7)上位于冲击刻划主轴(13)轴线处设有激光发射点(43)。
7.根据权利要求6所述的装置,还包括用于固定硬脆材料的工件装夹机构(3)。
8.根据权利要求7所述的装置,还包括移动平台(4),所述移动平台(4)包括安装在刻划基座(2)上端的工件轴移动台(22);
所述工件装夹机构(3)包括转动连接在工件轴移动台(22)内的工件装夹主轴(19),以及真空吸盘(20)固接在工件装夹主轴(19)上的真空吸盘(20);工件装夹主轴(19)的轴线与工件装夹机构(3)的轴线高度相同,真空吸盘(20)与金刚石冲击刻划刀具(5)朝向相对。
9.根据权利要求8所述的装置,所述移动平台(4)还包括固接在刻划基座(2)上端的工件装夹机构前侧挡板(24)和工件装夹机构后侧挡板(40),以及安装工件装夹机构前侧挡板(24)后端的工件装夹机构前侧移动控制器(23),以及安装在工件装夹机构后侧挡板(40)前端的工件装夹机构后侧移动控制器(39);工件轴移动台(22)的前后两端分别安装在工件装夹机构前侧移动控制器(23)和工件装夹机构后侧移动控制器(39)上以实现前后移动。
10.根据权利要求3所述的装置,所述刻划基座(2)包括大理石基座(14)以及四个分别安装在大理石基座(14)下端四角的高阻尼隔震支座(15)。
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