[发明专利]一种立式铣床中切削应力波的可视化实验装置及方法

说明书

本发明一种立式铣床中切削应力波的可视化实验装置及方法，包括光学系统、装夹体、加工工件和立式铣床；光学系统包括反射镜，水平设置的光源，以及沿竖直方向依次从下往上同轴设置的磨砂玻璃、起偏镜、检偏镜和高速摄像机；立式铣床主轴与加工工件垂直，且沿加工工件平面方向进给；加工工件固定在装夹体上端，磨砂玻璃和起偏镜设置在装夹体上；反射镜置于磨砂玻璃下方，且设置于光源的水平光路上形成转向光路，转向光路依次照射磨砂玻璃、起偏镜和加工工件后，经检偏镜由高速摄像机采集。本发明采用可调整角度的反射镜，使得光路系统的排布无需沿着立式铣床主轴方向依次排布，实现高速切削状态下对材料内部应力波传播进行观察。

技术领域

本发明涉及机械工程中的高速加工，具体为一种立式铣床中切削应力波的可视化实验装置及方法。

背景技术

提高切削加工效率的途径主要包括优化切削工艺设计和提高切削的速度两个方面。对于切削工艺优化目前已有较多的成果，但其进一步提升加工效率的空间已较小。因此提高切削速度，实现高速切削就成为目前提升加工效率研究的一个重点。此外，在采用高速切削技术时，切削力较小，切屑能够带走大量的切削热，刀具和已加工面的热-力学条件缓和，刀具寿命和工件表面质量得以显著提高。

尽管高速切削技术已得到了一定程度的实际应用，但目前对其切除成屑机理的认识仍停留在基于静态力学的经验结论阶段，这无疑会严重阻碍高速切削技术的进一步发展和应用。传统的剪切滑移理论基于静力学分析方法，在低速切削加工分析中得到了广泛和有效的应用，但其是建立在材料性质恒定和静态分析的基础上的，这就使得当切削速度大幅提高后，无法有效解释切削过程中所产生的特殊现象：如切削力减小，切屑锯齿化等。

事实上，随着切削速度的提高，材料的局部区域应变率往往能够达到10⁶/s，在这种状态下由于材料所具有的应变率效应，材料的屈服极限等属性会产生较大的变化；此外，切削速度的提高使得刀-屑作用区域的发展速率大大加快，材料微元惯性效应更加显著，在此状态下材料的变形同静力状态下有很大区别。因此需要采用动力学理论，考虑高速切削的应力波效应以对其机理进行分析研究。

目前，测量材料内应力波传播的方法有主要分为电阻应变法和动态光弹性法。前者通过在目标位置放置应变片，并使用动态应变仪来测量并记录目标点的应力变化情况，进而推导整个目标区域内应力波的传播，此测量方法实现起来较为复杂，且无法直观得到整个区域内的应力波传播状态；而后者则利用特定材料的人工双折射效应，通过投射式偏振光光学系统，将材料的应力状态转化为光学干涉条纹进行采集，用于应力波问题研究。

在实际研究及实验中，由于立式铣床主轴结构同加工工件切削位置布置于同一竖直线内，就使得入射光线只能从加工工件下方进入，又由于主轴Z方向行程的限制，光源难以在工件正下方布置，从而严重限制了光学系统结构同轴排布的要求，使得目前的设备难以用于立式铣床铣削过程中的应力波传播过程的观测和可视化。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种立式铣床中切削应力波的可视化实验装置及方法，结构简单，设计合理，操作方便，能够有效解决了光弹性干涉条纹采集时光学系统的排布问题。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种立式铣床中切削应力波的可视化实验装置，包括光学系统、装夹系统和铣削系统；

所述光学系统包括反射镜，水平设置的光源，以及沿竖直方向依次从下往上同轴设置的磨砂玻璃、起偏镜、检偏镜和高速摄像机；检偏镜设置在高速摄像机镜头前端；

所述铣削系统包括加工工件和立式铣床；加工工件采用具有人工双折射特性的透明光弹性材料制成；立式铣床主轴与加工工件垂直，且沿加工工件平面方向进给；

所述装夹系统包括装夹体；加工工件固定在装夹体上端，磨砂玻璃和起偏镜设置在装夹体上；