CN210269492U - 基于霍普金森压杆加载技术的多工位高速切削试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了基于霍普金森压杆加载技术的多工位高速切削试验装置，该装置包括霍普金森压杆动力机构、切削机构、切削支架、工件夹持机构、导向机构、收捕机构、支座和高精度定位平台，依次沿整个装置的对称轴线排布；所述切削机构、工件夹持机构和收捕机构各有多组；霍普金森压杆动力机构包括轻气枪和入射杆，所述入射杆两侧固定连接切削支架，所述切削机构对称安装于切削支架上；所述轻气枪通过发射子弹撞击入射杆前行，固定连接在入射杆上的切削支架同时带动多组切削机构前行，切削机构前端设置的刀具依次切削工件夹持机构上固定的工件直至最后两组切削完毕；可实现不同工位不同速度的切削对比试验。

Description

基于霍普金森压杆加载技术的多工位高速切削试验装置

技术领域

本实用新型属于金属切削技术领域，特别涉及一种基于霍普金森压杆加载技术的多工位高速切削试验装置。

背景技术

高速切削技术作为一项先进实用的加工制造技术，在机械制造、模具加工、航空航天工业等领域均具有愈发广泛的应用，在加工工艺和精度方面具有独特的优势。然而高速切削加工的关键技术研究主要集中在对于高速切削机床的技术改进和结构创新方面，在高速切削机理方面的研究还主要停留在理论和仿真分析阶段，急需发展有效的试验装置来大量研究高速切削变形机理以及切削温度、刀具磨损和切削力等方面变化规律。

高速切削试验目前主要在高速车床上进行，往往难以满足高速切削所需的切削速度，且难以保证试验的安全性。最近有研制出用于高速车床刀塔和切削力测力仪的试验装置，但其功能单一，只能用于测量切削力，本质上仍然是在车床上进行试验。此外，高速切削试验中需要保证稳定的高速切削过程和捕获高速切削过程的瞬态图像，这些都是利用高速车床进行试验时难以实现的关键技术。

利用霍普金森压杆进行高速切削试验，对于研究物体在冲击载荷下的力学响应具有十分重要的意义。但是，目前的装置仅有单一的切削工位，无法同时进行多个不同切削速度的对比试验或相同切削速度的对照试验。并且，在实际操作的过程中，也会由于改变切削速度的试验需求导致试验过程复杂化，或是相同切削速度的先后试验会由于工件装夹偏差而导致试验结果的误差。

实用新型内容

针对现有技术存在的不足，本实用新型提供基于霍普金森压杆加载技术的多工位高速切削试验装置，实现高速稳态的切削过程和不同工位不同速度的切削对比试验或相同切削速度的对照试验。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：

首先，本实用新型提供一种基于霍普金森压杆加载技术的多工位高速切削试验装置，所述装置呈轴对称分布，包括霍普金森压杆动力机构、切削机构、切削支架、工件夹持机构、导向机构、收捕机构、支座和高精度定位平台，依次沿整个装置的对称轴线排布；所述切削机构、工件夹持机构和收捕机构各有多组，每组切削机构、工件夹持机构和收捕机构也分别沿各自轴线依次排布；

所述霍普金森压杆动力机构和切削支架固定安装于支座上，所述工件夹持机构安装于高精度定位平台上；

所述霍普金森压杆动力机构包括轻气枪和入射杆，所述入射杆两侧固定连接切削支架，所述切削机构对称安装于切削支架上；所述轻气枪通过发射子弹撞击入射杆前行，固定连接在入射杆上的切削支架同时带动多组切削机构前行，切削机构前端设置的刀具依次切削工件夹持机构上固定的工件直至最后两组切削完毕；

所述导向机构用于防止入射杆在推进和切削过程中发生歪斜和失稳；

所述收捕机构用于抵挡前行的入射杆，使入射杆受到缓冲后快速停止。

进一步的，所述的切削机构与切削支架的左右位置关系固定、前后位置调节；每组切削机构前端设置有刀具夹持机构，用以夹持刀具，两侧刀具对称分布，每侧的刀具可以根据所需的不同切削速度调整排布方式。

