基于數字化擺錘實驗機的高速切削實驗裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于金屬切削領域，具體地，涉及一種基于數字化擺錘實驗機的高速切削 實驗裝置。
【背景技術】
[0002] 制造業是國家國民經濟和綜合國力的基礎，而先進制造技術被視為提尚廣業克爭 和增強綜合國力的根本保證。高速切削是集高效、優質、低耗于一身的先進制造技術，是切 削加工技術的發展方向，具有廣闊的應用前景。高速切削機理是高速切削技術應用和發展 的理論基礎，對我國制造業的發展起著舉足輕重的指導作用。但是，當前對高速切削理論的 研究嚴重滯后于工程應用，至今尚未形成比較完整的理論體系，這種狀況已經嚴重制約了 我國國民經濟的快速發展。為了更好的理解高速切削機理，急需發展有效的實驗裝置來研 究高速切削過程中的相關機理及規律。
[0003] 目前的切削實驗主要在車床上進行，車床加工所實現的切削速度一般在幾米每 秒，很難實現幾十甚至幾百米每秒的高速切削。要獲得較高的切削速度，車床的主軸轉速要 求必須很高，但由于安全及技術原因，目前一般機床主軸轉速都不是很高。另外在車床加工 中，工件的直徑通常比較小，這也使得利用車床加工所獲取的線切削速度往往較低，很難達 到高速切削所需的要求。更為重要的是，在主軸轉速大范圍改變的情況下車床加工往往會 出現共震現象，導致機床劇烈顫震，從而難以獲得穩態的高速切削過程。目前，也有研究人 員通過輕氣炮或Hopkinson壓桿等氣動加載裝置來實現高速切削。但是，利用氣動加載需要 通過調整氣壓大小來調節切削速度，而氣壓大小很難精確調節，這使得切削速度不好精確 控制。更為重要的是，氣動加載時高壓氣體的爆轟過程會引起整個實驗裝置的震動。這種震 動會影響切削精度，同時會誘發鋸齒狀切肩的形成，從而影響高速切削機理的研究。因此， 目前急需一種有效的裝置來實現高速切削，同時避免由于高速加載而引起的震動。
【發明內容】
[0004] 針對現有技術存在的問題，本發明的目的在于提供一種基于數字化擺錘實驗機的 高速切削實驗裝置，在實現高速正交切削的同時避免由于高速加載而引起的震動，同時可 以完成切削力的高頻測量。
[0005] 為實現上述目的，本發明采用下述方案：
[0006] 基于數字化擺錘實驗機的高速切削實驗裝置，包括:數字化擺錘實驗機、沖擊單 元、滑行單元、切削單元和回收單元;所述沖擊單元固定在數字化擺錘實驗機的擺錘上，滑 行單元、切削單元和回收單元沿數字化擺錘實驗機的擺錘擺動路線最低點的切線方向依次 排列;數字化擺錘實驗機的擺錘由高往低自由落體擺動，在其擺動至最低點時，固定在擺錘 上的沖擊桿高速撞擊滑行單元的滑桿，使滑桿攜帶工件沿滑槽高速前行并撞擊切削單元的 刀具，從而實現高速正交切削；切削過程中的切削力由切削單元梁式刀架上安裝的光柵光 纖測力系統測量;切削完成后，滑桿通過撞擊回收腔而停止前行。
[0007] 本發明與現有技術相比，本發明的有益效果如下：
[0008] 1、能夠實現高速正交切削實驗，同時避免了由于高速加載而引起的震動問題。
[0009] 2、利用梁式刀架和光纖光柵測量切削力，方便快捷，具有抗干擾能力強、測量精度 高、采集頻率超高的特點，特別適用于捕捉鋸齒狀切肩形成過程中切削力的高頻波動情況， 為高速切削機理研究提供基礎。
【附圖說明】
[0010] 圖1為基于數字化擺錘實驗機的高速切削實驗裝置整體示意圖；
[0011] 圖2為圖1所示裝置的俯視圖；
[0012] 圖3為撞擊瞬間的沖擊單元、滑行單元、切削單元和回收腔示意圖；
[0013] 圖4為圖3所示裝置的俯視圖；
[0014]圖5為切削單元三維示意圖；
[0015]圖中：1、數字化擺錘實驗機；101、主體框架；102、中心軸；103、擺臂；104、擺錘；2、 沖擊單元；201、固定機構；202、沖擊桿；3、滑行單元；301、滑行支座；302、滑槽;303、滑桿； 304、導向鍵;305、工件;4、切削單元;401、刀架支座;402、刀架;403、刀具;404、光柵;405、光 纖;406、光柵光纖動態解調儀;407、計算機;5、回收單元。
