本實(shí)用新型涉及機(jī)械加工設(shè)備領(lǐng)域，具體涉及一種制備切屑根的裝置。

背景技術(shù)：

隨著現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展，難加工材料的應(yīng)用愈來愈多，加熱輔助切削技術(shù)能有效地解決難加工材料的切削加工，該技術(shù)現(xiàn)在發(fā)展成為特種切削加工中一個(gè)重要的發(fā)展方向，但是材料在高溫下的車削變形機(jī)理尚沒有進(jìn)行深入的研究，這些都要求我們更加深入地掌握高溫下切削過程的規(guī)律，并以此為基礎(chǔ)創(chuàng)造出先進(jìn)的切削技術(shù)，以適應(yīng)切削加工發(fā)展的新需要。但切削加工過程是一個(gè)復(fù)雜的非線性過程，且加工模型的可預(yù)測(cè)性較低，加工過程中會(huì)出現(xiàn)各種物理現(xiàn)象，如切削力、切削熱、刀具的磨損、積屑瘤以及切削振動(dòng)等，都還需要作進(jìn)一步的深入研究。這些物理現(xiàn)象都與切屑形成過程的規(guī)律密切相關(guān)，因此，研究切屑形成過程的有關(guān)規(guī)律就具有很強(qiáng)的理論意義，對(duì)解決生產(chǎn)實(shí)際問題也有指導(dǎo)作用。為研究切削過程中切屑的形成機(jī)理，就要分析刀具切削刃處刀-屑接觸區(qū)以及后刀面處的變形情況。最常用的方法是使用快速落刀裝置，使刀具以較大的加速度突然離開切削區(qū)，通過“凍結(jié)”在退刀瞬時(shí)的切削狀態(tài)以獲得切屑根部，再將根部和工件分離，制成切屑根部的金相試樣，以進(jìn)行后續(xù)的研究，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論分析，探討在該切削條件下金屬切削層的變形情況。

目前沒有出現(xiàn)一種在高溫下制備切屑根的裝置，以解決難加工材料，例如陶瓷、高溫合金、淬硬鋼、復(fù)合材料等在高溫下變形的機(jī)理分析。

鑒于上述缺陷，本實(shí)用新型創(chuàng)作者經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的研究和實(shí)踐終于獲得了本實(shí)用新型。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)缺陷，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案在于，提供一種制備切屑根的裝置，其包括數(shù)控車床工作臺(tái)、激光加熱單元和快速落刀單元，所述數(shù)控車床工作臺(tái)上設(shè)有用于安裝工件的固定件，所述激光加熱單元用于對(duì)所述工件進(jìn)行加熱；所述快速落刀單元安裝在所述數(shù)控車床工作臺(tái)；所述快速落刀單元上安裝有刀具，用于對(duì)所述工件進(jìn)行切削。

較佳的，所述激光加熱單元包括激光器、光纖和激光聚焦頭，所述光纖一端與所述激光器連接，另一端與所述激光聚焦頭連接。

較佳的，所述激光加熱單元還包括激光聚焦頭調(diào)整機(jī)構(gòu)，所述激光聚焦頭安裝在所述激光聚焦頭調(diào)整機(jī)構(gòu)上。

較佳的，所述快速落刀單元為爆炸式快速落刀單元，所述爆炸式快速落刀單元包括拉栓、撞針、射釘彈、撞擊塊、刀夾和鑄鐵銷；所述刀具安裝在所述刀夾上。

較佳的，上述制備切屑根的裝置還包括刀架，所述快速落刀單元安裝在所述刀架上。

較佳的，上述制備切屑根的裝置還包括機(jī)床導(dǎo)軌，所述刀架安裝在所述機(jī)床導(dǎo)軌上。

較佳的，上述制備切屑根的裝置還包括工控機(jī)，所述工控機(jī)與所述激光器電連接。

較佳的，上述制備切屑根的裝置還包括紅外測(cè)溫儀，所述工控機(jī)與所述紅外測(cè)溫儀電連接。

較佳的，所述固定件為三爪卡盤。

與現(xiàn)有技術(shù)比較本實(shí)用新型的有益效果在于：本實(shí)用新型提供的一種制備切屑根的裝置，由于采用激光加熱，并且能夠調(diào)整激光參數(shù)，能夠在較大的加熱溫度區(qū)間內(nèi)完成高溫下切屑根的制備，且升溫快，易于控制。采用爆炸式快速落刀單元，刀具與工件分離時(shí)間在μs數(shù)量級(jí)，切削區(qū)的材料的變形不會(huì)被破壞，且落刀過程中刀具相對(duì)于工件所移動(dòng)的距離很小，刀具不會(huì)受到損壞。在切屑和工件表面所引起的幾何形狀與金屬組織的變化小。本實(shí)用新型的裝置在常用的切削條件范圍內(nèi)有較好的靜剛度和動(dòng)剛度。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便。

