超聲振動條件下刀具與工件間摩擦系數(shù)測試裝置制造方法
【專利摘要】超聲振動條件下刀具與工件間摩擦系數(shù)測試裝置，包括機床工作臺、機床主軸、超聲振動加載系統(tǒng)、夾具、壓電式三向測力儀、電荷放大器，數(shù)據(jù)采集裝置，數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)和計算機；通過機床主軸的移動使刀具材料試件對工件材料試件施加載荷，通過機床工作臺運動帶動工件材料試件與刀具材料試件之間形成摩擦運動，壓電式三向測力儀檢測出電信號，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后再經(jīng)過電荷放大、數(shù)據(jù)采集裝置、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，最后輸入計算機，經(jīng)軟件分析計算后輸出刀具與工件間摩擦系數(shù)。本發(fā)明具有精度高，操作方便，充分利用研究機構(gòu)現(xiàn)有的機床設(shè)備和測力儀的優(yōu)點，可測量不同超聲振動條件下和一般加工條件下，不同形狀，不同材料之間試樣的摩擦系數(shù)。
【專利說明】超聲振動條件下刀具與工件間摩擦系數(shù)測試裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于超聲振動切削加工【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種超聲振動條件下刀具與工件間摩擦系數(shù)測試裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]超聲振動切削，是使刀具以20-50KHZ的頻率、沿切削方向高速振動的一種特種切削技術(shù)。
[0003]超聲振動切削從微觀上看是一種脈沖切削。在一個振動周期中，刀具的有效切削時間很短，大于80%時間的里刀具與工件、切屑完全分離。刀具與工件、切屑斷續(xù)接觸,這就使得刀具所受到的摩擦變小，所產(chǎn)生的熱量大大減少，切削力顯著下降，避免了普通切削時的“讓刀”現(xiàn)象，并且不產(chǎn)生積屑瘤。利用這種振動切削，在普通機床上就可以進行精密加工，圓度、圓柱度、平面度、平行度、直線度等形位公差取主要決于機床主軸及導(dǎo)軌精度，最高可達到接近零誤差，使以車代磨、以鉆代鉸、以銑代磨成為可能。與高速硬切削相比，不需要高的機床剛性，并且不破壞工件表面金相組織。在曲線輪廓零件的精加工中，可以借助數(shù)控車床、加工中心等進行仿形加工，可以節(jié)約高昂的數(shù)控磨床購置費用。
[0004]超聲振動切削具有以下優(yōu)點:
1.切削力小，約為普通刀具切削力的1/3-1/10;
2.加工精度高，主要取決于所用機床精度，所加工工件形位公差幾乎可接近機床相關(guān)精度；
3.切削溫度低，工件保持室溫狀態(tài)；
4.不產(chǎn)生積屑瘤，工件變形小，沒有毛刺；
5.切削表面粗糙度低，可接近理論粗糙度值，最高可達Ra0.2以下；
6.被加工零件的“剛性化”，即與普通切削相比，相當(dāng)于工件剛性提高；
7.加工過程穩(wěn)定，能有效消除顫振；
8.切削液的冷卻、潤滑作用提高；
9.刀具耐用度呈幾倍到幾十倍提高；
10.被加工表面呈壓應(yīng)力狀態(tài)，零件疲勞強度、耐磨性、耐腐蝕性提高；
11.切削后的工件表面呈彩虹效果。
[0005]由于超聲振動切削有以上如此多的優(yōu)點，所以可廣泛應(yīng)用于航空、航天、軍工等領(lǐng)域各種難加工材料的切削加工。如下面列舉幾個方面:
1.難加工材料切削:如耐熱鋼、鈦合金、恒彈性合金、高溫合金、不銹鋼、冷硬鑄鐵、工程陶瓷、復(fù)合材料和花崗巖等；
2.加工淬硬鋼零件及超硬零件，能得到很高的加工精度和表面質(zhì)量:用硬質(zhì)合金刀具可以很輕松地加工硬度達HRC60以上的淬硬鋼零件，如高速鋼、軸承鋼等；用P⑶刀具加工硬質(zhì)合金，可以大大提聞刀具的耐用度；
3.成型切削:利用成型切削刀具加工各種類型的輪廓曲面及內(nèi)外球面、過度圓弧、錐面等；
4.細(xì)長桿件及薄壁件車削加工；
5.超細(xì)直徑零件車削加工；
6.超精密加工。