进一步的，所述切削机构与切削支架通过导轨和定位销连接，所述切削支架上、与切削机构连接处设有导轨卡槽和多个定位销孔，所述切削机构上设有导轨和插入定位销孔的定位销。

进一步的，所述高精度定位平台下部设有基座，高精度定位平台分为左右两部分，分别位于整个装置的对称轴线的左右两侧，所述高精度定位平台与基座的上下位置关系固定、左右移动调节位置，工件的位置及切削量通过调整高精度定位平台的左右位置来确定。

进一步的，所述高精度定位平台与基座之间通过滚珠丝杠调节左右位置关系，滚珠丝杠通过滚珠丝杠支座固定在高精度定位平台上，滚珠丝杠外侧连接有用于手动调节的旋柄。

进一步的，所述导向机构包括固定在支座上的入射杆支座和沿入射方向设置的导向槽，入射杆架设在入射杆支座上以及导向槽中，导向槽设置在入射杆支座与高精度定位平台之间，控制入射杆仅在轴线方向上移动。

进一步的，所述收捕机构设置在高精度定位平台的后方，前端设置柔性触头、后端连接有缓冲气垫和质量大于入射杆的回收杆，用于减小刀具撞击收捕机构给刀具带来的冲击。

进一步的，所述每组工件夹持机构上均设有用于捕获高速切削过程的瞬态图像的高速相机。

进一步的，每组刀具的切削速度均可由激光测速传感器测得，所述激光测速传感器布置在工件夹持机构上刀具刚切削到工件的位置。

进一步的，所述激光测速传感器包括两组，一组布置在工件夹持机构上刀具刚切削到工件的位置，用于监测刀具切削瞬时速度；一组布置在高精度定位平台上最前端的两组刀具刚开始发生位移的地方，用于监测刀具初速。

目前国内尚无使用上述类似装置进行不同切削速度的高速切削对比试验的案例，与现有技术相比，本实用新型优点在于：

1、整个切削过程速度快、历时短，可以保证冲击能量远大于切削能量，从而实现高速稳态的切削过程。

2、通过调节轻气枪的气压大小可获得很广的切削速度，利用该装置可进行切削速度高达300m/min-1800m/min的高速切削试验，能满足大多数材料的高速切削试验要求。

3、轻气枪发射的子弹形状为双锥形，以获得更大的加速度峰值，可以缩短入射杆的加速过程。

4、通过调节切削机构的排布方式，可以同时获得八组四个不同的切削速度，从而实现不同工位不同速度的切削对比试验，能优化高速切削试验过程，减小试验误差。

5、本试验装置可使八组刀具全部切削完毕后撞击收捕机构而快速停止，从而实现切削过程的瞬态冻结，进而使用高速相机来捕获高速切削瞬态图像，以便观测高速切削过程中材料损伤裂纹发展的不同阶段，研究高速切削材料损伤及变形机理。

