一种定位装置及加工系统的制作方法

本发明涉及机械加工领域，具体而言，涉及一种定位装置及加工系统。

背景技术：

在铝合金、钢铁、钛合金等金属材料实际应用过程中，为了满足材料特性和安全应用的要求，需要对材料抵抗裂纹扩展断裂的韧性性能进行测试和评估，以便表征材料阻止裂纹扩展的能力，从而来度量材料韧性的好坏。

在对金属材料进行断裂韧性测试过程中，需要满足材料裂纹尖端具有足够高的应力集中效应。因此，在进行测试之前，首先需要通过机加工方法对样品进行开槽(制备出裂纹的主体部分)，随后还要通过疲劳机在开槽基础上预制出尖锐的疲劳裂纹，来满足断裂韧性试验测试的需要。

根据国标gb/t1-7和美标astme-2要求，断裂韧性开槽缺口有三种形式，分别是直通形缺口、包迹形缺口、山形缺口。对于前两种开槽缺口(直通形缺口、包迹形缺口)可以直接采用传统线切割设备进行加工。第三种开槽缺口——带有角度要求的山形缺口(缺口根部与试样上下表面成90度或120度两种缺口角度形式)，采用传统的线切割加工方案无法对开槽缺口进行制备，致使很多从业者采用在铣床上完成对山形缺口的制备。

但由于使用铣床制备时加工刀具形态及精度受限，一方面增加了加工成本，另一方面山形缺口的开槽精度很难得到保证，甚至对于一些开槽尺寸较小的工件无法采用铣床进行加工。此外，开槽缺口精度对后续预制的疲劳裂纹精度至关重要，直接影响到断裂韧性的最终检测结果，因此采用上述方法处理的材料，在检验、判定材料实际抵抗裂纹扩展断裂的韧性性能失去了可靠性。

以上是山形缺口断裂韧性试样制备过程中普遍存在的问题，因此有必要对山形缺口断裂韧性工件的制备方式进行改进和完善。

技术实现要素：

在本发明的第一方面，提供了一种定位装置，有效实现山形缺口样品的准确定位，保证了加工精度，以便准确表征材料阻止裂纹扩展的能力，为金属材料产品的应用和安全评估提供了可靠保障。

在本发明的第二方面，提供了一种加工系统，可实现采用传统线切割加工设备对山形缺口工件进行精确制备和变角度加工，确保断裂韧性检测结果的准确性和可靠性。

本发明是这样实现的：

一种定位装置，用于对山形缺口样品进行定位，以便对山形缺口进行加工。

定位装置包括：

基座，基座具有第一连接部和第二连接部，第一连接部具有连接面，连接面被构造成与加工山形缺口样品的加工设备连接，第二连接部具有倾斜面；

工件架，工件架连接至倾斜面，工件架具有相对的第一壁和第二壁，第一壁和第二壁限定容纳山形缺口样品的限位空间，限位空间背离倾斜面；

限定件，限定件包括定位件和夹紧件，定位件分别连接至第一壁和第二壁、并封闭限位空间的部分，夹紧件连接至第二壁、且可相对第一壁运动，夹紧件、定位件以及第一壁共同限定工件夹持空间。

在较佳的一些示例中，基座具有与加工设备接触的连接面，倾斜面相对连接面呈45°或60°倾斜。

在较佳的一些示例中，夹紧件具有相互匹配的接触部和设置有螺纹的连接部，连接部螺纹连接于第二壁，接触部连接至连接部的端部，工件夹持空间由接触部、定位件以及第一壁共同限定。

在较佳的一些示例中，接触部具有与山形缺口样品接触的接触面，接触面的面积大于连接部的面积。

在较佳的一些示例中，接触部以连接部的轴向为转动中心线可转动地连接至连接部。

在较佳的一些示例中，夹紧件还包括柱形件，接触部通过柱形件连接至连接部，使接触部可沿柱形件的轴向自由回转运动。

在较佳的一些示例中，定位件通过至少两个连接件连接至工件架，且至少两个连接件被构造成分别独立地被调节以改变定位件与工件架之间的相对位置。

在较佳的一些示例中，工件架设置有多个工作轨迹槽，工作轨迹槽被构造成加工设备加工山形缺口样品的运动路径。

在较佳的一些示例中，工件架具有位于限位空间内的第二清根槽，第二清根槽被构造成当山形缺口试样被限定于工件夹持空间时，山形缺口试样的根部可自由活动地被布置在第二清根槽内。基座设置有第一清根槽，第一清根槽被构造成当工件架被连接至加工设备时，加工设备的突出部可自由活动地被布置在第一清根槽内。