[0006]由于在材料切削加工過程中，刀具-切屑、刀具-工具之間受到擠壓和摩擦的雙重作用，因此要研究刀具和材料的切削性能就需要了解刀具和材料之間的摩擦特性。特別是超聲振動加工廣泛應(yīng)用于硬脆材料、復(fù)合材料等難加工材料的高效精密切削加工中，目前對超聲振動刀具及材料切削特性的研究，基本集中在通過實際切削加工，通過車削力的測量來了解材料在超聲振動下的切削特性，如果要更深入了解在超聲高頻振動條件下，刀具在受到切削變形壓力時刀具和工件之間的切削特性，就必需要了解在超聲振動下，刀具和工件之間的摩擦特性。目前國內(nèi)外的摩擦系數(shù)測試方法大多是專門設(shè)計的，有獨立的傳動系統(tǒng)和測量系統(tǒng)，這樣成本較高，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。常見的有工件旋轉(zhuǎn)式測試臺和刀具旋轉(zhuǎn)式測試臺，通過LVDT傳感器或應(yīng)變片測得力臂受摩擦力所產(chǎn)生的變形量，經(jīng)計算機處理后計算出摩擦力，正壓力由加載的質(zhì)量和力臂計算得出。這種測試方法只能測試一般條件下工件材料試件與刀具材料試件間的摩擦系數(shù)，不能用于測試實際切削運動時刀具和材料之間的摩擦特性。且不能與現(xiàn)有機床配套使用，更加不能測試在超聲振動情況下刀具和工件之間摩擦特性。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007]本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，提供一種價格適中、精度較高、能夠在超聲振動加工條件下和常規(guī)加工條件下測試刀具材料與工件材料間摩擦系數(shù)測試裝置。
[0008]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:超聲振動條件下刀具與工件間摩擦系數(shù)測試裝置，包括運動系統(tǒng)、超聲振動加載系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，運動系統(tǒng)由機床工作臺I和機床主軸6組成；超聲振動加載系統(tǒng)由X向超聲振動裝置4、Y向超聲振動裝置9、Z向超聲振動裝置7和超聲電源系統(tǒng)10組成；測量系統(tǒng)由夾具3和壓電式三向測力儀2組成；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)由電荷放大器11，數(shù)據(jù)采集裝置12，數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)13和計算機14組成；壓電式三向測力儀2通過第一螺栓15固定在機床工作臺I上，壓電式三向測力儀2通過信號數(shù)據(jù)線依次與電荷放大器11，數(shù)據(jù)采集裝置12，數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)13和計算機14連接；夾具3通過第二螺栓16固定在壓電式三向測力儀2上；X向超聲振動裝置4沿X軸向以及Y向超聲振動裝置9沿Y軸向分別通過第一雙頭螺柱17連接在夾具3上；Z向超聲振動裝置7設(shè)在機床主軸6上；夾具3夾持有工件材料試件5，Z向超聲振動裝置7下端的變幅桿通過第二雙頭螺栓18連接有刀具材料試件8，刀具材料試件8位于工件材料試件5上方并壓緊工件材料試件5 ;通過機床主軸6的Z軸向移動使刀具材料試件8對工件材料試件5施加載荷，通過機床工作臺I相對于機床主軸6的X軸向和Y軸向運動帶動工件材料試件5與刀具材料試件8之間形成摩擦運動，壓電式三向測力儀2檢測出X軸向、Y軸向、Z軸向三個方向的電信號，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后再經(jīng)過電荷放大器11放大后依次通過數(shù)據(jù)采集裝置12、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)13，最后輸入計算機14，經(jīng)軟件分析計算后輸出刀具與工件間摩擦系數(shù)的數(shù)值。
[0009]在打開X向超聲振動裝置4或Y向超聲振動裝置9時，可測試工件材料試件5在一維水平振動條件下，刀具材料試件8與工件材料試件5之間的摩擦系數(shù)；在同時打開X向超聲振動裝置4或Y向超聲振動裝置9時，可測試工件材料試件5在二維水平超聲振動條件下，刀具材料試件8與工件材料試件5之間的摩擦系數(shù)；在僅打開Z向超聲振動裝置7時，可測試刀具材料試件8在一維超聲振動條件下，工件材料試件5與刀具材料試件8之間的摩擦系數(shù)；在同時打開X向超聲振動裝置4、Y向超聲振動裝置9和Z向超聲振動裝置7時，可測試在工件材料試件5 二維水平超聲振動、刀具材料試件8 一維超聲振動條件下，工件材料試件5與刀具材料試件8之間的摩擦系數(shù)。
[0010]采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，有以下有益效果:
(I)、本發(fā)明可測量在工件材料試件一維或二維超聲振動情況下，刀具材料試件與工件材料試件之間的摩擦系數(shù)、如果打開機床主軸上Z向超聲振動裝置，還可以測量刀具和工件在多維超聲振動情況下的超聲振動特性。關(guān)閉超聲振動加載系統(tǒng)，還可以測量在一般常規(guī)加工條件下刀具材料與工件材料之間的摩擦系數(shù)，一機多用；并通過更換不同材料的刀具試件和工件試件，可以測量不同材料的摩擦副間的摩擦系數(shù)。
