一種高速切削變形場瞬態測量裝置及使用方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及金屬切削領域，特別涉及一種高速切削變形場瞬態測量裝置及使用方法。
【背景技術】
[0002]制造業是我國國民經濟的支柱產業，其增加值約占我國國內生產總值的40%以上，其中切削加工占了整個制造業總產值的15%，因此發展先進切削加工技術是啟動我國經濟新高潮的杠桿。高速切削可使切削力下降30%，加工效率提高3?5倍以上，被譽為20世紀機械制造業的一場技術革命。高速切削機理是高速切削技術應用和發展的理論基礎，在高速切削技術應用中起著指導作用，占有十分重要的地位。但是，當前對高速切削理論的研究嚴重滯后于應用研究，至今仍有許多問題我們是知其然而不知其所以然，尚未形成比較完整的理論體系，這種狀況已經成為制約我國高速切削技術發展的瓶頸。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切肩變形行為及相關規律。
[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，最高在10000轉/分鐘左右。另外在車床加工中，工件的直徑通常比較小，一般臥式車床允許工件的最大直徑在400 mm左右，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。再者，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。最近也有人發展新的方法來實現穩態的高速切削。中國專利文獻公開號為102175549A專利名稱為《基于霍普金森壓桿加載技術的高速切削實驗裝置》，包括動力機構、切削機構、固定機構和收捕機構，動力機構、切削機構、固定機構和收捕機構沿一軸線依次排布，動力機構用于向切削機構發射彈丸，通過彈丸撞擊切削機構從而推動切削機構的入射桿前行，隨著入射桿前行，入射桿前端設置的刀具切削固定機構上固定的工件；收捕機構用于抵擋前行的入射桿，使入射桿快速停止。該發明的整個實驗裝置基于Hopkinson壓桿加載技術搭建，整個切削過程速度快、歷時短，加之沖擊能量遠大于切削所需能量，可視為穩態過程，為獲得穩態的高速切削過程提供前提。但是其存在的問題是:該專利雖然提供了一種高速切削實驗手段，但依然無法實現高速切削過程中變形場的瞬態測量。
[0004]高速切削過程中切肩的變形主要集中發生在主剪切變形區，變形程度非常大，剪切應變可達1~10。另外，切肩變形完成后還會隨切肩流走，使得應用常規的應變片或光纖光柵等接觸式測量技術根部無法獲得切肩的瞬態變形場，只能通過數字圖像相關測量技術來實現。然而，高速切削過程中切肩的變形集中發生在一個很狹窄的區域，一般在10^102微米范圍內，而剪切應變卻達到1~10，這對數字圖像相關測量的空間分辨率要求非常高。更為重要的是，高速切削過程中切肩的變形速率極高，應變率可達16 s 1以上，這又對數字圖像相關測量的時間分辨率提出了苛刻的要求。因此，目前還沒有一個有效的裝置和方法能獲得高速切削過程中切肩的瞬態變形場。

【發明內容】

[0005]本發明的目的就是針對現有技術存在的上述缺陷，提供一種高速切削變形場瞬態測量裝置及使用方法，增加了一套相關的切肩根部顯微圖像高速采集和圖像數字化處理裝置，可實現高速切削變形場的瞬態測量。
[0006]本發明提到的一種高速切削變形場瞬態測量裝置，包括高速切削加載單元，高速切削加載單元用于實現高速正交切削加載和回收，包含高壓氣室(101)、加速身管(102)、子彈(103)、激光測速器(104)、入射桿(105)、工件夾持裝置(106)、回收桿(107)，所述子彈(103)安裝于加速身管(102)內，經高壓氣室(101)加速后撞擊入射桿(105)并推動安置于入射桿前端的工件(202)高速前行，使其被固定于刀架(204)上的刀具快速切削，切削完成后入射桿(105)通過撞擊回收桿(107)停止前行；所述加速身管出口(102)處設置有測量子彈速度的激光測速器(104)，子彈經過激光測速器時激光測速器(104)被激活；刀架(204)后部正對入射桿(105)的位置安放回收桿(107)，回收桿(107)后部設置緩沖器(108);還包括切肩根部顯微圖像高速采集單元和圖像數字化處理單元，所述切肩根部顯微圖像高速采集單元，用于連續實時捕捉切削過程中切肩根部顯微瞬態圖像，包含切削臺(201)、工件