一种加工系统，包括加工设备、如前述的定位装置。

上述方案的有益效果：

本发明实施例提供的定位装置及加工系统，尤其涉及山形缺口制备过程中的精确对中和准确定位，克服了以往用传统线切割设备无法加工带有角度的山形缺口的缺陷，在保证加工精度和几何尺寸的基础上，实现了山形缺口断裂韧性样品的制备，能够有效确保断裂韧性样品检测结果的准确性，属于断裂韧性样品制备及方法技术领域。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的定位装置的结构示意图；

图2示出了图1中的基座的第一视角的结构示意图；

图3示出了图1中的基座的第二视角的结构示意图；

图4示出了图3中的ⅳ部的局部放大图；

图5为图1的工件架的第一视角的结构示意图；

图6为图1的工件架的第二视角的结构示意图；

图7示出了图6中的ⅶ部的局部放大图；

图8为图1的定位件的结构示意图；

图9为图1的夹紧件的结构示意图；

图10为图9中夹紧件端部的结构示意图；

图11为图9中夹紧件的压盘结构示意图。

图标：100-定位装置；200-基座；300-工件架；400-限定件；500-定位件；600-夹紧件；201-第一连接部；202-第二连接部；203-第一清根槽；204-倾斜面；205-定位槽；207-连接面；206-定位孔；301-定位键；302-第一壁；303-第二壁；304-工作轨迹槽；306-第二清根槽；501-调节孔；602-接触部；601-连接部；603-柱形件。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，在不矛盾或冲突的情况下，本发明的所有实施例、实施方式以及特征可以相互组合。在本发明中，常规的设备、装置、部件等，既可以商购，也可以根据本发明公开的内容自制。在本发明中，为了突出本发明的重点，对一些常规的操作和设备、装置、部件进行的省略，或仅作简单描述。

本发明提供的定位装置100及加工系统，属于断裂韧性样品加工设备，可用于对山形缺口样品进行加工。在实际应用中，所述的定位装置100和加工系统可对具有90°、120°两种角度规格的山形缺口的断裂韧性样品均适用。

加工系统包括加工设备和定位装置100。其中，加工设备是指用于加工山形缺口试样的设备。定位装置100连接至加工设备，作为一种可选的示例，加工设备为线切割设备，相应地，定位设备连接于线切割设备的x轴工作台。线切割设备通过电极丝(钼丝或钨丝)进行切割，电极丝连接在上线架和下线架。

其中，x轴工作台、电极丝、上线架和下线架可以采用发明人已知的设备，发明对其作具体的阐述。

本实施例提供的定位装置100可用于山形缺口进行加工的过程中，对山形缺口样品进行准确的定位。

如图1所示，定位装置100包括基座200、工件架300以及限定件400。

基座200用于连接在前述加工设备，更具体而言，基座200是连接至工作台的。基座200连接至工作台，并对工件架300提供支撑力，并且可以对工件架300的姿态进行限定。

如图2和图3所示，基座200具有第一连接部201和第二连接部202。第一连接部201和第二连接部202大致位于基座200的两侧。其中，第一连接部201具有连接面207。连接面207用于与加工山形缺口样品的加工设备(工作台)连接，更具体而言，连接面207与工作台的压板进行固定；第二连接部202具有倾斜面204。倾斜面204的倾斜角度如图1所示为60度，在其他一些实例中，倾斜角度还可以为45度，或者，还可根据需要设计具有不同倾斜角度的倾斜面204。所述的倾斜角度是指倾斜面204相对于连接面207的角度。由于倾斜面204具有不同的角度，因此，基座200可设置多套，例如两套，且倾斜面204角度分别为45度和60度。