6、本试验装置的高精度激光测速传感器，可以实现监测每一个工位上刀具的不同切削速度。

7、本实用新型安全可靠、便捷实用，可在刀具、工件和工件夹持机构上安装传感器，实现高速切削过程中切削力和切削温度等参数的测试。

附图说明

图1为实施例1的高速切削试验装置结构示意图；

图2a为实施例1的切削机构和切削支架连接关系示意图一（刀具排布方式调节结构示意）；

图2b为实施例1的切削机构和切削支架连接关系示意图二；

图2c为实施例1的切削机构和切削支架连接关系示意图三；

图3为实施例1的高精度定位平台的安装示意图（高精度定位平台的位置调节结构示意）；

图4为实施例1的工件夹持机构结构示意图。

图中，1-轻气枪，2-支座，3-加速管，4-入射杆，5-入射杆支座，6-切削机构，7-切削支架，8-刀具夹持机构，9-刀具，10-导向槽，11-高精度定位平台，12-工件夹持机构，13-工件，14-柔性触头，15-缓冲气垫，16-收捕机构，17-回收杆，18-挡板，19-子弹，20-激光测速传感器，21-高速相机，22-基座，61-导轨，62-定位销，71-导轨卡槽，72-定位销孔，111-滚珠丝杠，112-滚珠丝杠支座，113-螺母座，114-旋柄，120-工件夹持机构底座，121-滚珠丝杠Ⅱ，122-螺母座Ⅱ，123-旋转盘，124-旋转盘底座，125-旋柄Ⅱ。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本实用新型作进一步的说明。

如图1所示，本实施例的整个切削试验装置基于霍普金森压杆加载技术改进后搭建，整个装置呈轴对称分布，包括霍普金森压杆动力机构（包括轻气枪1、加速管3和入射杆4）、切削机构6、切削支架7、工件夹持机构12、导向机构、收捕机构16、支座2和高精度定位平台11，依次沿整个装置的对称轴线排布；切削机构6、工件夹持机构12和收捕机构16各有多组，本实施例以八组为例介绍，每侧四组，每组切削机构6、工件夹持机构12和收捕机构16也分别沿各自轴线依次排布。

霍普金森压杆动力机构和切削支架7固定安装于支座2上，八组工件夹持机构12安装于高精度定位平台11上，工件夹持机构12上固定工件13。工件13的位置及切削量可以通过调整高精度定位平台11的位置来确定（下文会再详细介绍高精度定位平台的位置调节方式）。

轻气枪1用于发射子弹19，子弹19在加速管3内加速为入射杆4高速运动提供驱动，轻气枪1的气压大小可控，以调整试验装置的切削速度。子弹19的形状优选为双锥形，以获得更大的加速度峰值，缩短入射杆4的加速过程。

入射杆4两侧固定连接切削支架7，切削机构6对称安装于切削支架7上。本实施例每侧切削支架7上固定连接有四组切削机构6，两侧共八组，每组切削机构6前端设置有刀具夹持机构8，用以夹持刀具9，刀具9为单侧刀刃设计，每侧四组刀具9可以根据所需的不同切削速度调整排布方式（下文会再详细介绍如何调节刀具9的排布方式），两侧刀具9对称分布，可以同时获得八组四个不同的切削速度。轻气枪1通过发射子弹19撞击入射杆4前行，固定连接在入射杆4上的切削支架7同时带动多组切削机构6前行，切削机构6前端设置的刀具9依次切削工件夹持机构12上固定的工件13直至最后两组切削完毕。

其中，在试验过程中，导向机构用于防止入射杆在推进和切削过程中发生歪斜和失稳。

作为一个优选的实施方式，导向机构包括固定在支座2上的入射杆支座5和沿入射方向设置的导向槽10，入射杆4架设在入射杆支座5上以及导向槽10中，导向槽10设置在入射杆支座5与高精度定位平台11之间，控制入射杆4仅在轴线方向上移动。

在试验过程中，收捕机构用于抵挡前行的入射杆，使入射杆受到缓冲后快速停止。

作为一个优选的实施方式，八组收捕机构16设置在高精度定位平台11的后方，前端设置柔性触头14，用于减小刀具9撞击收捕机构给刀具9带来的冲击；后端连接有缓冲气垫15和质量大于入射杆的回收杆17，以加强缓冲效果。全部八组收捕机构16的回收杆17末端与一块长方体厚挡板18固定连接以确保所述刀具9切削完毕后撞击收捕机构16而快速停止。

作为一个优选的实施方式，刀具9、工件13和工件夹持机构12上可以设置有用于检测切削过程中切削力和切削温度的传感器。

下面介绍如何调节刀具9的排布方式：通过调节切削支架7与切削机构6的位置关系而实现的。如果单纯调节切削支架7，不易实现；如果调节切削机构6和刀具夹持机构8的位置关系，那么可能会导致在刀具9尚未切削到工件13时，切削机构6就首先碰撞到工件13，导致事故。因此，本实施例切削机构6与切削支架7的左右位置关系固定、前后位置调节。

