利用力敏粒子测量高速切削变形区应变性能的装置及方法与流程

本发明涉及变形测试技术领域，特别是涉及一种利用力敏粒子测量高速切削变形区应变性能的装置及方法。

背景技术：

高速切削是先进制造领域的关键技术，切削速度提高使材料去除机理发生了重要变化。切削过程中，工件切除层材料受刀刃和前刀面挤压作用产生剪切滑移导致切屑和已加工表面形成。材料切削变形时的塑性应变达2～10，应变率达10³～10⁶s^-1。研究高速切削过程材料的实时变形和失效行为，对提高高速切削加工表面质量、加工精度和加工效率有重要意义。

在低应变率范围内，材料的动态实时变形可以利用力学试验机结合数码相机进行捕获。而对于高速切削过程，材料变形速率高、变形区域小导致难以工件材料实时变形测量难度大，急需设计一种合理有效的测试方法和装置，捕获高速切削工件材料的动态变形过程。

综上所述，现有技术中对于高速切削中变形的测试问题，尚缺乏有效的解决方案。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种利用力敏粒子测量高速切削变形区应变性能的装置，在工件表面涂覆力敏粒子膜，通过采集工件材料变形过程中力敏粒子膜辉度的变化，利用高灵敏度光电转换器件，将光信号(即力敏粒子膜辉度)转换成电信号，实时表征材料的动态变形过程。本发明可以实现非接触状态下材料实时变形全场测量，且测量精度高，测量方式简单可靠，适用于高速切削材料动态变形的测量和分析。

进一步的，本发明采用下述技术方案：

一种利用力敏粒子测量高速切削变形区应变性能的装置，包括设置于支座上的高速摄像机，高速摄像机正对于工件侧面材料去除层，以采集工件切削区域的图像；

发光胶体，涂覆于工件侧面以及工件上表面；

光电转换系统，光电转换系统正对于工件侧面材料去除层或者正对于工件上表面，采集工件的光信号并转换为电信号；

紫外线灯，紫外线灯倾斜设定角度设置于工件上表面。

本发明的装置设置高速摄像机，可以采集工件切削区域的图像，紫外线灯照射在涂覆发光胶体的工件上，光电转换系统可以采集工件的光线强度，通过切削图像和光线强度的对比，可以得到工件在切削中变形的应变和应变率场等数据，可以实现高速切削过程中材料变形行为的非接触式测量和实时测量。

进一步的，所述发光胶体由力敏粒子和环氧树脂以设定比例混合而成。力敏粒子为在应力、摩擦、断裂、超声波振荡等影响下发出可见光线的特殊粒子，在切削过程中工件表面会发光，进而保证光电转换系统可以采集到工件在切削过程中的光线强度变化。

更进一步的，所述力敏粒子和环氧树脂的比例为1:1。

进一步的，所述光电转换系统包括采集系统，其采集发光胶体的光信号，并由发射系统传输至放大系统将光信号放大，放大后的光信号由收集系统收集并传输给电子光学系统，电子光学系统将光信号转换成电信号输出。

更进一步的，所述放大系统由多个电子反射体组成。

更进一步的，所述电子光学系统由聚焦电极和偏转电极组成。

进一步的，所述紫外线灯与工件上表面的夹角呈45°。保证在切削过程中紫外线灯也能照射到工件上表面。

进一步的，所述高速摄像机和光电转换系统均与控制系统连接。

更进一步的，所述高速摄像机与工件的间距为200～400mm，所述光电转换系统与工件的间距为10～30mm，所述紫外线灯与工件的间距为20～40mm。在这个间距范围内设置高速摄像机、光电转换系统、紫外线灯的位置，可以更好的保证其满足工作需求。

