CN114211312A - 一种高速切削原位成像实验系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于切削成像相关技术领域，并公开了一种高速切削原位成像实验系统。该系统包括高压气源单元、信号触发单元、切削单元、能量吸收单元、刀具控制单元和成像单元，其中：高压气源单元同时与切削单元和能量吸收单元连接，用于为二者提供高压气源；信号触发单元与高压气源单元连接，用于接收来自高压气源单元的信号并触发成像单元；切削单元和能量吸收单元连接，用于控制待加工工件的移动；能量吸收单元用于吸收来自切削单元的能量；刀具控制单元设置在切削单元的上方，用于控制刀具的运动；成像单元用于拍摄切削过程。通过本发明，解决切削实验系统的高速切削和成像问题。

Description

一种高速切削原位成像实验系统
技术领域
本发明属于切削成像相关技术领域，更具体地，涉及一种高速切削原位成像实验系统。
背景技术
随着机床加工速度的提高和先进刀具的快速发展，高速切削技术开始在航空航天，国防工业和汽车制造等领域获得应用。然而对高速切削过程的理论解释尚未成熟，高速切削不同于普通切削，在高应变率下材料动态力学性能会发生剧烈变化，切屑形态和表面质量也会变化。对高速下的切削情况进行可靠预测，进一步可对切削参数进行优化，提高加工效率和加工质量，实现低耗能加工，有助于指导高速加工机床和加工刀具的设计。
然而当前大部分实验在车床上进行，线速度正常情况下最多达到5m/s。或在铣床上进行，如山东大学机械工程学院的王兵等人使用大直径的铣刀，以提高切削速度，通过收集切屑，对切屑研究以反推加工过程中的物理量，无法直接获取切削瞬间的图像，还原真实加工过程。
随着成像技术的快速发展，高速相机的帧率显著提高，双帧相机的帧间距显著下降，图像质量也获得提高，逐渐能满足对高速切削试验的过程捕获。同时计算机计算能力迅速提升和图像处理算法的迅猛发展，对试验获得的图像处理能力相应提升，为研究人员通过图像技术研究切削过程提供了新方法。
早期研究人员使用在工件上冲网格的办法对切削变形区域进行研究，但是此方法缺点明显：网格划分尺寸难以精细，且制作困难，精度较低等。也有研究人员设计快速落刀装置保留切削过程的某一瞬态，但是此方法同样无法捕捉动态切削过程。近年来针对高速捕捉的双帧相机技术快速提升，图像处理算法发展，国内外研究人员普遍开始使用双帧相机捕捉高速切削图像，并使用DIC(数字图像相关)算法对图像进行处理和研究。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种高速切削原位成像实验系统，解决切削实验系统的高速切削和成像问题。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种高速切削原位成像实验系统，该系统包括高压气源单元、信号触发单元、切削单元、能量吸收单元、刀具控制单元和成像单元，其中：
所述高压气源单元同时与所述切削单元和能量吸收单元连接，用于为二者提供高压气源；所述信号触发单元与所述高压气源单元连接，用于接收来自高压气源单元的信号并触发所述成像单元；所述切削单元和所述能量吸收单元连接，用于控制待加工工件的移动；所述能量吸收单元用于吸收来自所述切削单元的能量；所述刀具控制单元设置在所述切削单元的上方，用于控制刀具的运动；所述成像单元设置在所述切削单元和刀具控制单元的上方，用于拍摄切削过程；