附圖說明

為了更清楚地說明本實(shí)用新型各實(shí)施例中的技術(shù)方案,下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹。

圖1為本實(shí)用新型提供的一種制備切屑根的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為爆炸式快速落刀單元的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為一種利用上述裝置制備切屑根方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖，對(duì)本實(shí)用新型上述的和另外的技術(shù)特征和優(yōu)點(diǎn)作更詳細(xì)的說明。

如圖1和圖2所示，圖1為本實(shí)用新型提供的一種制備切屑根的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為本實(shí)用新型中爆炸式快速落刀單元的結(jié)構(gòu)示意圖，該裝置包括數(shù)控車床工作臺(tái)1、三爪卡盤2、激光加熱單元、紅外測(cè)溫儀7、工控機(jī)9、刀具10、爆炸式快速落刀單元11、刀架12和機(jī)床導(dǎo)軌13。爆炸式快速落刀單元11包括：拉栓14、撞針15、射釘彈16、撞擊塊17、刀夾18和鑄鐵銷19。激光加熱單元包括：激光聚焦頭4、激光聚焦頭調(diào)整機(jī)構(gòu)5、光纖6和激光器8。

三爪卡盤2固定安裝在車床工作臺(tái)1上，三爪卡盤2用于卡裝工件3。刀架12固定安裝在機(jī)床導(dǎo)軌13上，爆炸式快速落刀單元11固定安裝在刀架12上，刀具10固定安裝在爆炸式快速落刀單元11中的刀夾18里，爆炸式快速落刀單元11和刀架12通過機(jī)床導(dǎo)軌13能夠在數(shù)控車床工作臺(tái)1上沿著工件3的長(zhǎng)度方向上來回移動(dòng)，方便將刀具10移動(dòng)到工件3的合適位置。爆炸式快速落刀單元11能夠在刀架12上上下移動(dòng)。激光聚焦頭4通過光纖與激光器8連接，激光聚焦頭4安裝在激光聚焦頭調(diào)整機(jī)構(gòu)5上，通過激光聚焦頭調(diào)整機(jī)構(gòu)5能夠調(diào)整激光聚焦頭4的位置。紅外測(cè)溫儀7與工控機(jī)9電連接，工控機(jī)9和激光器8電連接。激光聚焦頭調(diào)整機(jī)構(gòu)5能夠調(diào)整激光聚焦頭4射出的激光的入射方向和入射在工件3表面的光斑直徑大小。紅外測(cè)溫儀7能夠?qū)崟r(shí)采集切削區(qū)域的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)，并將其傳輸?shù)焦た貦C(jī)9，工控機(jī)9將接收到的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)與內(nèi)部存儲(chǔ)的優(yōu)化的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)對(duì)比結(jié)果控制激光器8及時(shí)調(diào)整激光參數(shù)，使切削區(qū)域的溫度場(chǎng)與優(yōu)化的溫度場(chǎng)始終一致，從而提高刀具10的使用壽命，提高加工表面質(zhì)量。

如圖3所示，為一種利用上述制備切屑根的裝置制備切屑根方法的流程圖，該制備切屑根的方法包括以下步驟：

步驟S101，將工件3安裝在數(shù)控車床工作臺(tái)1上的三爪卡盤2上。

步驟S102，通過機(jī)床導(dǎo)軌13和刀架12將刀具10調(diào)整到工件3的切削位置。

步驟S103，打開機(jī)床和激光器。

步驟S104，通過激光聚焦頭調(diào)整機(jī)構(gòu)5調(diào)整激光聚焦頭4的位置，控制激光光斑的入射位置與光斑直徑，使之照射在工件3的切削區(qū)域。

步驟S105，設(shè)置機(jī)床的切削參數(shù)和激光器的激光參數(shù)。

其中，切削參數(shù)包括切削速度、切削深度和進(jìn)給速度。激光參數(shù)包括：激光功率、預(yù)熱時(shí)間、激光運(yùn)動(dòng)速度和激光光斑中心到刀具中心的距離。激光參數(shù)通過溫度場(chǎng)有限元仿真獲得，利用紅外測(cè)溫儀測(cè)量激光照射區(qū)域的溫度場(chǎng)以驗(yàn)證仿真的準(zhǔn)確性。具體的首先按照工件的大小建立模型劃分網(wǎng)格，將激光看做為表面熱流，加載熱輻射與對(duì)流邊界條件，并通過溫度測(cè)量試驗(yàn)修正邊界條件后，即可得到準(zhǔn)確的溫度分布預(yù)測(cè)模型。溫度場(chǎng)有限元仿真理論如下所述：激光照射在固體表面時(shí)光能的吸收主要發(fā)生在式樣表層，因此激光在固體表面的熱作用可以視為發(fā)生在表面一個(gè)無限薄的區(qū)域內(nèi)，在此區(qū)域內(nèi)激光可以看做表面熱源。該表面熱源可以用公式(1)表示為：

