CN107274776B - 一种基于霍普金森压杆装置的模块化高速切削实验平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于霍普金森压杆装置的模块化高速切削实验平台，包括基座和高速摄像机；基座底板上设有安装孔；基座立板的一侧固定有刀架机构，在基座底板上、位于刀架机构的同侧设有工件运动方向控制机构；刀架机构包括固定在基座立板一侧的刀杆压盖，刀杆通过紧固螺栓固定在基座立板上，刀杆的前端安装刀片；工件运动方向控制机构包括轴承座，轴承座的顶部设有与轴孔贯通的轴向开口，轴孔内通过直线轴承装配有固定有工件的工件安装轴，轴承座的顶面沿轴孔的轴向设有刻度线；基座立板上设有通孔。本发明实验平台结构简单，可配合霍普金森压杆试验机方便快捷完成高速切削实验和高速切削快速落刀实验，不需要特殊设计的实验装置。

Description

一种基于霍普金森压杆装置的模块化高速切削实验平台

技术领域

本发明属于金属切削领域，特别是一种用于霍普金森压杆装置技术的高速切削实验平台。

背景技术

高速切削技术是近十几年来迅速崛起的一项先进制造技术，代表了现代加工技术的主流方向。高速切削加工技术具有加工效率高、切削力小、切屑带走大量热来不及传给工件使工件热变形小等特点。高切削速度和高进给速度，使机床的激振频率远高于“机床-工件-刀具”***的固有频率，工件处于平稳加工状态，使零件获得较高的加工精度。所以高速切削加工日益广泛的应用到模具、航空航天和汽车工业等，并以取得了巨大的经济效益。高速切削机理是高速切削技术发展的基础，然而关于高速切削过程中的很多现象人们依然不知道本质原因，高速切削机理也不是很清楚，这严重制约了高速切削技术的发展和应用。对于高速切削加工切削速度是非常重要的切削参数，切削速度测量准确与否直接影响到切削机理的可信度。切屑根部形貌是研究金属切削塑性流动变形的重要研究依据，快速落刀实验方法是研究切屑根部瞬时塑性变形及切削机理的重要方法。能否在不改变切削速度的情况下使刀具切屑快速分离是研究切屑根部情况的关键；基于霍普金森压杆加载技术的实验装置常用于研究高速切削机理，但是无法做到根据研究需要任意更换刀具。综上所述需要一种准确测量切削速度、且能根据需要可实现快速落刀功能、可实现刀具几何参数变化的高速切削实验。

目前霍普金森压杆加载技术的高速切削实验装置很难准确获得刀具与工件的相对速度，现有的基于霍普金森压杆加载技术的高速切削实验大多是测量弹丸在加速身管出口处的速度，即在子弹出口处安装激光测速仪测量子弹飞出时瞬时速度，然后将切削过程看成稳态过程，所以将子弹速度认为是整个切削过程的切削速度，而切削过程并非稳态过程，切削开始至切削结束速度相差较大，对研究切削机理会产生较大误差；采用面面接触的滑道控制切削运动方向，滑道机构的摩擦为滑动摩擦；另外，目前基于霍普金森压杆加载技术的高速切削实验装置大多用于某种功能的专用装置，安装使用不方便，难以修改刀具几何参数(如刀具几何角度)或切削条件实现正交切削、斜角切削，不具有通用性，还需要专用的设计刀具和夹具，并非加工现场使用刀具，不具备根据需要改变刀具的前角、后角、刃倾角和刀具的切削功能。