【具體實施方式】
[0016] 如圖1所示，基于數字化擺錘實驗機的高速切削實驗裝置，包括:數字化擺錘實驗 機1、沖擊單元2、滑行單元3、切削單元4和回收單元5;所述沖擊單元2固定在數字化擺錘實 驗機1的擺錘上，滑行單元3、切削單元4和回收單元5沿數字化擺錘實驗機的擺錘擺動路線 最低點的切線方向依次排列;數字化擺錘實驗機的擺錘由高往低自由落體擺動，在其擺動 至最低點時，固定在擺錘上的沖擊桿高速撞擊滑行單元的滑桿，使滑桿攜帶工件沿滑槽高 速前行并撞擊切削單元的刀具，從而實現高速正交切削；切削過程中的切削力由切削單元 梁式刀架上安裝的光柵光纖測力系統測量;切削完成后，滑桿通過撞擊回收單元而停止前 行。
[0017] 數字化擺錘實驗機1用于實現高能量、高速度的沖擊加載，包括:主體框架101、中 心軸102、擺臂103、擺錘104;主體框架101固定在地面上，主體框架101的頂部設有中心軸 102, 中心軸102向外伸出一定距離;擺臂103的一端懸掛在中心軸102上，另一端上固定有擺 錘104，擺臂103攜帶擺錘104可繞中心軸102自由擺動;擺錘104具有一定質量，其前端為凹 形沖擊刃口；實驗前將擺臂103擺動到一定角度，使擺錘104處于一定高度;實驗中釋放擺臂 103, 擺錘104隨擺臂103繞中心軸102自由落體擺動，在擺動到最低點處具有最大的速度和 動能，進而可以提供高能、高速的沖擊載荷;擺錘104的初始高度以及擺臂102的仰角由數控 系統控制;擺錘104擺動到最低點發生撞擊后的能量損失由數字化顯示儀顯示。
[0018] 沖擊單元2用于將擺錘的能量傳遞給滑行單元的滑桿，包括：固定裝置201和沖擊 桿202;固定裝置201固定在擺錘104的凹形沖擊刃口的中部，沖擊桿202安裝在固定裝置201 內；沖擊桿202為方形截面桿，并向前伸出凹形沖擊刃口一定距離;沖擊桿202可在固定裝置 201內伸縮和轉動，伸縮距離和轉動角度分別由刻度表和角度調節器控制;實驗前通過調整 沖擊桿202的伸縮距離和轉動角度，使擺錘104擺動至最低點時沖擊桿202與滑桿發生平面 撞擊。
[0019] 滑行單元3用于承受沖擊桿的撞擊并攜帶工件高速前行，包括:滑行支座301和滑 槽302、滑桿303、導向鍵304,各部件沿同一軸線對稱分布;兩個滑行支座301固定在擺錘擺 動方向上，兩個滑行支座301沿擺錘重心的擺動平面對稱分布，其間距略大于擺錘厚度;兩 個滑行支座的上部分別設置一個滑槽302，滑槽302沿水平方向貫穿整個滑行支座;滑桿303 安裝在兩個滑行支座之間，可通過導向鍵304沿滑槽302水平滑行；滑桿303為方形截面桿， 其截面尺寸略小于沖擊桿;滑桿303的前端面位于擺錘重心擺動路徑的最低點，其后方設置 有一槽口，工件305固定于該槽口內；擺錘擺動至最低點時，滑桿303受到固定在擺錘上的沖 擊桿202的高能、高速沖擊，之后將攜帶工件305沿滑槽302快速前行。
[0020] 切削單元4用于對高速前行的工件實施正交切削，并對切削過程中的軸向切削力 和橫向推擠力進行高頻測量，包括：刀架支座401、梁式刀架402、刀具403、光柵404、光纖 405、光柵光纖動態解調儀406和計算機407;兩個刀架支座401對稱固定在滑桿303運行路線 的正前方，梁式刀架402固定在刀架支座401上，刀具403安裝在梁式刀架402的前端，刀具 403的前刀面落在梁式刀架402的縱向對稱面上；刀具403可沿梁式刀架402的軸線滑動，從 而調整切削厚度;梁式刀架402的兩端為圓形截面梁，中間為方形截面梁;方形截面梁為測 試截面，在其上下表面中心粘貼兩個光柵404(a，b)，在其左右兩側表面中心粘貼另外兩個 光柵404(c，d)，光柵均沿著梁式刀架的軸線方向布置，光柵距離切削刃