排布方式调整见图2a-图2c所示三视图的结构，切削机构6与切削支架7通过导轨和定位销连接，切削支架7上与切削机构6连接处设有导轨卡槽71和多个定位销孔72，切削机构6上设有导轨61和插入定位销孔72的定位销62。根据拟合曲线预先计算好几组刀具之间的排布距离，然后将切削机构6通过导轨卡槽和定位销卡进切削支架7中。

下面介绍高精度定位平台的位置调节方式：高精度定位平台11左右移动。如图1所示，高精度定位平台11下部设有基座22，高精度定位平台11分为左右两部分，分别位于整个装置的对称轴线的左右两侧，高精度定位平台11与基座22的上下位置关系固定、左右移动调节位置，工件13的位置及切削量通过调整高精度定位平台11的左右位置来确定。

如图3所示（为显示清楚，其中一侧的高精度定位平台透视），所述高精度定位平台11与基座22之间的左右位置关系调节采用双侧滚珠丝杠111的方式，具体实施方式可以参见现有技术的滚珠丝杠将转动方式转为直线运动方式的设计，此处仅简单介绍，高精度定位平台11与基座22之间通过导轨滑动，滚珠丝杠111通过滚珠丝杠支座112固定在高精度定位平台11上，滚珠丝杠111外侧各连接有用于手动调节的旋柄114，这里带法兰的螺母座113和高精度定位平台11连接。此外，想要实现精度很高的定位，只需要选择合适传动比的滚珠丝杠，保证旋动一圈旋柄，螺母只位移很小距离即可。

作为一个优选的实施方式，每组工件夹持机构12的结构与原理类似于钳工用台虎钳，均安装在高精度定位平台11上，用于固定工件13与调节工件13的不同切削角度。工件夹持机构12的结构如图4所示的结构示意图，利用滚珠丝杠+旋转盘的方式，旋转盘的设计原理可以参考机用台虎钳下部旋转盘的设计原理。工件夹持机构12包括上下两部分，中间夹持工件13，并设有工件夹持机构底座120，工件夹持机构底座120固定安装在高精度定位平台11上，而旋转盘底座124固定安装在工件夹持机构底座120上，旋转盘123和旋转盘底座124、工件夹持机构底座120以及工件夹持机构12的下半部分均为配合连接，所以工件夹持机构12的下半部分可以直接旋转。

滚珠丝杠Ⅱ121可以调节夹持机构的开合（通过带法兰的螺母座Ⅱ122连接工件夹持机构其中一半（即工件夹持机构12的上半部分），手动旋转旋柄Ⅱ125使滚珠丝杠Ⅱ121旋转，再转化成螺母带动工件夹持机构其中一半的直线往复运动，实现开合），并且，工件夹持机构12的上下两部分之间有导轨连接（图中未示出），实现上下两部分之间的直线运动的导向作用。在未夹持工件的情况下，工件夹持机构12的上下两部分闭合，夹持的情况下，上下两部分夹紧工件，因此无需设置竖直导轨的锁紧机构，也不会出现悬空的情况。

也就是说，工件夹持机构12上下两部分的开合夹件通过转动旋柄Ⅱ125调节滚珠丝杠Ⅱ121实现，工件角度的调整依靠工件夹持机构12的下半部分的旋转盘123，旋转盘123转动使整个工件夹持机构12转动，从而调整工件角度。

作为一个优选的实施方式，每组工件夹持机构12上均设有用于捕获高速切削过程的瞬态图像的高速相机21，整个高速切削的试验过程可以通过高速相机21来拍摄和记录。

作为一个优选的实施方式，每组刀具的切削速度均可由激光测速传感器20测得。更加优选的方案是，激光测速传感器20可以包括两组，一组布置在工件夹持机构12上刀具刚切削到工件的位置，用于监测刀具切削瞬时速度（即刀具切削工件实际速度）；一组布置在高精度定位平台11上最前端的两组刀具刚开始发生位移的地方，用于监测刀具初速。之所以监测初速，除了是方便更好地调节轻气枪1气压，还考虑从开始位移到准备切削的过程并非稳态，必然存在减速过程，获得监测的初速参数后，更便于通过曲线拟合进一步完善多组切削机构的布置。