$I=\frac{2{\mathrm{AP}}_l}{{\mathrm{\πR}}^2}\exp \left(\frac{-2r^2}{R^2}\right)---\left(1\right)$

式中P_l為激光功率(W)；A為激光吸收率；r為距離激光中心距離(m)；R為激光半徑(m)。激光傳熱過程簡(jiǎn)化為旋轉(zhuǎn)圓柱體受高斯移動(dòng)熱源與對(duì)流邊界作用下三維瞬態(tài)傳熱問題。假設(shè)材料熱性能等向，圓柱坐標(biāo)系下導(dǎo)熱微分方程如公式(2)所示：式中，λ為材料的導(dǎo)熱系數(shù)(W/m·℃)；ρ為密度(kg/m³)；c_p為比熱容(J/kg·℃)；q_v為內(nèi)熱源功率密度。

$\frac{1\∂}{r\∂r}\left(\mathrm{\λ}r\frac{\∂T}{\∂r}\right)+\frac{1\∂}{r^2\∂\mathrm{\φ}}\left(\mathrm{\λ}\frac{\∂T}{\∂\mathrm{\φ}}\right)+\frac{\∂}{\∂z}\left(\mathrm{\λ}\frac{\∂T}{\∂z}\right)+q_v={\mathrm{\ρc}}_p\frac{\∂T}{\∂t}---\left(2\right)$

在激光的照射下材料表面吸收的激光能量轉(zhuǎn)化為熱能，表面溫度升高，與此同時(shí)材料內(nèi)部進(jìn)行著由表及里、由高溫向低溫的熱傳導(dǎo)。材料由激光獲得熱能視為一種邊界條件，即材料表面存在一個(gè)隨時(shí)間變化的外部熱源。在工件圓周表面，激光光斑作用區(qū)域內(nèi)時(shí)，

$\mathrm{\λ}\frac{\∂T}{\∂r_w}=q_{l,abs}-q_c-E\left(T\right)$

式中q_l,abs為材料吸收激光熱量；q_c為材料表面對(duì)流換熱，q_c＝h_c(T-T₀)；E(T)為材料表面輻射換熱；h_c為復(fù)合換熱系數(shù)(W/m·℃)；T₀為環(huán)境溫度，T為加熱溫度。

步驟S106，將射釘彈16安裝到爆炸式快速落刀單元11中。

步驟S107，打開光閘，對(duì)工件3上的切削區(qū)域進(jìn)行加熱。

步驟S108，當(dāng)工件3上的切削區(qū)域的溫度達(dá)到加工要求時(shí)，開始切削，切削達(dá)到穩(wěn)定階段時(shí)，爆炸式快速落刀單元11工作完成快速落刀，凍結(jié)切屑根。

具體的，切削達(dá)到穩(wěn)定階段是指當(dāng)有穩(wěn)定的切屑生成時(shí)的階段。爆炸式快速落刀單元11工作完成快速落刀具體包括：拉動(dòng)拉栓14，拉栓14觸發(fā)撞針15，撞針15撞擊到射釘彈16，射釘彈16爆炸后瞬間產(chǎn)生高的氣體壓力，氣體壓力沖擊撞擊塊17，撞擊塊17撞擊到刀夾18，然后沖斷支撐刀夾18的鑄鐵銷19，刀夾18帶動(dòng)刀具10快速離開工件3，凍結(jié)此時(shí)切削狀態(tài)，高溫下的切屑根保留在工件3上，完成切屑根的制備。

步驟S109，關(guān)閉光閘。

步驟S1010，小心取下保留有切屑根的工件3，利用線切割將切屑根取下，鑲嵌后打磨，進(jìn)行顯微組織以及形貌的觀察分析。

本實(shí)用新型提供的一種制備切屑根的裝置，由于采用激光加熱，并且能夠調(diào)整激光參數(shù)，能夠在較大的加熱溫度區(qū)間內(nèi)完成高溫下切屑根的制備，且升溫快，易于控制。采用爆炸式快速落刀單元，刀具與工件分離時(shí)間在μs數(shù)量級(jí)，切削區(qū)的材料的變形不會(huì)被破壞，且落刀過程中刀具相對(duì)于工件所移動(dòng)的距離很小，刀具不會(huì)受到損壞。在切屑和工件表面所引起的幾何形狀與金屬組織的變化小。本實(shí)用新型的裝置在常用的切削條件范圍內(nèi)有較好的靜剛度和動(dòng)剛度。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便。

以上所述僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型而言僅僅是說明性的，而非限制性的。本專業(yè)技術(shù)人員理解，在本實(shí)用新型權(quán)利要求所限定的精神和范圍內(nèi)可對(duì)其進(jìn)行許多改變，修改，甚至等效，但都將落入本實(shí)用新型的保護(hù)范圍內(nèi)。