如图2、图3和图4所示，进一步地，基座200的底端(连接面207的端部)设计有第一清根槽203，用于确保基座200与工作台根部不发生干涉，可以与机床x轴工作台进行平行固定、调平定位。第一清根槽203的设置，使得工件架300被连接至加工设备时，工作台(加工设备)的突出部可自由活动地被布置在第一清根槽203内，用于确保基座200与线切割工作台的吻合度和匹配度，来保证加工的角度。

更进一步地，基座200还设置有定位槽205，定位槽205位于倾斜面204。定位槽205用于与工件架300(通用工件框架)进行装配。一种可选的示例，工件架300通过两个对称的固定螺栓、定位孔206进行紧固，固定螺栓连接至定位槽205内。

如图5和图6所示，工件架300用于容纳工件(山形缺口试样)，并且与限定件400共同配合以可控地限定工件，使工件具有期望的姿态。工件架300(通用工件框架)安装于基座200。

工件架300连接至倾斜面204。基于连接的便利性和牢固性、稳定性，工件架300带有与定位槽205匹配的定位键301，且设置通孔，再用螺栓固定，以使两种倾斜角度的基座200的定位槽205与定位键301分别进行装配，来实现90度、120度两种山形缺口的加工能力。

工件架300背离倾斜面204的侧面具有相对的第一壁302和第二壁303。第一壁302和第二壁303凸出于所述的侧面，并限定容纳山形缺口样品的限位空间。换言之，限位空间背离倾斜面204。

进一步地，工件架300设置有工作轨迹槽304，且工作轨迹槽304位于工件架300的底端，更具体而言，工作轨迹槽304位于工件架300邻近第一壁302的区域，工作轨迹槽304被构造成加工设备加工山形缺口样品的运动路径。具体而言，工作轨迹槽304用于承接电极丝(钼丝或钨丝)，并且在加工作业过程中，电极丝与制备山形缺口的工作轨迹不干涉。本实施例中，工作架共有三个工作轨迹槽304，用于满足不同外形规格工件的山形缺口加工。当然，工作轨迹槽304的数量也可以有其他数量个，如1个、2个、4个等。进一步地，通用工件框架上的工作轨迹槽304，外形几何尺寸要大于断裂韧性样品山形缺口的实际尺寸，留出余量便于对工件山形缺口的加工制备，工作轨迹槽304宽度选择0.2w(w为工件宽度)，大于山形缺口宽度0.1w。

进一步地，工件架300的顶端，即第二壁303设置有三个锁紧螺栓孔(图未示)。锁紧螺栓孔带有内螺纹，与前述的三个工作轨迹槽304一一对应，用于将工件(山形缺口试样)锁紧在工件架300(通用工件框架)上。限定件400通过三个锁紧螺栓孔来实现对不同规格尺寸工件的锁紧功能。

如图6和图7所示，更进一步地，工件架300的第一壁302(下挡板根部)设计有第二清根槽306，保证工件与工件架300装配时尖角部位不发生干涉，提高工件装配的吻合性，确保加工过程中山形缺口样品加工精度和可靠性。第二清根槽306被构造成当山形缺口试样被限定于工件夹持空间时，山形缺口试样的根部可自由活动地被布置在第二清根槽306内。

请再次参阅图1，限定件400可调节地连接至工件架300。通过调节限定件400，使其与基座200共同定位和夹紧工件(山形缺口试样)。

限定件400包括定位件500和夹紧件600。其中，定位件500具有依次连接的前段、中段以及后段。其中，定位件500连接至工件架300的侧边，并封闭限位空间的部分。具体地，前段、后段分别连接至第一壁302和第二壁303，中段连接至工件架300的第一壁302和第二壁303之间。夹紧件600连接至第二壁303、且可相对第一壁302运动。

夹紧件600、定位件500以及第一壁302共同限定工件夹持空间。进行工件加工时，工件被夹持在工件夹持空间内。

如图8所示，较佳地，定位件500通过至少两个连接件连接至工件架300，且至少两个连接件被构造成分别独立地被调节以改变定位件500与工件架300之间的相对位置。或者，连接件为三个。更具体而言，连接件为螺栓。三个螺栓等距离分布的调节螺栓，且穿过设置于定位件500的三个调节孔501，在对工件进行锁紧过程中，三个调节螺栓要交替进行锁紧，以实现进给力和进给行程均匀可靠。进一步地，定位模块等距离分布三个定位调节孔501，用于配合调节螺栓对定位模块进行调节和定位，调节螺栓用于调节定位模块，定位模块用于定位工件在工件框架中的位置。

