[发明专利]一种基于轻气炮加载技术的高速切削实验装置

说明书

技术领域

本发明属于金属切削领域，尤指一种基于轻气炮加载技术的高速正交切削实验装置。

背景技术

制造业是我国国名经济的支柱产业，其增加值约占我国国内生产总值(GDP)的40％以上，其中切削加工占了整个制造业总产值的15％，因此发展先进切削加工技术是启动我国经济新高潮的杠杆。高速切削可使切削力下降30％，加工效率提高3～5倍以上，被誉为20世纪机械制造业的一场技术革命。高速切削机理是高速切削技术应用和发展的理论基础，在高速切削技术应用中起着指导作用，占有十分重要的地位。但是，当前对高速切削理论的研究严重滞后于应用研究，至今仍有许多问题我们是知其然而不知其所以然，尚未形成比较完整的理论体系，这种状况已经成为制约我国高速切削技术发展的瓶颈。为了更好的理解高速切削机理，急需发展有效的实验装置来研究高速切削过程中的切屑变形行为及相关规律。

目前切削实验主要在车床上进行，车床加工所实现的切削速度一般在几米每秒，很难实现几十甚至几百米每秒的高速切削。要获得较高的切削速度，车床的主轴转速要求必须很高，但由于安全及技术原因，目前一般机床主轴转速都不是很高，最高在10000转/分钟左右。另外在车床加工中，工件的直径通常比较小，一般卧式车床允许工件的最大直径在400mm左右，这也使得利用车床加工所获取的线切削速度往往较低，很难达到高速切削所需的要求。再者，在主轴转速大范围改变的情况下车床加工往往会出现共震现象，导致机床剧烈颤震，从而难以获得稳态的高速切削过程。

最近也有人发展新的方法来实现稳态的高速切削。例如，专利文献(201110049605.6)公开了这样一种高速切削实验装置，该装置基于Hopkinson压杆加载技术搭建，它通过轻气枪发射弹丸撞击入射杆，从而推动入射杆携带刀具前行，进而切削固定的工件。这种切削装置是通过用小口径的轻气枪对刀具进行间接加载来实现的，很难达到极高的切削速度，只能实现5m/s-30m/s的正交切削。当要求实现更高速度(＞30m/s)的高速切削时，这种实验装置就不再适用了。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于轻气炮加载技术的高速切削实验装置，能够实现大于30m/s的稳态高速切削。

为实现上述目的，本发明的一种基于轻气炮加载技术的高速切削实验装置包括：

轻气炮动力加载机构，用于推动切削机构以预定的速度沿预定的轨道飞行；

切削机构，用于对待加工的工件进行高速切削；

固定机构，用于固定待加工的工件；

收捕机构，用于接收完成切削的所述切削机构；

其中，轻气炮动力加载机构、切削机构、固定机构和收捕机构沿一轴线依次排布。

进一步，所述轻气炮动力加载机构包括轻气炮和加速身管，轻气炮与加速身管相连。

进一步，所述切削机构包括炮弹和刀具，刀具通过固定装置安装于炮弹前端。

进一步，所述炮弹安装于所述加速身管内，经轻气炮加载后推动所述刀具在所述加速身管内加速并达到预定的飞行速度，最后从所述加速身管出口发射出去；所述炮弹在所述加速身管内沿一导向机构运行，以避免在飞行过程中发生晃动和偏转；在所述加速身管出口处设置有测量所述炮弹速度的激光测速器。

进一步，根据所述轻气炮的气压大小、炮弹质量及炮弹在加速身管内的初始位置调整所述刀具的切削速度。

进一步，所述固定机构上对称设置两个待加工的工件，两个待加工的工件之间的间距根据所需切削深度确定；所述刀具具有对称分布的两个切削刃，对应切削两个待加工的工件。

进一步，所述收捕机构设置在所述固定机构后部的正对所述加速身管出口位置，收捕机构为柱形腔体，内装缓冲材料。

进一步，所述固定机构上还设置有用于观测工件切削过程的摄像装置。

进一步，所述刀具、待加工的工件和固定机构上设置有用于检测切削过程中切削力和切削温度的传感器。

本发明具有以下优点：

1、通过调节轻气炮的气压大小、炮弹质量或炮弹初始位置可获得很广的切削速度，利用该装置可进行切削速度高达30m/s～150m/s的高速切削实验，能满足大多数材料的高速切削实验要求；

2、整个切削过程速度快、历时短，加之冲击能量远大于切削所需能量，可视为稳态过程；

3、本实验装置可通过安装高速摄像装置捕获高速切削瞬态图像，有助于研究高速切削相关机理；

4、本发明安全可靠、可在刀具和工件及其夹持装置上安装传感器，有利于高速切削过程中切削力和切削温度等参数的测试。