(202),有機玻璃(203)、刀架(204)、刀具(205)、三維矢量平臺(206)、高速特種相機(207)、顯微成像鏡頭(208)、光學放大裝置(209)、照明裝置(210)，所述切削臺(201)固定在工件夾持裝置(106)與回收桿(107)之間；兩個刀架(204)以工件(202)為中心對稱安裝于切削臺(201)上側，且位置和高度可調；所述刀架(204)上安裝有角度調節器，可以調整刀具傾角；所述刀具(205)固定于所述刀架(204)上，實驗前刀具切削刃緊靠在工件內邊界(202-2)，刀具側面緊貼有機玻璃，保證工件表面和刀具側面處于同一平面；所述的高速特種相機(207)與高速切削加載單元的激光測速器(104)通過數據線相連，可由激光測速信號觸發拍攝，實現切削與拍攝過程同步；
所述圖像數字化處理單元，用于處理拍攝得到的系列高速切削瞬態圖像，并計算得到高速切削過程中的切肩根部變形場。
[0007]優選的，三維矢量平臺(206)通過安裝槽固定于切削臺(201)上；高速特種相機(207 )通過三維矢量平臺(206 )垂直架設于刀具(205 )上端；所述高速特種相機(207 )前部安裝顯微成像鏡頭(208)，可通過光學放大裝置(209)向下拍攝刀具尖端附近的切肩根部微觀圖像；上述高速特種相機最高拍攝速度達每秒32萬幀，存儲量32GB，可滿足高速切削大應變、高應變率的瞬態變形場測量要求。
[0008]上述工件(202)設計成凸字形，凸口朝前，工件(202)同一側的內外兩邊間距與切削深度一致；所述工件(202)的待觀測面打磨平整，并由細砂紙打磨出井字形條紋，利于后期變形場計算。
[0009]上述工件(202)水平放置，工件(202)的上部覆蓋透明的有機玻璃(203)，有機玻璃(203)的寬度略大于工件(202)的寬度，能有效抑制工件的曲面變形；所述有機玻璃
(203)和工件(202)—起由工件夾持裝置(106)固定于入射桿(105)的前端。
[0010]刀架(204)后部正對入射桿(105)的位置安放回收桿(107)，回收桿(107)后部設置緩沖器(108)。
[0011]上述三維矢量平臺(206)的四個支柱具有螺紋結構，用于對高速特種相機的高度進行粗調；且三維矢量平臺(206)上布置有縱向、橫向滑軌和垂直升降臺，可用于調整高速特種相機的水平位置和聚焦。
[0012]光學放大裝置(209)安裝于高速特種相機(207)下部，用以得到肩根部的顯微放大圖像，其包含分光鏡、透鏡和濾波器，照明裝置(210)位于高速特種相機(207)和刀具
(205)之間，其光源匯聚于刀具尖端。
[0013]本發明提到的高速切削變形場瞬態測量裝置的使用方法，包括以下步驟:
a、組裝測量裝置:整套裝置安裝于支座(109)上，安裝時保證加速身管(102)、入射桿(105)、回收桿(107)、切削臺(201)、三維矢量臺(206)、工件(202)以及兩個刀架(204)和兩個刀具(205)的對稱軸位于同一軸線上；
b、實驗前調整:實驗前通過三維矢量平臺(206)的縱向和橫向滑軌調整高速特種相機(207)的水平位置，使顯微成像鏡頭(208)正對刀具(205)的刀尖；通過改變三維矢量平臺
(206)的支柱和垂直升降臺高度調整顯微成像鏡頭(208)與光學放大裝置(209)以及刀具(205)之間的距離，使其聚焦于刀具尖端的切肩根部；根據擬定的切削速度調整高速特種相機(207)的拍攝速度；調整照明裝置(210)的亮度以獲得高質量的畫面；
C、實驗過程中:子彈(103)由高壓氣室(