快速落刀法是研究金属切削变形过程的实验方法，主要用凸轮机构或者弹簧机构实现快速落刀。但这种方法多用于机床上进行切削加工，霍普金森压杆试验机相对于机床研究高速切削机理有如下优点：易实现高速、便于观测切屑变形。但目前还无法在霍普金森试验机上实现高速切削快速落刀实验、且更换刀具不方便。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于霍普金森压杆加载技术用于研究高速切削机理的实验装置，刀架机构能够实现切削所用刀具为加工现场使用刀具，可根据研究需要调整刀具压盖来更换刀具进而改变刀具前角、后角、刃倾角和刀具切削功能；方向控制机构使工件沿直线轴承方向运动与刀具切削刃接触进行切削运动，将滑动摩擦变成滚动摩擦；吸能缓冲机构利用压缩空气吸能减速，利用高速摄像机拍摄切削过程，通过高速摄像机拍摄的照片中工件上的刻线对应轴承座上刻度尺的刻度值计算瞬时切削速度；刀架机构结合运动方向控制机构，轻气缸和同步加压气缸同步加压，使入射杆和透射杆分别先后反向撞击工件，可实现高速切削快速落刀实验；整个切削过程可用测力仪测量切削力；刀架机构，运动方向控制机构和吸能缓冲机构都集成安装在基座上，基座与霍普金森压杆试验机导轨配合使用，可实现快速拆卸，方便实用，不需设计专用设备，具有一定的通用性。此外，此实验平台可根据实验需求选择安装吸能装置，若不适用吸能装置，配合霍普金森压杆的同步加压可实现切削过程快速落刀。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种基于霍普金森压杆装置的模块化高速切削实验平台，包括基座支撑机构和高速摄像机；所述基座支撑机构包括基座和相机三脚架；所述基座包括基座底板和基座立板；所述基座底板上设有安装孔；所述基座立板的一侧固定有刀架机构，在基座底板上、位于刀架机构的同侧设有测力仪，所述测力仪的上面设有工件运动方向控制机构；所述刀架机构包括固定在所述基座立板一侧的刀杆压盖，所述刀杆压盖是一个凹字形压板，所述刀杆压盖与基座立板之间设有刀杆，所述刀杆与所述基座立板之间设有刀杆调整块，所述刀杆压盖上设有多个螺栓孔，所述刀杆通过多个紧固螺栓固定在所述基座立板上，所述刀杆的前端设有刀片；所述工件运动方向控制机构包括固定在所述测力仪上的轴承座，所述轴承座设有轴孔，所述轴孔的一端设有台阶面，所述轴孔的另一端设有弹性挡圈，所述轴承座的顶部设有与所述轴孔贯通的轴向开口，所述轴孔内装配有开口型直线轴承，所述开口型直线轴承装配有工件安装轴，所述工件安装轴上设有工件安装槽，所述工件安装槽的宽度与工件的宽度为过渡配合；所述轴承座的顶面沿轴孔的轴向设有刻度线；所述基座立板上设有通孔。

进一步讲，本发明中，所述通孔的中心线与所述工件安装轴同轴，所述通孔的直径大于工件顶部到工件安装轴的径向尺寸H。

该实验平台还包括吸能缓冲机构，所述吸能缓冲机构包括设置在基座底板上、且位于基座立板的另一侧的高精度升降台；所述高精度升降台上安装有气缸座，所述气缸座内安装气缸，所述气缸内装配有活塞，所述气缸的前端设有气缸盖，所述气缸的后端设有出气管，所述出气管上设有阀门，所述活塞上连接有活塞杆，所述活塞杆的前部为同轴圆筒，所述同轴圆筒顶部的筒壁上设有轴向开槽，所述轴向开槽的宽度大于工件的宽度；

所述活塞杆与所述工件安装轴同轴。

所述通孔的中心线与所述工件安装轴同轴，所述通孔的直径同时大于所述气缸盖的外径和工件顶部到工件安装轴的径向尺寸H。

所述刀杆压盖的顶端设有横向弯板，所述横向弯板搭在基座立板的顶面上。

所述刀杆压盖包括两侧的翼板，每侧翼板上均设有上下两个长形通孔，所述长形通孔的长度沿水平方向一致，所述基座立板上设有四个螺纹孔，所述刀杆压盖通过四个螺栓连接在基座立板上。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)采用模块化高速切削实验平台，可在现有的霍普金森压杆装置上实现切削***的快速安装、切削装置安装便捷，利用高速子弹撞击入射杆，入射杆撞击工件以实现高速切削、获得高应变率。