所述高压气源单元中设置有高压气管和设置在该高压气管中的高速子弹，当所述高压气管中充满高压气体时，所述高速子弹在高压气体的作用下朝该高压气管的出口端运动；所述切削单元包括滑槽和滑块，所述滑槽的一端与所述高压气管相接，另一端预设所述能量吸收单元相接；所述滑块设置在所述滑槽中，待加工工件固定在所述滑块上，所述高速子弹冲击所述滑块在所述滑槽内运动，带动待加工工件相对于刀具运动，以此实现待加工工件的切削，所述滑块在滑槽的末端与所述能量吸收单元接触，以此吸收该滑块运动的能量。
进一步优选地，所述滑块的上端设置有凸台，该凸台上设置有凹槽，用于放置待加工工件，所述凸台上还是有安装孔，用于锁紧待加工工件。
进一步优选地，所述滑块上设置有减重孔，用于减轻所述滑块的重量。
进一步优选地，所述刀具控制单元包括伺服电机、滑台、三维测力仪和夹具，所述夹具用于夹持所述刀具，所述三维测力仪用于测量所述刀具受到的力，所述滑台用于控制所述刀具上下运动，所述伺服电机用于驱动所述滑台。
进一步优选地，所述能量吸收单元上设置有回缩杆，该回缩杆设置在所述滑槽的末端。
进一步优选地，所述成像单元包括双帧相机和双脉冲激光，所述双脉冲激光用于在所述双帧相机拍摄时提供激光。所述双帧相机用于拍摄整个切削过程。
进一步优选地，所述信号触发单元包括光触发器和信号发生器，所述光触发器触设置在所述高压气管的出口处，当所述高速子弹运动至所述高压气管出口时，所述光触发器触发并将信号传递给所述信号发生器，当所述信号发生器与所述成像单元连接，用于发出信号控制所述成像单元开启。
进一步优选地，所述光触发器还设置在能量吸收单元的顶端，当所述滑块接触到所述能量吸收单元时，所述光触发器发出信号给所述刀具控制单元，使得刀具控制单元控制刀具抬起。
进一步优选地，所述高速子弹呈圆柱形，其中心设置有减重孔，用于减轻该高速子弹的重量。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：
1.本发明中采用高压气源触发高速子弹，然后带动滑块运动，通过滑块的运动带动待加工工件运动，待加工工件相对于刀具的运动速度可达60m/s，实现在实验装置中的高速切削过程，从普通机床切削实验最大5m/s到本发明60m/s，提升约为一个数量级，对切削过程应变率提升明显。对研究高速切削领域的研究人员具有重要意义；
2.本发明中通过采用采用双帧相机拍摄高速切削过程，快速且连续的捕捉到待加工工件的切削过程，相比与现有技术中采用的普通相机捕捉的图像，其不需要将工件进行网格划分，即可获得前后时间间隔较短的两个点的图像；
3.本发明整体的结构简单，利用高速子弹的运动触发整个系统的运动，实验装置结构简单，操作便捷，能快速简单的达到实验目的。
附图说明
图1是按照本发明的优选实施例所构建的高速切削原位成像实验系统的结构示意图；
图2是按照本发明的优选实施例所构建的滑块的结构示意图；
图3是按照本发明的优选实施例所构建的滑块另一个视角的结构示意图；
图4是按照本发明的优选实施例所构建的高速子弹的结构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-高压气源单元，2-伺服电机，3-滑台，4-三维测力仪，5-能量吸收单元，6-高压气管，7-高速子弹，8-滑块，9-滑槽，10-待加工工件，11-刀具，12-回缩杆，13-安装孔，14-凹槽，15-减重孔。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，一种高速切削原位成像实验系统，其特征在于，该系统包括高压气源单元、信号触发单元、切削单元、能量吸收单元、刀具控制单元和成像单元。
高压气源单元1中包括高压气管6和高速子弹7，该高压气管6内径为50mm，壁厚10mm，长度为2m。高压气源单元储存足够的高压气体，气体气压约1MPa，实验人员触发电控开关，高压气体进入高压气管6，推动高速子弹加速，同时电控开关信号经过电路处理为信号发生器可识别的标准的脉冲信号，输入信号发生器，信号发生器发出信号触发成像系统准备采集图像。高速子弹经过在内径50mm，壁厚10mm的高压气管中加速2m。