但是整个切削的过程很短，通常被认为是稳态，此时只需要监测刀具切削工件实际速度即可，因此在实际使用时，也可以只保留一组激光测速传感器20，即保留布置在工件夹持机构12上刀具刚切削到工件的位置，用于监测刀具切削瞬时速度（即刀具切削工件实际速度）。

在安装使用时，要求安装时确保加速管3轴心、入射杆4轴心以及导向槽10轴心在同一轴线上，同时确保刀具9、工件13厚度方向的对称中心以及回收杆17的轴心在同一轴线上。切削过程由轻气枪1发射子弹19经过加速管3加速后撞击入射杆4尾部，入射杆4带动八组刀具9同时沿导向槽10向前推进。根据刀具9预设的位置先后切削装夹在工件夹持机构12上的工件13，从而实现不同工位不同速度的切削对比试验。直至最后一组刀具9切削完毕，刀具9头部触碰到柔性触头14，受到缓冲后快速停止，切削过程结束。每组刀具9的切削速度均可由激光测速传感器20测得。

试验过程中，切削速度主要依靠轻气枪1的气压与刀具9的排布方式调节，气压越高，摆放位置越靠前，获得的切削速度就越大。由于切削时的所需能量远小于子弹19撞击入射杆4时所产生的冲击能量，因此可以实现高速稳态的切削过程。

下面结合本实用新型的结构，介绍具体实施试验步骤：

1、结合图1所示的结构，将八组厚度为6mm、前角0%、后角15°的YW材料刀具9通过刀具夹持机构8安装在切削机构6的前端。入射杆4架设在支座2上的导向槽10中，一端与切削支架7固定连接，并保证另一端正对于轻气枪1出口，且与枪口保持100 mm左右的间距。

2、将八组工件夹持机构12均安装在高精度定位平台11上，以入射杆4的轴线为基准对称分布。将八个长50mm、宽40mm、厚3mm的Ti6Al4V材料工件13分别安装于工件夹持机构12上，调节工件夹持机构12以保证刀具9与工件13呈垂直角度切削。同时沿导向槽10移动入射杆4，保证最靠近轴线的两组工件13与最前端的两组刀具9尽量靠拢。逐步调节高精度定位平台11使工件13高度与刀具9高度一致，并将每组工件13的切削厚度均设置为0.1mm。

3、调节刀具的排布方式为后六组刀具9与最前端两组刀具9的距离分别为10、15、17mm。

4、将300mm长的双锥形子弹19放入轻气枪1的加速管3内，调节轻气枪1的气压值为1.6MPa。

5、轻气枪1发射。子弹19经发射加速后撞击入射杆4，入射杆4带动刀具9沿导向槽10快速前行并完成对工件13的高速切削后，撞击柔性触头14后停止。

经安装于每组工件夹持机构12上的高精度激光测速传感器20测速显示，八个工位上的刀具9的四组不同切削速度分别为1500、1200、900、600m/min。

可以在保持前述参数不变的情况下，调节轻气枪1的气压值进行切削实验；或调节刀具9的排布方式进行切削实验；或改变工件13的材料进行切削实验。此处不再列举。

需要指出的是本实用新型的各部件的结构参数和位置关系并不局限于以上实施例，也可以根据实际需要做出相应调整。本技术领域的普通技术人员，在本实用新型的实质范围内，做出的变化、改型、添加或替换，都应属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.基于霍普金森压杆加载技术的多工位高速切削试验装置，其特征在于：所述装置呈轴对称分布，包括霍普金森压杆动力机构、切削机构、切削支架、工件夹持机构、导向机构、收捕机构、支座和高精度定位平台，依次沿整个装置的对称轴线排布；所述切削机构、工件夹持机构和收捕机构各有多组，每组切削机构、工件夹持机构和收捕机构也分别沿各自轴线依次排布；