(2)设计的刀架机构可用刀具压盖和螺栓顶紧真实刀具，还可以根据需要更换刀具进而改变刀具前角、后角、刃倾角，实现正交、斜角等切削过程。

(3)运动方向控制机构采用开口型直线轴承控制运动方向，运动方向准确精度高，将滑动摩擦变成滚动摩擦可大大降低摩擦力，减小能量损耗。

(4)本发明用高速摄像机拍照，根据照片中工件刻线和轴承座的刻度尺的对应位置以及拍摄时间可测量出工件切削速度，使切削速度更准确。

(5)使同步加压气缸与轻气缸同步加压，子弹撞击入射杆同时气缸活塞撞击透射杆，使入射杆和透射杆先后反向撞击工件，可实现高速切削快速落刀实验；使被切削的工件和刀具实现瞬间快速分离。

(6)如需测量切削力可将测力仪安装于运动方向控制机构下方，切削过程可通过测力仪测量切削力。

(7)刀架机构、运动方向控制机构和缓冲吸能机构全部集中安装在基座上，基座与试验机导轨配合，可实现方便快捷使用安装，不需设计特殊专有机构。

附图说明

图1为本发明高速切削实验平台的立体结构示意图；

图2是图1所示高速切削实验平台的另一个视角的立体结构示意图；

图3是图1中所示基座支撑机构的立体结构示意图；

图4是本发明高速切削实验平台主视剖视图；

图5是图4中中央区域的局部结构放大图；

图6是本发明中工件运动方向控制机构中的轴承座的立体结构示意图；

图7是本图5中所示的工件运动方向控制机构结构剖视图；

图8是图7中所示工件安装示意图；

图9是本发明工件运动方向控制机构示意图；

图10是图1中所示刀杆压盖结构示意图；

图11是图5中所示活塞杆的结构示意图；

图12是利用本发明高速切削实验平台进行高速切削快速落刀实验示意图；

图13是利用本发明高速切削实验平台进行切削速度和切削力测量示意图。

图中：

1-基座，2-基座底板，3-基座立板，4-安装孔，5-测力仪，6-刀杆压盖，61-横向弯板，62-翼板，63-长形通孔，64-螺栓，7-刀杆，8-刀杆调整块，9-螺栓孔，10-紧固螺栓，11-刀片，12-轴承座，13-轴孔，14-轴向开口，15-开口型直线轴承，16-工件安装轴，17-工件安装槽，18-刻度线，19-通孔，20-工件，21-高精度升降台，22-气缸座，23-气缸，24-活塞，25-气缸盖，26-出气管，27-阀门，28-活塞杆，29-同轴圆筒，30-轴向开槽，31-螺纹孔，32-橡胶垫，33-弹性挡圈，34-入射杆，35-子弹，36-轻气缸，37-同步加压气缸，38-气缸活塞，39-透射杆，40-台阶面。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

本发明提出一种基于霍普金森压杆装置的模块化高速切削实验平台，包括基座支撑机构、高速摄像机、刀架机构、工件运动方向控制机构、基座支撑机构或还包括有吸能缓冲机构，其中，所述基座支撑机构用于安装固定各零部件和相关的各功能机构，所述高速摄像机用于测量瞬时切削速度，所述刀架机构可实现根据对刀具前角、后角、刃倾角和刀具切削功能的需要来调整或改变刀具，所述工件运动方向控制机构用于控制切削速度方向、安装工件、带动工件作沿直线轴承方向的切削运动，所述吸能缓冲机构用于速度缓冲。

本发明实验平台结构简单，可配合霍普金森压杆试验机方便快捷完成高速切削实验和高速切削快速落刀实验，不需要特殊设计的实验装置。本发明实验平台采用模块化设计，如果利用本发明提供的实验平台进行高速切削快速落刀实验时，包括的功能模块是基座支撑机构、高速摄像机、刀架机构和工件运动方向控制机构即可，如图12所示。如果利用本发明实验平台进行切削速度和切削力测量时，如图13所示，则在上述结构基础上添加吸能缓冲机构即可。

