CN115958436B - 一种用于确定直角切削并观测切削过程的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于确定直角切削并观测切削过程的装置及方法，包括夹具上块、下夹具块、限位板、工字型挡块、激光位移传感器和高速相机，下夹具块的底面设有用于对工件的第一侧面进行限位的限位凸台，限位板插入到上夹具块和下夹具块之间，对工件的第二侧面进行限位；在上夹具块还设有贯穿上夹具块的槽，工字型挡块的侧部插入到所述槽内，工字型挡块的底部用于对工件的第三侧面进行限位，工字型挡块的顶部用于安装激光位移传感器；在上夹具块、下夹具块的外侧还固定有切削挡板；所述高速相机安装在切削挡板上，用于采集切削状态的图像。

Description

一种用于确定直角切削并观测切削过程的装置和方法

技术领域

本发明属于直角切削试验领域，具体涉及一种用于确定直角切削并观测切削过程的装置和方法。

背景技术

金属切削加工是制造业中最常用的方法，不同材料在不同切削条件下会获得加工质量不等的工件。诸多科学研究集中于金属切削加工领域，对加工中的各种结果进行分析，探究切削加工中的规律，为实际切削加工过程提供理论指导。在对各种材料的切削加工性能进行研究时，许多研究都以直角切削加工方式来对切削过程进行探究。这是因为通过有限元及其二次开发技术，利用切削理论、材料学、材料力学等理论可以进行切削模拟试验，并与实际直角切削试验结果进行对比探究切削加工过程。直角切削试验即刀具切削刃垂直于工件的相对运动方向且主运动为直线运动的切削。

在进行直角切削试验时，确保机床主轴与工件中心对正是顺利进行直角切削的关键因素。如果两者没有对正，那么试验结果将与仿真结果有很大出入，无法保证得出正确的研究结论。目前的直角切削试验中，都是通过碰边操作来进行对刀，或者利用数控车床的坐标来进行定位，但是保证片状工件孔的中心和主轴进行对正还有一定难度。

在直角切削试验中，一般使用加工过的片状工件(如图2中所示的片状工件10)或用棒状材料改进过来。以使用片状工件的直角切削试验为例，在准备所需片状工件时对外观尺寸、表面质量等要求不会太高，这导致所制备的片状工件在长度、厚度和宽度方面差别较大，因此在试验中针对工件的装夹就存在一定的难度。

在许多关于切削加工的研究中，需要对切削过程进行观测，查看切削过程中的材料变形情况；对切屑和已加工表面的微观结构进行观测及分析，因此需要对切削加工过程进行观测并对切屑进行收集，但目前大多所用切屑收集方法都是试验现场取材，将纸板铺在车床底部，然后再逐一收集，这在过大范围内收集切屑未免性能较差、效率较低。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种用于确定直角切削并观测切削过程的装置及方法。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

本发明公开了一种用于确定直角切削并观测切削过程的装置，包括夹具上块、下夹具块、限位板、工字型挡块、激光位移传感器和高速相机，所述的下夹具块的底面设有用于对工件的第一侧面进行限位的限位凸台，所述的限位板插入到上夹具块和下夹具块之间，对工件的第二侧面进行限位；在上夹具块还设有贯穿上夹具块的槽，工字型挡块的侧部插入到所述槽内，工字型挡块的底部用于对工件的第三侧面进行限位，工字型挡块的顶部用于安装激光位移传感器；在上夹具块、下夹具块的外侧还固定有切削挡板；所述高速相机安装在切削挡板上，用于采集切削状态的图像。

作为进一步的技术方案，所述的上夹具块、下夹具块通过螺栓相连。

作为进一步的技术方案，所述的限位凸台的高度、工字型挡块下部的厚度略小于工件的厚度。

作为进一步的技术方案，所述的工字型挡块通过连接件与上夹具块相连。

作为进一步的技术方案，所述的激光位移传感器在工字型挡块顶部的位置可调。

作为进一步的技术方案，在机床主轴外侧固定有激光接收板。

作为进一步的技术方案，所述的限位板上设有长条形的连接孔，螺栓穿过上夹具块以及该连接孔与下夹具块相连。

第二方面，本发明还提供了一种基于前面所述的用于确定直角切削并观测切削过程的装置，使工件中心与机床主轴对正以实现更高精度的直角切削试验的方法，如下：

步骤1在机床切削主轴外侧安装激光接收板；

步骤2在下夹具块上放入工件，使得工件的第一侧面压紧在下夹具块的限位凸台上，然后安装上夹具块，从上部压紧工件，同时放入限位板对工件的第二侧面进行压紧，用连接件固定上夹具块、限位板和下夹具块的位置；

步骤3将工字型挡块从上夹具块的槽一侧插入，工字型挡块的底部从工件的第三侧面压紧工件；然后固定工字型挡块；

步骤4测量工件中心孔至下夹具块侧面的距离，根据该距离在上夹具块上安装激光位移传感器，使得激光位移传感器的射线位置与工件中心孔的轴线垂直相交；

步骤5然后控制系统控制夹具上块、下夹具块移动，当激光位移传感器发射的射线正好与车床主轴的轴线相交时，停止移动。

作为进一步的技术方案，在步骤5中，激光位移传感器检测的数据实时传给车床的控制系统，当控制系统接收的距离值达到最小值时，控制上夹具块、下夹具块停止运动，所述的最小值＝激光传感器与激光接收板的距离-主轴的直径。