高压气压最高可达4MPa，以气体不液化，保证各气动结构正常工作为衡量标准。高压气管6内径可增大至最大100mm，高压气管长度可增加至5m，以加工时尽量可保证的最大直线度为衡量标准。高压气管壁厚可减小至5mm，以保证高压气管整体刚度和强度足够为衡量标准。在高速子弹和滑块可承受的范围内，尽可能提高高速子弹的速度。
如图4所示的高速子弹7，其中间设置有半封闭的减重孔15，内底部大圆角R10mm，外圆面两端直径50mm配合公差确保与高压气管配合精度，端面中心螺纹孔M8，用于安装材料不同的缓冲垫片，避免直接与滑块接触发生大的塑性变形。各处倒角，其中端面外圆倒角作用为在高压气管中加速时形成油膜，碰撞后确保产生塑性应变后配合位置不会丢失配合精度。高速子弹材料包括但不限于调制45钢，缓冲垫片材料包括但不限于45钢，6065铝，各类橡胶。
高速子弹7外径可增大，与高压气管配合为衡量标准。为减小子弹质量，提高速度，子弹壁厚最小处可适当减小至5mm，减重孔圆角可缩小至5mm，或倒角至5mm，以碰撞后不产生过大塑性变形为衡量标准。
高速子弹冲出高压气管时，会触发信号触发单元中的响应频率为20kHz的光触发器，发出信号，并处理为信号发生器可识别的脉冲信号，信号发生器通过ns级精度的延时同步双帧相机成像和双脉冲激光，切削完成后触发响应频率为20kHz的光触发器抬升刀具11，防止滑块8回弹损坏刀具。
触发成像的光触发器响应频率可选用最高1MHz，以提升触发精度，以满足当前速度可捕捉图像为衡量标准。触发刀具11退刀的光触发器响应频率可选用最低1kHz，以滑块回弹时不损坏刀具为衡量标准。
如图2和3所示的滑块，其方形主体边长56mm配合公差，方块半封闭孔减重设计，四个半封闭孔中间留出支撑结构增加强度，孔底距端面10mm，确保碰撞面强度。顶部凸起的试件夹持部分开出长25mm,宽15mm厚2mm的凹槽14用于安装工件，适合的工件尺寸为长25mm，宽20mm，厚2.5mm-3mm。凹槽14两端开2X M8的安装孔13用于安装压紧夹片。
滑块8与高速子弹7碰撞面边长最大为100mm，以略大于高速子弹直径为衡量标准。滑块中的减重孔可减小至R2mm,以加工时球头刀具刚度足够且保证滑块与高速子弹碰撞时不产生过大应力集中为衡量标准。滑块内减重孔的截面可增大为边长25mm，以保证碰撞时滑块整体刚度和强度足够为衡量标准。滑块长度可增加至100mm，以碰撞时子弹不反向回弹为衡量标准。
能量吸收单元5上设置有回缩杆12，该回缩杆12设置在滑槽9的末端。
刀具控制单元包括伺服电机2、滑台3、三维测力仪4和夹具，夹具用于夹持刀具，三维测力仪4用于测量刀具受到的力，滑台3用于控制刀具上下运动，伺服电机2用于驱动滑台。
下面将介绍本发明的工作过程。
将待加工工件10安装在滑块8上，驱动伺服电机控制刀具与工件对刀，以上一次切削位置为基准，控制本次实验的切厚。开启各信号触发单元，高速成像单元，能量吸收单元5。实验人员触发开关，1MPa高压气体进入高压气管，推动高速子弹加速，同时开关信号被处理为信号发生器可识别的标准脉冲信号，触发信号发生器向相机发出预备信号。
当高速子弹冲出高压气管时，触发安装于高压气管口的光触发器，触发器发出信号给信号发生器，信号发生器经过一定时间的延时，延时时间由光触发器到滑块的距离与高速子弹的速度确定。信号发生器同步双帧相机和双脉冲激光进行拍摄，获取图像。