[0011](2)、本發(fā)明結(jié)合已有的機床設(shè)備和壓電式三向測力儀，避免了單獨設(shè)計傳動系統(tǒng)和測量裝置，顯著降低了制造成本，測量準(zhǔn)確、真實。
[0012]綜上所述，本發(fā)明結(jié)合現(xiàn)有機床和壓電式三向測力儀，通過機床主軸的Z軸向移動使刀具材料試件與工件材料試件壓緊，利用機床工作臺和機床主軸之間的相對運動模擬摩擦運動，且能在機床的X軸向和Y軸向?qū)ぜ虞d一維或二維超聲振動，在機床主軸Z軸向?qū)Φ毒呒虞d一維超聲振動。既能測試超聲振動條件下工件材料試件與刀具材料試件間的摩擦系數(shù)，又能測試常規(guī)加工條件下工件材料試件與刀具材料試件間的摩擦系數(shù)，對研究超聲振動對刀具與工件間摩擦系數(shù)的影響很有幫助。本發(fā)明具有精度高，操作方便，充分利用研究機構(gòu)現(xiàn)有的機床設(shè)備和測力儀的優(yōu)點，可測量不同超聲振動條件下和一般加工條件下，不同形狀，不同材料之間試樣的摩擦系數(shù)。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
附圖中各部件的附圖標(biāo)記為:
1-機床工作臺，2-壓電式三向測力儀，3-夾具，4-Χ向超聲振動裝置，5-工件材料試件，6-機床主軸，7-Ζ向超聲振動裝置，8-刀具材料試件，9-Υ向超聲振動裝置，10-超聲電源系統(tǒng)，11-電荷放大器，12-數(shù)據(jù)采集裝置，13-數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，14-計算機，15-第一螺栓，16-第二螺栓，17-第一雙頭螺柱，18-第二雙頭螺柱。
【具體實施方式】
[0014]如圖1所示，本發(fā)明的超聲振動條件下刀具與工件間摩擦系數(shù)測試裝置，包括運動系統(tǒng)、超聲振動加載系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，運動系統(tǒng)由機床工作臺I和機床主軸6組成；超聲振動加載系統(tǒng)由X向超聲振動裝置4、Υ向超聲振動裝置9、Ζ向超聲振動裝置7和超聲電源系統(tǒng)10組成；測量系統(tǒng)由夾具3和壓電式三向測力儀2組成；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)由電荷放大器11，數(shù)據(jù)采集裝置12，數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)13和計算機14組成；壓電式三向測力儀2通過第一螺栓15固定在機床工作臺I上，壓電式三向測力儀2通過信號數(shù)據(jù)線依次與電荷放大器11，數(shù)據(jù)采集裝置12，數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)13和計算機14連接；夾具3通過第二螺栓16固定在壓電式三向測力儀2上；X向超聲振動裝置4沿X軸向以及Y向超聲振動裝置9沿Y軸向分別通過第一雙頭螺柱17連接在夾具3上；Z向超聲振動裝置7設(shè)在機床主軸6上；夾具3夾持有工件材料試件5，Z向超聲振動裝置7下端的變幅桿通過第二雙頭螺栓18連接有刀具材料試件8，刀具材料試件8位于工件材料試件5上方并壓緊工件材料試件5 ；通過機床主軸6的Z軸向移動使刀具材料試件8對工件材料試件5施加載荷，通過機床工作臺I相對于機床主軸6的X軸向和Y軸向運動帶動工件材料試件5與刀具材料試件8之間形成摩擦運動，壓電式三向測力儀2檢測出X軸向、Y軸向、Z軸向三個方向的電信號，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后再經(jīng)過電荷放大器11放大后依次通過數(shù)據(jù)采集裝置12、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)13，最后輸入計算機14，經(jīng)軟件分析計算后輸出刀具與工件間摩擦系數(shù)的數(shù)值。
[0015]在打開X向超聲振動裝置4或Y向超聲振動裝置9時，可測試工件材料試件5在一維水平振動條件下，刀具材料試件8與工件材料試件5之間的摩擦系數(shù)；在同時打開X向超聲振動裝置4或Y向超聲振動裝置9時，可測試工件材料試件5在二維水平超聲振動條件下，刀具材料試件8與工件材料試件5之間的摩擦系數(shù)；在僅打開Z向超聲振動裝置7時，可測試刀具材料試件8在一維超聲振動條件下，工件材料試件5與刀具材料試件8之間的摩擦系數(shù)；在同時打開X向超聲振動裝置4、Y向超聲振動裝置9和Z向超聲振動裝置7時，可測試在工件材料試件5 二維水平超聲振動、刀具材料試件8 一維超聲振動條件下，工件材料試件5與刀具材料試件8之間的摩擦系數(shù)。
