基于分离式霍普金森压杆系统的高速切削实验装置的制作方法

本发明涉及一种高速切削实验装置，特别是涉及一种基于分离式霍普金森压杆系统的高速切削实验装置。

背景技术：

高速切削技术是当今先进制造技术领域的关键性技术，高速切削具有切削效率高、切削力小、加工精度高、工件表面质量好以及可以实现各种难切削材料加工的特点。近年来在航空航天、汽车、磨具等制造业方面应用日益广泛，也取得巨大的经济效益。而对材料高速切削性能和高速切削机理的研究，必须依靠金属高速切削实验来实现

传统高速切削实验需要高转速的切削机床和复杂的测试仪器，具有成本昂贵、操作复杂的特点，而这些特点在很大程度上限制了高速切削技术的研究和发展。分离式霍普金森压杆实验装置是测量材料动态力学性能的基本实验装置。随着近年来对霍普金森压杆的改装和完善，越来越多的学者开始以成本低廉、操作简单的霍普金森压杆装置来替代高速机床进行高速切削实验。

文献“申请公布号是cn105699124a的中国发明专利”公开了一种实现高速切削的实验装置。该装置由分离式霍普金森压杆系统、加工件和套筒组成。加工件设在霍普金森压杆透射杆的朝向入射杆的一端，套筒设在霍普金森压杆入射杆的朝向加工件的一端。由驱动件驱动入射杆带动套筒上切削刃的切削设在透射杆一端的加工件，从而实现高速切削的目的。然而该实验装置套筒和加工件一固定，整个实验过程的切削深度随即确定，在实验过程中不能改变加工件的切削深度，并且整个加工件固定在透射杆上，更换加工件比较繁琐。

技术实现要素：

为了克服现有高速切削实验装置使用不便的不足，本发明提供一种基于分离式霍普金森压杆系统的高速切削实验装置。该实验装置由分离式霍普金森压杆系统、刀具及夹持装置、试件夹持装置和加工试件组成。所述分离式霍普压杆系统包括撞击杆、入射杆和透射杆，其沿同一轴线依次排列并能够沿轴线方向运动；所述刀具及夹持装置由切削刀具、夹具体和刀具调节机构组成，所述夹具体安装在入射杆上朝向透射杆的一端。所述切削刀具对称安装在夹具体上，刀具切削刃间留有朝向透射杆方向的空腔，所述刀具调节机构可以调节刀具前后移动的距离从而改变加工试件切削深度；所述试件夹持装置安装在透射杆上朝向刀具及夹持装置的一端；所述加工试件安装在试件夹持装置的凹槽上，并且朝向刀具及夹持装置，加工试件的位置与所述刀具切削刃形成空腔位置对应。所述撞击杆驱动入射杆产生应力脉冲并驱动切削刀具高速切削加工试件。该装置在实验过程中可以调节加工试件的切削深度，并且将加工试件和试件夹持装置分开，方便加工试件的安装和更换。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于分离式霍普金森压杆系统的高速切削实验装置，包括由入射杆11和透射杆12组成的分离式霍普金森压杆系统10，入射杆11和透射杆12同一轴线排列，其特点是还包括刀具及夹持装置20、试件夹持装置40和加工试件50。

所述刀具及夹持装置20由夹具体21、切削刀具22和刀具调节机构组成，所述夹具体21安装在入射杆11上朝向透射杆12的一端。所述切削刀具22为两把规格相同的标准车刀，两把切削刀具22对称安装在夹具体21上，两刀具切削刃29间留有朝向透射杆12方向的空腔30。切削刀具22后端装有刀具调节机构，所述刀具调节机构包括一个楔形块26和一组螺旋副，其中螺旋副中螺杆25的光杆端用卡销固定在夹具体21上限制夹具体21前后移动，螺杆25的螺纹端与楔形块26的螺纹孔相配合，通过调节螺杆25带动楔形块26上下移动，进一步带动切削刀具22移动，从而调节加工试件50的切削深度。切削刀具22后端装有游标尺主尺27和游标尺副尺28，所述游标尺主尺27固定在夹具体21上，所述游标尺副尺28固定在楔形块26上，通过游标尺主尺27和游标尺副尺28的读数和楔形块26的斜率，得到切削刀具22向前移动距离即加工试件50的切削深度。切削刀具22刀杆处加工有两环形槽23，夹具体21对应位置设有螺纹孔，在切削刀具22调整到实验所需位置后，利用两组第一螺钉24将两把切削刀具22固紧在夹具体21上。