如图1所示，定位件500安装于工件架300，定位模块可进行拆卸和动态调整。定位件500设置调节螺栓，以用来保证定位模块与通用工件框架的匹配度和垂直度。定位模块安装于通用工件框架。夹紧件600(锁紧装置)用于通过通用工件框架与工件配合，以使工件与通用工件框架准确定位锁紧。

在一些可选的示例中，定位件500(定位模块)的接触端根部(邻近第一壁302的部分)设计有第三清根槽(图未示)，以保证工件与通用工件框架(工件架300)装配时尖角部位不发生干涉，提高工件装配的吻合性，确保加工过程中山形缺口样品加工精度和可靠性。

如图9所示，作为一种示例，夹紧件600具有相互匹配的接触部602和设置有螺纹的连接部601，接触部602连接至连接部601的端部。连接部601螺纹连接于第二壁303。工件夹持空间由接触部602、定位件500以及第一壁302共同限定。

如图10和图11所示，较佳地，接触部602是压盘。接触部602具有与山形缺口样品接触的接触面，接触面的面积大于连接部601的面积。较大的接触面，可以提高夹持的稳定性，使工件不易移位。进一步地，接触部602以连接部601的轴向为转动中心线可转动地连接至连接部601。可转动的接触部602使其可以适应性地进行旋转调节，以更紧密地夹持工件。在本发明较佳的实例中，夹紧件600还包括柱形件603，接触部602通过柱形件603连接至连接部601，使接触部602可沿柱形件603的轴向自由回转运动。

换言之，接触部602(锁紧装置)包括锁紧螺栓及螺栓端部的压盘两部分，锁紧螺栓与压盘采用直径小于压盘连接孔直径的小螺栓进行连接，并且压盘可在锁紧螺栓顶端中空转，并能完成一定角度内的摆动，通过调整锁紧螺栓施加一定的力作用于压盘上，压盘压到工件表面，来实现对工件的锁紧。压盘可旋转和角度摆动的功能有效避免了因锁紧螺栓旋转导致的试样翘起，更有效的保证了工件加工的精度。

其他一些示例中，夹紧件600(锁紧装置)由锁紧螺栓及螺栓端部的压盘组成，可拆卸的压盘与锁紧螺栓进行装配，来实现将工件平稳地锁紧在所述工件架300(通用工件框架)上。

优选地，定位模块和压盘用于定位和锁紧工件，由于与工件长时间接触并受力，属于易损件，设计时采用了可拆卸结构，磨损后可进行更换。

压盘的特殊设计和作用，降低压盘和工件之间应力集中，将锁紧力从点接触分解成面接触，压盘并可灵活摆动，来通过压盘间接将力传输到试样上，有效解决了工件翘边问题，进而实现对工件的锁紧。

定位装置100的使用方法：

使用时，先将下好料的坯料利用线切割设备或铣床加工好断裂韧性样品的全部外形尺寸，然后根据需求或相关标准对断裂韧性样品山形缺口角度的要求选择对应的基座200(基座200有2套，基座200斜面角度分别为45度、60度)，此时通过基座200根部清根槽作用，可使基座200与线切割x轴工作台很好的调节和配合，然后通过线切割工作台压板将基座200固定在线切割工作台上，接下来将通用工件框架上的定位键301与对应基座200上的定位槽205进行装配，之后用对称分布的两个固定螺栓进行固定。

接下来将定位模块连接到通用工件框架，并与通用工件框架接触端靠紧，定位模块高出通用工件框架斜面(d2<d1)，以便更好地定位工件，然后将外形尺寸加工好的工件放入通用工件框架中，并根据工件外形尺寸规格选择合适的工作轨迹槽304，工件的位置确定后，利用调节螺栓调整定位模块从而对工件的位置进行定位，以便确定工件的合适位置，定位模块用于定位工件的表面要保证足够好的光洁度(粗糙度小于1.6um，是依据最严标准对断裂韧性样品表面粗糙度的要求设定)。