[0016]本發(fā)明可測量在工件材料試件一維或二維超聲振動情況下，刀具材料試件8與工件材料試件5之間的摩擦系數(shù)、如果打開機床主軸6上Z向超聲振動裝置7，還可以測量刀具和工件在多維超聲振動情況下的超聲振動特性。關(guān)閉超聲振動加載系統(tǒng)，還可以測量在一般常規(guī)加工條件下刀具材料與工件材料之間的摩擦系數(shù)，一機多用；并通過更換不同材料的刀具試件和工件試件，可以測量不同材料的摩擦副間的摩擦系數(shù)。
[0017]本發(fā)明中的X向超聲振動裝置4、Y向超聲振動裝置9、Z向超聲振動裝置7、超聲電源系統(tǒng)10、夾具3、壓電式三向測力儀2、電荷放大器11、數(shù)據(jù)采集裝置12、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)13和計算機14均為現(xiàn)有成熟技術(shù)，具體構(gòu)造及原理不再贅述。本實施例中的X向超聲振動裝置4、Y向超聲振動裝置9和Z向超聲振動裝置7分別通過一個超聲電源系統(tǒng)10為之供電。
[0018]本實施例并非對本發(fā)明的形狀、材料、結(jié)構(gòu)等作任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.超聲振動條件下刀具與工件間摩擦系數(shù)測試裝置，其特征在于:包括運動系統(tǒng)、超聲振動加載系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，運動系統(tǒng)由機床工作臺(I)和機床主軸(6)組成；超聲振動加載系統(tǒng)由X向超聲振動裝置(4)、Y向超聲振動裝置(9)、Z向超聲振動裝置(7)和超聲電源系統(tǒng)(10)組成；測量系統(tǒng)由夾具(3)和壓電式三向測力儀(2)組成；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)由電荷放大器(11)，數(shù)據(jù)采集裝置(12)，數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)(13)和計算機(14)組成；壓電式三向測力儀(2)通過第一螺栓(15)固定在機床工作臺(I)上，壓電式三向測力儀(2)通過信號數(shù)據(jù)線依次與電荷放大器(11 )，數(shù)據(jù)采集裝置(12)，數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)(13)和計算機(14)連接；夾具(3)通過第二螺栓(16)固定在壓電式三向測力儀(2)上；X向超聲振動裝置(4)沿X軸向以及Y向超聲振動裝置(9)沿Y軸向分別通過第一雙頭螺柱(17)連接在夾具(3)上；Z向超聲振動裝置(7)設(shè)在機床主軸(6)上；夾具(3)夾持有工件材料試件(5)，Z向超聲振動裝置(7)下端的變幅桿通過第二雙頭螺栓(18)連接有刀具材料試件(8)，刀具材料試件(8 )位于工件材料試件(5 )上方并壓緊工件材料試件(5 );通過機床主軸(6 )的Z軸向移動使刀具材料試件(8 )對工件材料試件(5 )施加載荷，通過機床工作臺(I)相對于機床主軸(6)的X軸向和Y軸向運動帶動工件材料試件(5)與刀具材料試件(8)之間形成摩擦運動，壓電式三向測力儀(2)檢測出X軸向、Y軸向、Z軸向三個方向的電信號，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后再經(jīng)過電荷放大器(11)放大后依次通過數(shù)據(jù)采集裝置(12)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)(13)，最后輸入計算機(14)，經(jīng)軟件分析計算后輸出刀具與工件間摩擦系數(shù)的數(shù)值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲振動條件下刀具與工件間摩擦系數(shù)測試裝置，其特征在于:在打開X向超聲振動裝置(4)或Y向超聲振動裝置(9)時，可測試工件材料試件(5)在一維水平振動條件下，刀具材料試件(8)與工件材料試件(5)之間的摩擦系數(shù)；在同時打開X向超聲振動裝置(4)或Y向超聲振動裝置(9)時，可測試工件材料試件(5)在二維水平超聲振動條件下，刀具材料試件(8)與工件材料試件(5)之間的摩擦系數(shù)；在僅打開Z向超聲振動裝置(7)時，可測試刀具材料試件(8)在一維超聲振動條件下，工件材料試件(5)與刀具材料試件(8)之間的摩擦系數(shù)；在同時打開X向超聲振動裝置(4)、Y向超聲振動裝置(9)和Z向超聲振動裝置(7)時，可測試在工件材料試件(5) 二維水平超聲振動、刀具材料試件(8)—維超聲振動條件下，工件材料試件(5)與刀具材料試件(8)之間的摩擦系數(shù)。
【文檔編號】G01N19/02GK103969178SQ201410190569
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月7日
【發(fā)明者】向道輝, 趙波, 趙明利, 馬國鋒, 張玉龍, 高國富, 焦鋒, 趙重陽, 王曉博, 童景琳 申請人:河南理工大學(xué)