所述基座支撑机构包括基座1和相机三脚架；所述基座1包括基座底板2和基座立板3；所述基座底板2上设有安装孔4，该安装孔为长槽形孔，通过螺钉与先装螺母配合使基座固定在机床导轨上。所述基座立板3上设有通孔19。如图3所示。可以在基座立板3与基座底板2之间设置加强筋，以提高整个***的刚度。

如图1、图2和图4所示，所述基座立板3的一侧固定有刀架机构，在基座底板2上、位于刀架机构的同侧设有测力仪5，所述测力仪5的上面设有工件运动方向控制机构。

如图1所示，所述刀架机构包括固定在所述基座立板3一侧的刀杆压盖6，如图10所示，所述刀杆压盖6是一个凹字形压板，所述刀杆压盖6的顶端设有横向弯板61，所述横向弯板61与基座立板3上的顶面贴合作为安装基准，保证基座立板3上顶面与基座底板2的平行度，即可保证所述刀杆7与加工轴线的垂直度。如图10所示，所述刀杆压盖6包括两侧的翼板62，每侧翼板62上均设有上下两个长形通孔63，所述长形通孔63的长度沿水平方向一致，如图3所示，利用该长形通孔63可以左右调整刀具压盖6，所述基座立板3上设有四个螺纹孔31，所述刀杆压盖6通过四个螺栓64连接在基座立板3上，如图1所示，所述刀杆压盖6与基座立板3之间设有刀杆7，所述刀杆7与所述基座立板3之间设有刀杆调整块8，所述刀杆压盖6上设有多个螺栓孔9，所述刀杆7通过多个紧固螺栓10固定在所述基座立板3上，所述刀杆7的前端安装有刀片11，并且刀杆7的高度可以自由调节，旋松螺栓10通过重力可以保证刀片11的切削刃与工件20上的台阶面接触，对刀后旋紧螺栓10锁紧固定刀杆7。所述刀杆7用刀杆压盖6固定安装在基座立板3上，刀杆调整块8用于刀架机构安装使用不同厚度的刀杆而设计。如图4所示。本发明中所使用的刀具(包括刀杆7和刀片11)均是加工现场所使用的刀具(例如：直角车刀)，可根据需要更换刀具，改变刀具前角、后角、刃倾角和刀具切削功能。

如图4和图5所示，所述工件运动方向控制机构包括固定在所述测力仪5上的轴承座12，所述轴承座12设有轴孔13，所述轴孔13的一端设有台阶面40，如图7所示，所述轴孔13的另一端设有弹性挡圈33，如图5和图7所述轴承座12的顶部设有与所述轴孔13贯通的轴向开口14，所述轴孔13内装配有开口型直线轴承15，所述开口型直线轴承被孔用弹性挡圈33和轴承座12的台阶面40轴向固定在轴承座12内，所述开口型直线轴承15装配有工件安装轴16，所述工件安装轴16上设有工件安装槽17，所述工件安装槽17的宽度与工件20的宽度为过渡配合；所述轴承座12的顶面沿轴孔的轴向设有刻度线18，如图6所示，可以采用在轴承座12顶面粘贴带有刻度线18的刻度尺，该刻度尺可根据不同精度要求进行更换，所述工件20上刻有刻线，工件20的切削深度通过机械加工在工件20的顶部上加工有台阶面，如图7所示。实验时，将带有刻线的工件20***到工件安装轴16的工件安装槽17内，两者之间为过渡配合，工件20的底面与工件安装槽17的底面贴合，并通过顶丝将工件20固定在工件安装轴16上，如图8所示；然后，将带有工件20的工件安装轴16装到带有刻度的轴承座12内，利用工件20上和轴承座12上的刻线对好位置即可，工件安装轴16在开口型直线轴承15内可自由滑动，轴承座12通过螺栓固定在测力仪5上，如图9所示。若不需要测量切削力时，也可以用等高的垫块来代替测力仪5。实验中，可以根据高速摄像机拍摄的不同时刻照片中工件刻线对应刻度尺不同刻度值即可计算瞬时切削速度，高速摄像机还可用于拍摄切削变形过程。

