基于落錘沖擊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，涉及一種基于落錘沖擊實驗機的高速切削實 驗裝置。
【背景技術】
[0002] 先進制造技術被視為提高產業競爭和增強綜合國力的根本保證，而高速切削是集 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，對我國制造產業的發展起著舉 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。為了更好地理 解高速切削機理，急需發展有效的高速切削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，本發明提供一種基于落錘沖擊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，本發明采用如下技術方案：
[0006] 基于落錘沖擊實驗機的高速切削實驗裝置，包括:落錘沖擊實驗機、變速單元、減 程單元、切削單元和回收單元;落錘沖擊實驗機、減程單元、切削單元和回收單元沿同一方 向依次分布;變速單元的動滑輪和定滑輪固定在落錘沖擊實驗機上，落錘沖擊實驗機的落 錘和減程單元的滾輪經由繞過滑輪的鋼絲繩相連;減程單元的輪架和切削單元的滑桿通過 牽引鋼絲繩相連;切削單元的滑桿和回收單元的固定墩通過鋼索相連。
[0007] 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為基于落錘沖擊實驗機的高速切削實驗裝置示意圖；
[0011] 圖2為減程單元、切削單元和回收單元局部三維示意圖；
[0012] 圖3為切削單元三維示意圖；
[0013]圖中：1、落錘沖擊實驗機；101、機座框架；102、導軌；103、落錘；2、變速單元;201、 定滑輪；202、動滑輪；203、鋼絲繩；204、定向輪；3、減程單元；301、底座；302、滑道；303、滾 輪;304、輪架;4、切削單元;401、牽引鋼絲繩;402、滑行支座;403、滑槽;404、滑桿;405、導向 鍵;406、工件;407、刀架支座;408、刀架;409、刀具;410、光柵;411、光纖;412、光柵光纖動態 解調儀;413、計算機;5、回收單元;501、固定墩;502鋼索。
【具體實施方式】
[0014] 如圖1所示，基于落錘沖擊實驗機的高速切削實驗裝置，包括:落錘沖擊實驗機1、 變速單元2、減程單元3、切削單元4和回收單元5;落錘沖擊實驗機1、減程單元2、切削單元4 和回收單元5沿同一方向依次分布;變速單元2的動滑輪和定滑輪固定在落錘沖擊實驗機1 上，落錘沖擊實驗機1的落錘和減程單元3的滾輪經由繞過滑輪的鋼絲繩相連;減程單元的 輪架和切削單元的滑桿通過牽引鋼絲繩相連;切削單元的滑桿和回收單元的固定墩通過鋼 索相連;落錘沖擊實驗機的落錘通過自由落體運動，經由滑輪組拖拽盤繞在滾輪上的鋼絲 繩，使滾輪在輪架內自由轉動；當落錘下落到一定距離并擁有相當速度時，鋼絲繩被拉緊繃 直，進而拉動輪架以及與之相連的滑桿，使輪架和滑桿分別沿滑道和滑槽高速滑行;滑桿在 高速滑行過程中攜帶工件撞擊固定于梁式刀架上的刀具，從而實現高速正交切削，切削過 程中的切削力由梁式刀架上安裝的光柵光纖測力系統測量;切削完成后滑桿被回收單元的 鋼索拖拽進而減速停止。
[0015] 落錘沖擊試驗機1用于實施高速牽引加載，包括:機座框架101、導軌102、落錘103、 升降機構和數控設備;機座框架101固定在地面上，機座框架101包括上橫梁和下橫梁，兩根 平行的導軌102垂直安裝于機座框架101的上橫梁和下橫梁之間；落錘103嵌裝在導軌上，可 沿導軌上下自由滑動;落錘103具有相當大的質量，實驗前落錘103由升降機構抬升到一定 高度，實驗過程中落錘103自由下落，當下落到最低點時具有較高的速度和動能，由此可以 提供高速牽引載荷;落錘沖擊試驗機的操作和數據采集由數控設備控制。
[0016] 變速單元2用于連接落錘和減程單元，使減程單元的輪架在落錘的牽引下高速滑 動，其主要包括N+1個定滑輪201、N個動滑輪202、鋼絲繩203和定向輪204;定滑輪201安裝在 機座框架101的上橫梁上，動滑輪202安裝在落錘103上，定滑輪201和動滑輪202位于同一平 面;鋼絲繩203的一端固定在機座框架101的橫梁上，另一端在依次交替繞過定滑輪201和動 滑輪202后由定向輪204牽引至減程單元的滾輪303;經過滑輪組變速后，鋼絲繩203的末端 線速度和移動距離均為落錘的2N倍；
[0017] 減程單元3用于減少工件的滑動距離，節省實驗空間，包括:底座301、滑道302、滾 輪303和輪架304;底座301、滑道302、滾輪303和輪架304在落錘沖擊試驗機的一側沿同一軸 線對稱分布，其對稱軸落于變速單元的鋼絲繩所在平面內；底座301固定在地面上，兩個滑 道302對稱布置于底座301的中上部;滾輪303安裝在輪架304上，滾輪303可在輪架304內自 由轉動;輪架304裝嵌在滑道內，可攜帶滾輪303沿滑道滑行;輪架304和滑道302之間設置卡 簧，只有當輪架304受一定大小的拉力作用時卡簧才會松開，此時輪架304才能沿滑道302滑 行;輪架304上設有定向孔，變速單元的鋼絲繩203穿過定向孔后固定在滾輪303的中心位 置;滾輪303上安裝有可拆卸式手柄，在實驗前通過旋轉手柄使鋼絲繩203盤繞在滾輪303 上，從而大幅縮短滑道長度，節省實驗空間；實驗過程中，當落錘103下落到一定距離并擁有 相當速度時，盤繞在滾輪上的鋼絲繩被拉緊繃直，進而拉動輪架，使其沿滑道高速前行。
[0018] 切削單元4用于實現高速正交切削并測量切削力，包括:牽引鋼絲繩401、滑行支座 402、滑槽403、滑桿404、導向鍵405、工件406、刀架支座407、梁式刀架408、刀具409、光柵 410、光纖411、光柵光纖動態解調儀412和計算機413;滑行支座402固定在地面上，兩個滑槽 403沿軸線對稱布置于滑行支座的上部，并貫穿整個滑行支座;滑桿404通過導向鍵405安裝 在滑槽403內，可沿滑槽水平滑動；滑桿404的前方設置有一個槽口，工件406固定于該槽口 內；滑桿404的前端通過牽連鋼絲繩401與減程單元的輪架304相連；當落錘103下落到一定 距離時，減程單元的輪架304經由鋼絲繩被落錘拖拽進而高速前行，與之相連的滑桿404也 隨之攜帶工件406沿滑槽403高速前行;切削單元的兩個刀架支座407位于底座301和滑行支 座402之間，對稱固定在滑桿404的運行路線的正前方;梁式刀架408固定在刀架支座407上， 刀具409安裝在梁式刀架408的前端，刀具409的前刀面安置在梁式刀架408的縱向對稱面 上;刀具409可沿梁式刀架408的軸線滑動，從而調整切削厚度;刀具409與工件406之間的距 離可調，確保落錘103在落地之后工件406才開始撞擊刀具409,從而保證切削過程為勻速過 程;梁式刀架408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