所述试件夹持装置40安装在透射杆12上朝向刀具及夹持装置20的一端，试件夹持装置40中心设有安装加工试件50的凹槽43，凹槽43的位置与所述刀具切削刃29形成空腔30位置对应。凹槽43两相邻侧面装有第二螺钉41，用于夹紧加工试件50。夹具体21和试件夹持装置40对应位置设有一销孔，用于安装定位销44，定位销44用于限制夹具体21和试件夹持装置40的相对转动。夹具体21套在入射杆11上，试件夹持装置40套在透射杆12上，分别通过第三螺钉42与入射杆11和透射杆12相连。

所述加工试件50安装在试件夹持装置40的凹槽43上，并且朝向试件及夹持装置20，加工试件50的位置与所述刀具切削刃29形成空腔30的位置相对应。所述加工试件50形状为长方体，长方体长边中间位置留有排屑槽51，加工试件50的切削端留有倒角52，用于引导切削过程。

本发明的有益效果是：该实验装置由分离式霍普金森压杆系统、刀具及夹持装置、试件夹持装置和加工试件组成。所述分离式霍普压杆系统包括撞击杆、入射杆和透射杆，其沿同一轴线依次排列并能够沿轴线方向运动；所述刀具及夹持装置由切削刀具、夹具体和刀具调节机构组成，所述夹具体安装在入射杆上朝向透射杆的一端。所述切削刀具对称安装在夹具体上，刀具切削刃间留有朝向透射杆方向的空腔，所述刀具调节机构可以调节刀具前后移动的距离从而改变加工试件切削深度；所述试件夹持装置安装在透射杆上朝向刀具及夹持装置的一端；所述加工试件安装在试件夹持装置的凹槽上，并且朝向刀具及夹持装置，加工试件的位置与所述刀具切削刃形成空腔位置对应。所述撞击杆驱动入射杆产生应力脉冲并驱动切削刀具高速切削加工试件。该装置在实验过程中可以调节加工试件的切削深度，并且将加工试件和试件夹持装置分开，方便加工试件的安装和更换。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

附图说明

图1是本发明基于分离式霍普金森压杆系统的高速切削实验装置的结构示意图；

图2是图1中刀具及夹持装置的结构示意图；

图3是图2中a部的放大图；

图4是图1中试件夹持装置的结构示意图；

图5是图1中加工试件示意图。

图中，10-分离式霍普金森压杆系统；11-入射杆；12-透射杆；20-刀具及夹持装置；21-夹具体；22-切削刀具；23-环形槽；24-第一螺钉；25-螺杆；26-楔形块；27-游标尺主尺；28-游标尺副尺；29-刀具切削刃；30-空腔；40-试件夹持装置；41-第二螺钉；42-第三螺钉；43-凹槽；44-定位销；50-加工试件；51-排屑槽；52-倒角。

具体实施方式

以下实施例参照图1～4。

本发明基于分离式霍普金森压杆系统的高速切削实验装置由分离式霍普金森压杆系统10、刀具及夹持装置20、试件夹持装置40和加工试件50组成。

分离式霍普压杆系统10包括撞击杆、入射杆11，透射杆12，撞击杆、入射杆11、透射杆12同一轴线依次排列，所述撞击杆在其发射装置的驱动下高速撞击入射杆11，使入射杆11产生应力脉冲并快速向透射杆12方向运动。