上述本发明的实施例的有益效果如下：

本发明针对直角切削试验，利用一种激光位移传感器实现了片状工件与机床主轴更高精度的对正。同时设计了一种装置可以满足对切屑的收集、对切削过程进行动态观测，可以夹取不同长度、宽度和厚度的片状工件，扩大了装置的适用性，且操作也较为便捷，可以使不同长度的工件得到充分的使用，且使直角切削试验的精度更高，更加有利于对切削规律的深入探究。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明设计组成示意图；

图2是本发明装置示意图；

图3是利用激光位移传感器对正原理示意图；

图4是装置局部详细图；

图5是切削过程与切屑形成示意图；

图中：1为工字形挡块、2为上夹具块、3为限位板、4为切屑挡板、5为高速相机固定平台、6为高速相机、7为激光接收板、8刀具、9为机床主轴、10为片状工件、11为下夹具块、12为激光位移传感器支架、13为高速相机。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备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。

术语解释部分:本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在各种不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种用于对切削过程进行动态观测和切屑收集的装置及确保直角切削试验的方法。

本发明的一种典型的实施方式中，如图1所示，本实施例提出一种用于确定直角切削并观测切削过程的装置，该装置可以实现装夹不同长度、宽度和厚度的工件，对切削过程进行动态观测，对切屑进行收集；同时有一种可以保证机床主轴与工件中心孔对正，从而顺利进行直角切削试验。

其中，上述的用于确定直角切削并观测切削过程的装置如图1所示，包括工字形挡块1、上夹具块2、限位板3、切屑挡板4、高速相机固定平台5、高速相机6、激光接收板7、刀具8、机床主轴9、片状工件10、下夹具块11、激光位移传感器支架12和激光位移传感器13；

由三块切屑挡板4组成一个框架，上夹具块2和下夹具块11放置在这个框架内，所述的片状工件10通过上夹具块2和下夹具块11夹持，在上夹具块2上设置工字形挡块1，在工字形挡块1上安装有激光位移传感器13；激光位移传感器13通过激光位移传感器支架12支撑，且激光位移传感器支架12与切屑挡板4相连，需要说明的是，本实施例中激光位移传感器13在工字形挡块1顶部的安装位置可以调整，具体根据片状工件10上的孔的位置进行调整，要求激光位移传感器的射线位置与工件中心孔的轴线垂直相交。

在机床主轴的外侧固定有激光接收板7，所述的激光接收板7与激光位移传感器13发射出的激光垂直；

在下夹具块11顶部设有一个台阶(即限位凸起)；下夹具块2顶部的台阶的厚度要比片状工件10的厚度略小；

沿着上夹具块2的高度方向设有U型滑槽，U型滑槽在高度方向上贯穿上夹具块2，上夹具块2与下夹具块的固定方式为螺栓连接，工件的第一个侧面顶在下夹具块11顶部的台阶上，工件的第二侧面利用限位板3对片状工件10进行加紧固定，工件的第三个侧面通过工字形挡块挡紧，通过这样设计，可以使得上夹具块和下夹具块夹持不同尺寸的工件，且能保证工件在其所在的位置固定不动

进一步的，在限位板3上面设置有两个长条孔，以方便通过螺栓紧固的方式适应对不同宽度工件的固定，且限位板3的厚度与工件厚度基本相同。

本实施例中为了夹取不同长度的工件，通过设计工字形挡块1在上夹具块的U型槽中的前后移动来实现。进一步的，工字形挡块1的下部厚度要比片状工件10的厚度略小，一般比片状工件10厚度小0.2mm-0.6mm即可把工件紧固，工字形挡块1的固定方式是通过螺栓进行压紧，下夹具块11上设有螺栓孔，用于固定在机床工作台上，若需要收集切削力相关数据，也可以固定在测力仪上。

本发明利用激光位移传感器来确保机床主轴与工件中心对正具有更高精度，当激光位移传感器随装夹装置一起随工作台缓慢移动，其位移读数也随之变化，当激光位移传感器发射的射线正好与车床主轴的轴线相交时，此时激光位移传感器的读数最小，因此，只要当激光传感器位移读数最小时，说明激光位移传感器发射的射线正好与车床主轴的轴线相交，即工件的中心也正好与车床主轴的中心线对齐，此时，工作台可以停止移动，进而可以满足直角切削的需求，具体的操作流程以及激光对正原理如下：

步骤1在机床切削主轴外侧安装激光接收板；

步骤2在下夹具块上放入工件，使得工件的第一侧面压紧在下夹具块的限位凸台上，然后安装上夹具块，从上部压紧工件，同时放入限位板对工件的第二侧面进行压紧，用连接件固定上夹具块、限位板和下夹具块的位置；