一种利用力敏粒子测量高速切削变形区应变性能的装置的测量方法，包括以下步骤：

1：制备发光胶体，并将发光胶体涂覆于工件侧面以及上表面；

2：将高速摄像机和光电转换系统布置于正对着工件侧面材料去除层的位置处，紫外线灯的光线对着工件上表面；

3：开启紫外线灯，对工件进行高速直角切削，高速摄像机采集工件切削的图像，光电转换系统采集工件表面的光信号并转换为电信号；

4：通过切削的图像得出工件在切削过程中的变形情况，通过工件表面的光信号得到工件在切削过程中的光强变化，进而得到工件侧面的应变和应变率；

5：将光电转换系统移动布置于正对工件上表面，重复步骤3，通过切削的图像得出工件在切削过程中的变形情况，通过工件表面的光信号得到工件在切削过程中的光强变化，进而得到工件上表面的应变和应变率。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明可以实现高速切削过程中材料变形行为的非接触式测量和实时测量：通过工件材料表面涂覆的力敏粒子，无需对工件或刀具表面粘贴应变片或连接测力仪等复杂操作，实现对切屑形成过程材料变形行为的图像及材料流动应力数据的实时采集和处理。

(2)本发明适用性强，可以适用于多种加工方式下材料变形行为的实时测量和非接触式测量。包括但不限于车削加工、铣削加工、刨削加工等加工方式。可以实现超高速加工过程中的材料变形行为测量。

(3)本发明可以实现对工件切削过程中多维度的观测和数据捕获。通过更改光电转换系统的位置，可以从多视角分析切屑形成机理。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为将力敏粒子胶体涂覆在工件材料表面后的切削示意图；

图2为测量材料高速切削过程刀屑接触区应变情况的装置布置示意图；

图3为测量材料高速切削过程工件自由表面应变情况的装置布置示意图；

图中，1、工件；2、切屑；3、刀具；4、紫外线灯；5、高速摄像机；6、光电转换系统；7、支座；①工件侧面，②工件上表面。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在高速切削中变形的测试问题，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种利用力敏粒子测量高速切削变形区应变性能的装置。

本申请的一种典型的实施方式中，如图2所示，提供了一种利用力敏粒子测量高速切削变形区应变性能的装置，是针对捕获高速直角切削过程金属材料实时变形及失效行为的装置。

该装置包括设置于支座7上的高速摄像机5，高速摄像机5正对于工件1侧面材料去除层，以采集工件切削区域的图像；

发光胶体，涂覆于工件1侧面以及工件1上表面；

光电转换系统6，光电转换系统6正对于工件1侧面材料去除层或者正对于工件1上表面，采集工件1的光信号并转换为电信号；

紫外线灯4，紫外线灯4倾斜设定角度设置于工件1上表面。

工件1被安装于高速加工机床，与紫外线灯4、高速数字摄像机5、光电转换系统6构成测量系统。高速数字摄像机5与光电转换系统6安装在支座7，高速摄像机5与光电转换系统6正对工件，高速摄像机5与工件1的间距为200～400mm，光电转换系统6与工件1的间距为10～30mm，紫外线灯4与工件1的间距为20～40mm。

具体的，可以设置为：光电转换系统6与工件的距离为20mm，高速摄像机5镜头与工件的距离为300mm；紫外线灯4安装在工件前上方，与光电转换系统6呈45°安装，紫外线灯与工件上表面的夹角呈45°，光线正对工件材料去除层一侧，距离工件30mm。

发光胶体由力敏粒子和环氧树脂以设定比例混合而成。力敏粒子和环氧树脂的比例可以选择为1:1。如图1所示，利用研钵将力敏粒子研磨成细粉，按照1：1比例将其与环氧树脂混合搅拌，制备出发光胶体，通过丝网印刷技术将所述胶体均匀涂覆在工件1材料的工件侧面①和工件上表面②并烘干。发光胶体的厚度控制在1μm内。

力敏粒子的分子式为sral2o4:(eu²⁺,dy³⁺)，在应力、摩擦、断裂、超声波振荡等影响下发出可见光线的特殊粒子。力敏粒子涂覆在工件材料表面，采集工件材料变形过程中力敏粒子膜辉度的变化，通过高灵敏度的光电转换器件，将光信号转换成电信号，进一步数据处理实时表征材料的动态变形过程。

光电转换系统6主要由采集窗、发射系统、放大系统、收集系统、电子光学系统组成。通过所述设备，将光信号放大并转换成电信号输出。采集系统采集发光胶体的光信号，并由发射系统传输至放大系统将光信号放大，放大后的光信号由收集系统收集并传输给电子光学系统，电子光学系统将光信号转换成电信号输出。