切削完成时滑块8移动到滑槽9末端与回缩杆12接触，触发光触发器，光触发器向伺服电机驱动器发出信号，控制刀具抬升，并保持一段时间，避免滑块反弹损坏刀具。滑块接触能量吸收单元，大部分能量被能量吸收单元吸收，小部分导致滑块反弹，在安全范围内。滑块与高速子弹二次碰撞，此次子弹与滑块速度都较小，不影响实验。最终子弹与滑块同时停留在能量吸收单元端，刀具自动回位，释放高压气管中的高压气体，实验结束。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高速切削原位成像实验系统，其特征在于，该系统包括高压气源单元(1)、信号触发单元、切削单元、能量吸收单元(5)、刀具控制单元和成像单元，其中：
所述高压气源单元(1)同时与所述切削单元和能量吸收单元(5)连接，用于为二者提供高压气源；所述信号触发单元与所述高压气源单元连接，用于接收来自高压气源单元的信号并触发所述成像单元；所述切削单元和所述能量吸收单元连接，用于控制待加工工件的移动；所述能量吸收单元用于吸收来自所述切削单元的能量；所述刀具控制单元设置在所述切削单元的上方，用于控制刀具的运动；所述成像单元设置在所述切削单元和刀具控制单元的上方，用于拍摄切削过程；
所述高压气源单元(1)中设置有高压气管(6)和设置在该高压气管中的高速子弹(7)，当所述高压气管(6)中充满高压气体时，所述高速子弹(7)在高压气体的作用下朝该高压气管的出口端运动；所述切削单元包括滑槽(9)和滑块(8)，所述滑槽(9)的一端与所述高压气管相接，另一端预设所述能量吸收单元相接；所述滑块(8)设置在所述滑槽中，待加工工件固定在所述滑块上，所述高速子弹冲击所述滑块在所述滑槽内运动，带动待加工工件相对于刀具运动，以此实现待加工工件的切削，所述滑块在滑槽(9)的末端与所述能量吸收单元(5)接触，以此吸收该滑块运动的能量。
2.如权利要求1所述的一种高速切削原位成像实验系统，其特征在于，所述滑块(8)的上端设置有凸台，该凸台上设置有凹槽(14)，用于放置待加工工件，所述凸台上还是有安装孔(13)，用于锁紧待加工工件。
3.如权利要求1或2所述的一种高速切削原位成像实验系统，其特征在于，所述滑块上设置有减重孔(15)，用于减轻所述滑块的重量。
4.如权利要求1或2所述的一种高速切削原位成像实验系统，其特征在于，所述刀具控制单元包括伺服电机(2)、滑台(3)、三维测力仪(4)和夹具，所述夹具用于夹持所述刀具，所述三维测力仪(4)用于测量所述刀具受到的力，所述滑台(3)用于控制所述刀具上下运动，所述伺服电机(2)用于驱动所述滑台。
5.如权利要求1或2所述的一种高速切削原位成像实验系统，其特征在于，所述能量吸收单元(5)上设置有回缩杆(12)，该回缩杆设置在所述滑槽的末端。
6.如权利要求1或2所述的一种高速切削原位成像实验系统，其特征在于，所述成像单元包括双帧相机和双脉冲激光，所述双脉冲激光用于在所述双帧相机拍摄时提供激光。所述双帧相机用于拍摄整个切削过程。
7.如权利要求1或2所述的一种高速切削原位成像实验系统，其特征在于，所述信号触发单元包括光触发器和信号发生器，所述光触发器触设置在所述高压气管的出口处，当所述高速子弹运动至所述高压气管出口时，所述光触发器触发并将信号传递给所述信号发生器，当所述信号发生器与所述成像单元连接，用于发出信号控制所述成像单元开启。
8.如权利要求7所述的一种高速切削原位成像实验系统，其特征在于，所述光触发器还设置在能量吸收单元(5)的顶端，当所述滑块接触到所述能量吸收单元时，所述光触发器发出信号给所述刀具控制单元，使得刀具控制单元控制刀具抬起。
9.如权利要求1或2所述的一种高速切削原位成像实验系统，其特征在于，所述高速子弹(7)呈圆柱形，其中心设置有减重孔(15)，用于减轻该高速子弹的重量。
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