如图4和图5所示，所述基座立板3上通孔19的中心线与所述工件安装轴16同轴，所述通孔19的直径大于工件20顶部到工件安装轴16的径向尺寸H，如图8所示。

如图2、图4和图5所示，所述吸能缓冲机构包括设置在基座底板2上、且位于基座立板3的另一侧的高精度升降台21，所述高精度升降台21上安装有气缸座22，所述气缸座22与高精度升降台21通过螺栓连接固定。所述气缸座22内安装气缸23，所述气缸23内装配有活塞24，所述气缸23的前端设有气缸盖25，所述气缸23的后端设有出气管26，所述出气管26上设有阀门27，调节阀门27的开口大小可调节吸能缓冲机构对速度的缓冲能力，所述活塞24上安装密封圈，所述活塞24上连接有活塞杆28，所述活塞24上设有密封圈的安装槽和连接活塞杆28的螺纹孔，所述活塞杆28的后端设有外螺纹，所述活塞杆28的前部为同轴圆筒29，所述同轴圆筒29的底部安装用于缓冲的橡胶垫32，如图5所示，所述同轴圆筒29顶部的筒壁上设有轴向开槽30，所述轴向开槽30的宽度大于工件20的宽度；所述活塞杆26与所述工件安装轴16同轴，所述高精度升降台21用于支撑和调整高度使活塞杆26和工件安装轴16同轴。所述通孔19的中心线与所述工件安装轴16同轴，为了避免出现机构之间的干涉所述通孔19的直径同时大于所述气缸盖25的外径和工件20顶部到工件安装轴16的径向尺寸H。

本发明中的高速摄像机固定在相机三脚架上，实验时，将相机三脚架上安放在实验现场用于切削过程摄像，根据高速摄像机拍摄的照片及拍摄时间间隔，不同时刻工件对应刻度尺不用位置即可计算瞬时切削速度，本发明中的高速摄像机还可用于拍摄切屑变形过程。

利用本发明高速切削实验平台进行切削速度和切削力测量，如图13所示，基座1上安装刀杆机构、工件运动方向控制机构和吸能缓冲机构，并配合霍普金森压杆试验机使用。轻气缸36发射高速子弹35，所述子弹35撞击入射杆34，所述入射杆34撞击工件20右端，如图5所示，工件20带动工件安装轴16在开口型直线轴承15滑动，进而工件20沿开口型直线轴承15方向运动与刀具切削刃接触进行切削运动，工件20左端撞击活塞杆28，通过活塞24在气缸23内压缩空气吸能减速使切削运动停止，高速摄像机拍摄整个切削过程。通过高速摄像机拍摄的照片中工件20上的刻线对应轴承座12上刻度尺的刻度值(如图9所示)计算瞬时切削速度。测力仪5用于测量切削过程切削力。

当需要快速落刀实验以获得切屑根部瞬态变形情况时，即利用本发明实验平台(不带有吸能缓冲机构，只需拆除气缸座与高精度升降台连接的螺栓，将整套吸能缓冲机构拆除即可)与霍普金森压杆试验机配合进行高速切削快速落刀实验，如图12所示，将固定有高速摄像机的相机三脚架安放在实验装置侧面用于观测切削过程切削区的影像；将安装有刀杆7和工件20的实验平台置于霍普金森压杆试验机***中，使同步加压气缸与轻气缸同步加压获得相等压力，气缸活塞和子弹同时发出，子弹撞击入射杆，气缸活塞撞击透射杆，通过调整工件20在前后端面距离透射杆39和入射杆34的距离，使入射杆34先撞击工件20的右端，工件20运动距离s(s小于工件20的长度)后透射杆39撞击工件使工件20迅速停止，实现高速切削快速落刀实验。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种基于霍普金森压杆装置的模块化高速切削实验平台，包括基座支撑机构和高速摄像机；其特征在于：