所述霍普金森压杆动力机构和切削支架固定安装于支座上，所述工件夹持机构安装于高精度定位平台上；

所述霍普金森压杆动力机构包括轻气枪和入射杆，所述入射杆两侧固定连接切削支架，所述切削机构对称安装于切削支架上；所述轻气枪通过发射子弹撞击入射杆前行，固定连接在入射杆上的切削支架同时带动多组切削机构前行，切削机构前端设置的刀具依次切削工件夹持机构上固定的工件直至最后两组切削完毕；

所述导向机构用于防止入射杆在推进和切削过程中发生歪斜和失稳；

所述收捕机构用于抵挡前行的入射杆，使入射杆受到缓冲后快速停止。

2.根据权利要求1所述的基于霍普金森压杆加载技术的多工位高速切削试验装置，其特征在于：所述的切削机构与切削支架的左右位置关系固定、前后位置调节；每组切削机构前端设置有刀具夹持机构，用以夹持刀具，两侧刀具对称分布，每侧的刀具可以根据所需的不同切削速度调整排布方式。

3.根据权利要求2所述的基于霍普金森压杆加载技术的多工位高速切削试验装置，其特征在于：所述切削机构与切削支架通过导轨和定位销连接，所述切削支架上、与切削机构连接处设有导轨卡槽和多个定位销孔，所述切削机构上设有导轨和插入定位销孔的定位销。

4.根据权利要求1-3任一项所述的基于霍普金森压杆加载技术的多工位高速切削试验装置，其特征在于：所述高精度定位平台下部设有基座，高精度定位平台分为左右两部分，分别位于整个装置的对称轴线的左右两侧，所述高精度定位平台与基座的上下位置关系固定、左右移动调节位置，工件的位置及切削量通过调整高精度定位平台的左右位置来确定。

5.根据权利要求4所述的基于霍普金森压杆加载技术的多工位高速切削试验装置，其特征在于：所述高精度定位平台与基座之间通过滚珠丝杠调节左右位置关系，滚珠丝杠通过滚珠丝杠支座固定在高精度定位平台上，滚珠丝杠外侧连接有用于手动调节的旋柄。

6.根据权利要求1所述的基于霍普金森压杆加载技术的多工位高速切削试验装置，其特征在于：所述导向机构包括固定在支座上的入射杆支座和沿入射方向设置的导向槽，入射杆架设在入射杆支座上以及导向槽中，导向槽设置在入射杆支座与高精度定位平台之间，控制入射杆仅在轴线方向上移动。

7.根据权利要求1所述的基于霍普金森压杆加载技术的多工位高速切削试验装置，其特征在于：所述收捕机构设置在高精度定位平台的后方，前端设置柔性触头、后端连接有缓冲气垫和质量大于入射杆的回收杆，用于减小刀具撞击收捕机构给刀具带来的冲击。

8.根据权利要求1所述的基于霍普金森压杆加载技术的多工位高速切削试验装置，其特征在于：所述每组工件夹持机构上均设有用于捕获高速切削过程的瞬态图像的高速相机。

9.根据权利要求1或8所述的基于霍普金森压杆加载技术的多工位高速切削试验装置，其特征在于：每组刀具的切削速度均可由激光测速传感器测得，所述激光测速传感器布置在工件夹持机构上刀具刚切削到工件的位置。

10.根据权利要求9所述的基于霍普金森压杆加载技术的多工位高速切削试验装置，其特征在于：所述激光测速传感器包括两组，一组布置在工件夹持机构上刀具刚切削到工件的位置，用于监测刀具切削瞬时速度；一组布置在高精度定位平台上最前端的两组刀具刚开始发生位移的地方，用于监测刀具初速。

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