步骤3将工字型挡块从上夹具块的槽一侧插入，工字型挡块的底部从工件的第三侧面压紧工件；然后固定工字型挡块；

步骤4测量工件中心孔至下夹具块侧面的距离，根据该距离在上夹具块上安装激光位移传感器，使得激光位移传感器的射线位置与工件中心孔的轴线垂直相交；

步骤5然后控制系统控制夹具上块、下夹具块移动，当激光位移传感器发射的射线正好与车床主轴的轴线相交时，停止移动。

作为进一步的技术方案，在步骤5中，激光位移传感器检测的数据实时传给车床的控制系统，当控制系统接收的距离值达到最小值时，控制上夹具块、下夹具块停止运动；所述的最小值＝(激光传感器与激光接收板7的距离-主轴的直径)；

或者提前在控制系统设定一个初始数值，该数值＝(激光传感器与激光接收板7的距离-主轴的直径)；具体的校正方法如下：在激光传感器内设定上述的初始数值，然后控制系统控制夹具上块、下夹具块移动，当激光位移传感器测得的距离值等于该初始数值时，停止移动。

在切削加工过程中，需要对切屑和切屑根部进行收集，以便于对切屑和切屑根部的微观结构进行观察，因此装置中设置了切屑挡板14用于将甩落的切屑都集中在装置下底板上，根据切削过程中切屑形成的原理可知，切屑大多都集中于两侧，因此切屑挡板14主要设置为保护夹具的两侧，其后侧不设置切屑挡板。

进一步的，为方便对切削过程进行动态观测，在切削挡板4上还设置高速相机固定平台5，在高速相机固定平台5上固定有高速相机13，在切屑挡板上设有圆孔，以方便高速相机的电线通过，其具体情况如图2所示。切削过程的具体情况和所形成的切屑和切屑根部情况如图5所示。

本发明针对直角切削试验，利用一种改进的激光位移传感器实现了片状工件与机床主轴更高精度的保证对正。同时设计了一种装置可以满足对切屑的收集、对切削过程进行动态观测，可以夹取不同长度、宽度和厚度的片状工件，扩大了装置的适用性，且操作也较为便捷，可以使不同长度的工件得到充分的使用，且使直角切削试验的精度更高，更加有利于对切削规律的深入探究。

最后还需要说明的是，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于确定直角切削并观测切削过程的装置的工件与机床主轴对正的方法，所述装置包括夹具上块、下夹具块、限位板、工字型挡块、激光位移传感器和高速相机，所述的下夹具块的底面设有用于对工件的第一侧面进行限位的限位凸台，所述的限位板插入到上夹具块和下夹具块之间，对工件的第二侧面进行限位；在上夹具块还设有贯穿上夹具块的槽，工字型挡块的侧部插入到所述槽内，工字型挡块的底部用于对工件的第三侧面进行限位，工字型挡块的顶部用于安装激光位移传感器；在上夹具块、下夹具块的外侧还固定有切削挡板；所述高速相机安装在切削挡板上，用于采集切削状态的图像；

在机床主轴外侧固定有激光接收板；

所述的限位板上设有长条形的连接孔，螺栓穿过上夹具块以及该连接孔与下夹具块相连；

其特征在于，所述方法如下：

步骤1 在机床切削主轴外侧安装激光接收板；

步骤2 在下夹具块上放入工件，使得工件的第一侧面压紧在下夹具块的限位凸台上，然后安装上夹具块，从上部压紧工件，同时放入限位板对工件的第二侧面进行压紧，用连接件固定上夹具块、限位板和下夹具块的位置；

步骤3将工字型挡块从上夹具块的槽一侧插入，工字型挡块的底部从工件的第三侧面压紧工件；然后固定工字型挡块；

步骤4测量工件中心孔至下夹具块侧面的距离，根据该距离在上夹具块上安装激光位移传感器，使得激光位移传感器的射线位置与工件中心孔的轴线垂直相交；

步骤5 然后控制系统控制上夹具块、下夹具块移动，当激光位移传感器发射的射线正好与车床主轴的轴线相交时，停止移动；

在步骤5中，激光位移传感器检测的数据实时传给车床的控制系统，当控制系统接收的距离值达到最小值时，控制上夹具块、下夹具块停止运动，所述的最小值=激光传感器与激光接收板的距离-主轴的直径。

2.如权利要求1所述的用于确定直角切削并观测切削过程的装置的工件与机床主轴对正的方法，其特征在于，所述的上夹具块、下夹具块通过螺栓相连。

3.如权利要求1所述的用于确定直角切削并观测切削过程的装置的工件与机床主轴对正的方法，其特征在于，所述的限位凸台的高度、工字型挡块下部的厚度略小于工件的厚度。

4.如权利要求1所述的用于确定直角切削并观测切削过程的装置的工件与机床主轴对正的方法，其特征在于，所述的工字型挡块通过连接件与上夹具块相连。

5.如权利要求1所述的用于确定直角切削并观测切削过程的装置的工件与机床主轴对正的方法，其特征在于，所述的激光位移传感器在工字型挡块顶部的位置可调。