所述基座支撑机构包括基座(1)和相机三脚架；所述基座(1)包括基座底板(2)和基座立板(3)；所述基座底板(2)上设有安装孔(4)；

所述基座立板(3)的一侧固定有刀架机构，在基座底板(2)上、位于刀架机构的同侧设有测力仪(5)，所述测力仪(5)的上面设有工件运动方向控制机构；

所述刀架机构包括固定在所述基座立板(3)一侧的刀杆压盖(6)，所述刀杆压盖(6)是一个凹字形压板，所述刀杆压盖(6)与基座立板(3)之间设有刀杆(7)，所述刀杆(7)与所述基座立板(3)之间设有刀杆调整块(8)，所述刀杆压盖(6)上设有多个螺栓孔(9)，所述刀杆(7)通过多个紧固螺栓(10)固定在所述基座立板(3)上，所述刀杆(7)的前端设有刀片(11)；

所述工件运动方向控制机构包括固定在所述测力仪(5)上的轴承座(12)，所述轴承座(12)设有轴孔(13)，所述轴孔(13)的一端设有台阶面(40)，所述轴孔(13)的另一端设有弹性挡圈(33)，所述轴承座(12)的顶部设有与所述轴孔(13)贯通的轴向开口(14)，所述轴孔(13)内装配有开口型直线轴承(15)，所述开口型直线轴承(15)装配有工件安装轴(16)，所述工件安装轴(16)上设有工件安装槽(17)；所述工件安装槽(17)的宽度与工件(20)的宽度为过渡配合；所述轴承座(12)的顶面沿轴孔的轴向设有刻度线(18)；

所述基座立板(3)上设有通孔(19)。

2.根据权利要求1所述基于霍普金森压杆装置的模块化高速切削实验平台，其特征在于，所述通孔(19)的中心线与所述工件安装轴(16)同轴，所述通孔(19)的直径大于工件(20)顶部到工件安装轴(16)的径向尺寸H。

3.根据权利要求1所述基于霍普金森压杆装置的模块化高速切削实验平台，其特征在于，该实验平台还包括吸能缓冲机构，所述吸能缓冲机构包括设置在基座底板(2)上、且位于基座立板(3)的另一侧的高精度升降台(21)；所述高精度升降台(21)上安装有气缸座(22)，所述气缸座(22)内安装气缸(23)，所述气缸(23)内装配有活塞(24)，所述气缸(23)的前端设有气缸盖(25)，所述气缸(23)的后端设有出气管(26)，所述出气管(26)上设有阀门(27)，所述活塞(24)上连接有活塞杆(28)，所述活塞杆(28)的前部为同轴圆筒(29)，所述同轴圆筒(29)顶部的筒壁上设有轴向开槽(30)，所述轴向开槽(30)的宽度大于工件(20)的宽度；

所述活塞杆(26)与所述工件安装轴(16)同轴。

4.根据权利要求3所述基于霍普金森压杆装置的模块化高速切削实验平台，其特征在于，所述通孔(19)的中心线与所述工件安装轴(16)同轴，所述通孔(19)的直径同时大于所述气缸盖(25)的外径和工件(20)顶部到工件安装轴(16)的径向尺寸H。

5.根据权利要求1至4任一所述基于霍普金森压杆装置的模块化高速切削实验平台，其特征在于，所述刀杆压盖(6)的顶端设有横向弯板(61)，所述横向弯板(61)搭在基座立板(3)的顶面上。

6.根据权利要求1至4任一所述基于霍普金森压杆装置的模块化高速切削实验平台，其特征在于，所述刀杆压盖(6)包括两侧的翼板(62)，每侧翼板(62)上均设有上下两个长形通孔(63)，所述长形通孔(63)的长度沿水平方向一致，所述基座立板(3)上设有四个螺纹孔(31)，所述刀杆压盖(6)通过四个螺栓(64)连接在基座立板(3)上。