工件在通用工件框架中的位置选定后，通过旋转锁紧螺栓间接带动压盘向前移动，从而带动压盘逐渐靠近工件表面，当压盘一旦接触工件表面后压盘将不再转动，此时可继续通过锁紧螺栓在压盘内旋转来实现压盘对工件的锁紧，通过这种力的转变，既达到了锁紧的作用，又保护了工件，防止在锁紧过程中对工件的划伤，共计有3个等距离分布的锁紧螺栓，在对工件进行锁紧过程中，三个锁紧螺栓要交替进行锁紧，以实现进给力和进给行程均匀可靠，将工件锁紧完成后，调整好线切割设备工作电极丝(钼丝或钨丝)和线架位置，即可启动线切割设备对断裂韧性样品山形缺口进行加工，来完成山形缺口断裂韧性工件的制备工作。

一种山形缺口样品加工方法，它包含如下步骤：

先将工件经过线切割设备或铣床加工好外形尺寸，然后将工件放在通用工件框架中，通用工件框架一侧装配有定位模块，并通过调节螺栓来调整定位模块与通用工件框架的紧密程度，工件靠紧定位模块及工件框架的下挡板，并根据工件外形规格尺寸选择对应的工作轨迹槽304，确保工件加工的精度。

基于上述描述，本发明提供的定位装置100及加工系统具有以下优点：

(1)通过山形缺口样品加工装置及加工方法的开发使用，可以对各种金属材料断裂韧性样品的山形缺口进行准确定位和加工，完全解决了采用传统线切割无法制备带有角度的山形缺口开槽和采用铣床加工刀具受限、成本高、精度不可靠等问题。

(2)两套可变角度的基座200与线切割工作台固定位置均设计有清根槽，该清根槽用于保证基座200与线切割工作台进行固定时的重复定位精度，能够确保安装好以后试样与线切割工作台x方向的平行度，从而确保通用工件框架斜面角度精度，提高了批量生产中的重复定位精度，同时也为提高山形缺口的加工精度提供了保障。

(3)通用工件框架下挡板根部及与定位模块接触端根部均设计有清根槽，用于保证工件与通用工件框架装配时尖角部位不发生干涉，确保工件装配的定位精度，从而保证工件安装角度和山形缺口加工角度准确可靠。

(4)工件安装在通用工件框架上，定位模块将工件准确定位于工件框架内，锁紧装置通过压盘与工件配合，将工件锁紧于工件框架，基座200固定在线切割工作台上，由于该定位加工装置结构上的设计，实现了带有角度山形缺口的制备功能，同时能够保证山形缺口的加工精度，提高了断裂韧性样品成品合格率。

(5)通用工件框架底端面设计以线切割设备台面向下延伸50mm，从而使工件固定位置延伸到线切割工作台面以下，该设计应用后，在无需调高线切割线架高度和调长电极丝长度情况下即可对各种尺寸工件进行加工，进一步保证了加工过程中工件的质量和精度(电极丝越长，在电极丝与工件接触工作时越容易颤动，会导致精度及加工表面质量降低，下线架是固定的，上线架可根据工件或定位锁紧工装高度进行调整，来满足不同工件高度要求)。

(6)针对国标gb/t4161-2007和美标astme399-2012要求的两种断裂韧性山形缺口角度(90度和120度)，可通过更换两套不同角度的基座200(分别为45度和60度)来实现，通用工件框架与基座200采用键与槽的装配及固定，确保断裂韧性样品山形缺口角度精度(工件走完一面后，将工件翻过来对另外的面进行加工，两次加工可完成90度缺口和120度缺口的加工要求)。

(7)锁紧装置采用特殊设计，锁紧螺栓与压盘采用直径小于压盘连接孔直径的小螺栓进行连接，并且压盘可在锁紧螺栓顶端中空转，并能完成一定角度内的摆动通过调整锁紧螺栓施加一定的力作用于压盘上，压盘将力分解作用在试样表面，来实现对试样的锁紧，一方面有效避免了因锁紧螺栓旋转导致的试样翘起，同时压盘和工件采用面接触，可减少应力集中的影响，更有效的保证了试样加工的精度。同时定位模块和压盘均可进行拆卸，在该装置长期使用过程中导致磨损，可仅更换定位模块和压盘即可，提高了山形缺口样品加工装置使用寿命。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。