刀具及夹持装置20由夹具体21、切削刀具22和刀具调节机构组成，所述夹具体21安装在入射杆11上朝向透射杆12的一端。所述切削刀具22为两把规格相同的标准车刀，两把切削刀具22对称安装在夹具体21上，两刀具切削刃29间留有朝向透射杆12方向的空腔30。切削刀具22后端装有刀具调节机构包括一个楔形块26和一组螺旋副，其中螺旋副中螺杆25光杆的一端用卡销固定在夹具体21上限制其前后移动，有螺纹的一端与楔形块26的螺纹孔相配合，通过调节螺杆即可带动楔形块26上下移动，进一步带动切削刀具22向前移动，从而调节加工试件50的切削深度。切削刀具22后端装有一组游标尺，其中游标尺主尺27固定在夹具体21上，游标尺副尺28固定在楔形块26上，通过游标尺读数和楔形块26的斜率，即可得到切削刀具22向前移动距离即加工试件50的切削深度。此外，切削刀具22刀杆处加工有两环形槽23，夹具体21对应位置设有螺纹孔，在切削刀具22调整到实验位置后，利用四个第一螺钉24将两把切削刀具22固紧在夹具体21上。

试件夹持装置40安装在透射杆12上朝向刀具及夹持装置20的一端，试件夹持装置40中心设有安装加工试件50的凹槽43，凹槽43的位置与所述刀具切削刃29形成空腔30位置对应。凹槽43两相邻侧面装有第二螺钉41，用于对加工试件50的夹紧。夹具体21和试件夹持装置40对应位置设有一销孔，用于安装定位销44，定位销44用于限制夹具体21和试件夹持装置40的相对转动。此外夹具体21与试件夹持装置40分别套在所述入射杆11和透射杆12的两端，且通过第三螺钉42与入射杆11和透射杆12相连。

加工试件50安装在试件夹持装置40的凹槽43上，并且朝向试件及夹持装置20，加工试件50的位置与所述刀具切削刃29形成空腔30的位置相对应。所述加工试件50形状为长方体，中间留有排屑槽51便于排屑，切削端倒角52用于引导切削过程。

应用实施例：

本实施例选用的切削刀具22型号为stfcr/l,刀具前角0度、刃倾角0度、主偏角90度，可以实现加工试件50的正交切削。选用楔形块26的斜度为1:5，游标尺的分度值为0.05mm，因此切削刀具22移动的精度可以达到0.01mm。加工试件50宽度l为40mm。

首先将刀具及夹持装置20与试件夹持装置40分别安装在入射杆11和透射杆12的一端，对准后插入定位销44，确保试件夹持装置40中凹槽43的位置与刀具切削刃29形成的空腔30的位置相对应，然后用两组第三螺钉42将其固定在压杆上。

然后将加工试件50安装在试件夹持装置40的凹槽43上并且用两个第二螺钉41夹紧，则加工试件50与刀具切削刃29形成空腔30位置相对应。

调节刀具调节机构，使两端楔形块26向前移动距离为5mm，则两把切削刀具22向前移动距离为1mm，然后用两组第一螺钉24将两把切削刀具22固紧，则此时加工试件50两边的切削深度均为1mm。

最后通过撞击杆发射装置驱动撞击杆高速撞击入射杆11，入射杆11产生应力脉冲并驱动切削刀具22切削加工试件50，实现了切削刀具22对加工试件50高速切削的目的。

该实验装置可以通过调节撞击杆发射装置的能量，控制切削刀具22切削加工试件50的速度，通过高速摄像机采集切削时切削速度，通过应变片采集透射杆12上的应力波信号，分析可得到切削过程中的切削力，便于高速切削的切削机理。

另外，通过调节刀具调节机构，可改变切削时的切削深度；通过选取不同切削刀具22的刀片，可以探究不同刀片材料及刀具角度下工件的加工机理；通过更换加工试件50材料及尺寸，可以研究不同材料及不同切削参数下材料的切削性能。