放大系统由多个电子反射体组成，反射体构成一个综合的倍增系统。

收集系统位于放大系统附近，对放大后的电子流进行收集。

电子光学系统由聚焦电极和偏转电极组成，用以对入射光进行聚焦处理，提升转换效率。

高速摄像机5和光电转换系统6均与控制系统连接。

高速摄像机5与光电转换系统6连接计算机进行图像和图形曲线实时输出。

紫外线灯4的紫外线波峰为365nm，功率550w。

为从多视角分析切屑形成过程，如图3所示，可以将光电转换系统6正对切屑背面，可以实时得到切屑背面的应变及应变率场分布。

采用本发明的装置进行测量操作时，依次打开高速摄像机5、紫外线灯4、光电转换系统6，随之在机床上进行高速切削操作，高速数字摄像机采集切削过程中工件、切屑以及刀具和切屑接触面的变形情况，通过对比不同位置的光线强度，即可得到工件变形的应变和应变率场。光电转换系统6采集切削过程中的光强变化，并转换成电信号输出到计算机中，经过处理后即可得到工件的应变和应变率等数据。

本申请的另一种典型的实施方式中，提供了一种利用力敏粒子测量高速切削变形区应变性能的装置的测量方法，具体步骤如下：

将力敏粒子研磨成细粉，制备发光胶体，并将发光胶体涂覆于工件侧面以及上表面，并烘干；

搭建测试装置主体，即搭建光电转换系统和高速摄像机，保证光电转换系统和高速摄像机平行并正对于工件材料去除层，光电转换系统与工件的距离为20mm。高速摄像机镜头与工件的距离为300mm。紫外线灯安装于机床内，光线正对工件材料去除层并距离工件30mm。保证高速摄像机和光电转换系统布置于正对着工件侧面材料去除层的位置处，紫外线灯的光线对着工件上表面；

开启紫外线灯，对工件进行高速直角切削，高速摄像机采集工件切削的图像，光电转换系统采集工件表面的光信号并转换为电信号；通过光电转换系统采集实时光强变化信号，通过高速摄像机采集实时切除状态；拍摄过程中高速数字摄像机的帧率为10000～80000fps，以保证捕获完整的刀屑接触区应变及应变率场。

通过切削的图像得出工件在切削过程中的变形情况，通过工件表面的光信号得到工件在切削过程中的光强变化，进而得到工件切削变形区域的应变和应变率场；

为从多视角分析切屑形成过程，将光电转换系统移动布置于正对工件上表面，即正对工件切屑背面，距离工件距离30mm，其他装置位置不变。重复上述步骤，通过切削的图像得出工件在切削过程中的变形情况，通过工件表面的光信号得到工件在切削过程中的光强变化，进而得到工件上表面的应变和应变率场。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本申请的技术方案。

参照图1，利用高速车床对涂覆力敏粒子的钛合金ti-6al-4v进行高速切削变形区域的应变/应变率实时测量。首先将工件的两个表面涂覆力敏粒子，将工件按照图1所示装夹于高速车床。参照图2，搭建测试装置，将高速摄像机、光电转换系统安装于支座系统，将紫外线灯安装在高速车床内。固定好三者和工件之间的距离。观察高速摄像机图像，保证工件-刀具接触区位于摄像机图幅范围内。

测量装置安装完成后，进行高速干切削加工。首先依次打开高速摄像机、紫外线灯、光电转换系统，随后开启车床进行切削。切削过程中观察工件和刀具接触区保证其在高速数字摄像机拍摄范围内。

参照图3，将光电转换系统安装于机床内部，正对工件自由表面，距离工件距离30mm，其他装置位置不变。依次打开高速摄像机、紫外线灯、光电转换系统，随后开启车床进行切削。切削过程中观察工件和刀具接触区保证其在高速数字摄像机拍摄范围内。

图像和光强数据采集完毕后，将输出到计算机中的数据进行进一步处理。以切削前的光强图像为样本，以光强图像为目标，对比处理高速摄像机采集的切削过程图像。通过对比样本图像和目标图像中对应区域的不同光线强度，即可确定工件的变形量。光电转换系统将光强变化的电信号输出到计算机中，经过处理后即可得到工件变形区域的应变和应变率等数据。

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