一種制備切屑根的裝置和方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種制備切屑根的裝置和方法，該制備切屑根的裝置包括數(shù)控車床工作臺、激光加熱單元和快速落刀單元，數(shù)控車床工作臺上設有用于安裝工件的固定件，激光加熱單元用于對工件進行加熱；快速落刀單元安裝在數(shù)控車床工作臺；快速落刀單元上安裝有刀具，用于對工件進行切削。與現(xiàn)有技術(shù)比較，本發(fā)明提供的一種制備切屑根的裝置和方法，由于采用激光加熱單元和快速落刀單元，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，切削區(qū)的材料的變形不會被破壞，且落刀過程中刀具相對于工件所移動的距離很小，刀具不會受到損壞。
【專利說明】
一種制備切屑根的裝置和方法
技術(shù)領域
[0001] 本發(fā)明涉及機械加工設備領域，具體涉及一種制備切肩根的裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展，難加工材料的應用愈來愈多，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重要的發(fā)展方 向，但是材料在高溫下的車削變形機理尚沒有進行深入的研究，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，并以此為基礎創(chuàng)造出先進的切削技術(shù)，以適應切削加工發(fā) 展的新需要。但切削加工過程是一個復雜的非線性過程，且加工模型的可預測性較低，加工 過程中會出現(xiàn)各種物理現(xiàn)象，如切削力、切削熱、刀具的磨損、積肩瘤以及切削振動等，都還 需要作進一步的深入研究。這些物理現(xiàn)象都與切肩形成過程的規(guī)律密切相關(guān)，因此，研究切 肩形成過程的有關(guān)規(guī)律就具有很強的理論意義，對解決生產(chǎn)實際問題也有指導作用。為研 究切削過程中切肩的形成機理，就要分析刀具切削刃處刀-肩接觸區(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)"在退刀瞬時的切削狀態(tài)以獲得切肩根部，再將根部和工件分離，制成切肩根部的金 相試樣，以進行后續(xù)的研究，通過實驗結(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。
[0003] 目前沒有出現(xiàn)一種在高溫下制備切肩根的裝置和方法，以解決難加工材料，例如 陶瓷、高溫合金、淬硬鋼、復合材料等在高溫下變形的機理分析。
[0004] 鑒于上述缺陷，本發(fā)明創(chuàng)作者經(jīng)過長時間的研究和實踐終于獲得了本發(fā)明。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為解決上述技術(shù)缺陷，本發(fā)明采用的技術(shù)方案在于，
[0006] -方面提供一種制備切肩根的裝置，其包括數(shù)控車床工作臺、激光加熱單元和快 速落刀單元，所述數(shù)控車床工作臺上設有用于安裝工件的固定件，所述激光加熱單元用于 對所述工件進行加熱;所述快速落刀單元安裝在所述數(shù)控車床工作臺；所述快速落刀單元 上安裝有刀具，用于對所述工件進行切削。
[0007] 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。
[0008] 較佳的，所述激光加熱單元還包括激光聚焦頭調(diào)整機構(gòu)，所述激光聚焦頭安裝在 所述激光聚焦頭調(diào)整機構(gòu)上。
[0009] 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。
[0010] 較佳的，上述制備切肩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。
[0011] 較佳的，上述制備切肩根的裝置還包括機床導軌，所述刀架安裝在所述機床導軌 上。
[0012] 較佳的，上述制備切肩根的裝置還包括紅外測溫儀和工控機，所述工控機分別與 所述紅外測溫儀和所述激光器電連接。
[0013] 較佳的，所述固定件為三爪卡盤。
[0014] 又一方面提供一種根據(jù)上述制備切肩根的裝置制備切肩根的方法，該方法包括以 下步驟：
[0015] 步驟S101，將工件安裝在數(shù)控車床工作臺上的固定件上；
[0016] 步驟S102,將刀具調(diào)整到所述工件的切削位置；
[0017] 步驟S103,打開機床和激光器；
[0018] 步驟S104,通過激光聚焦頭調(diào)整機構(gòu)調(diào)整激光聚焦頭的位置，控制激光光斑的入 射位置與光斑直徑，使之照射在所述工件的切削區(qū)域；
[0019] 步驟S105，設置機床的切削參數(shù)和激光器的激光參數(shù)；
[0020] 其中，所述切削參數(shù)包括切削速度、切削深度和進給速度;所述激光參數(shù)包括:激 光功率、預熱時間、激光運動速度和激光光斑中心到刀具中心的距離;所述激光參數(shù)通過溫 度場有限元仿真獲得；
[0021] 步驟S106，將射釘彈安裝到爆炸式快速落刀單元中；
[0022]步驟S107，打開光閘，對所述切削區(qū)域進行加熱；
[0023]步驟S108,當所述切削區(qū)域的溫度達到加工要求時，開始切削，切削達到穩(wěn)定階段 時，拉動拉栓，拉栓觸發(fā)撞針，撞針撞擊到射釘彈，射釘彈爆炸后瞬間產(chǎn)生高的氣體壓力，氣 體壓力沖擊撞擊塊，撞擊塊撞擊到刀夾，然后沖斷支撐刀夾的鑄鐵銷，刀夾帶動刀具快速離 開工件，凍結(jié)此時切削狀態(tài)，高溫下的切肩根保留在工件上，完成切肩根的制備。
[0024]較佳的，在上述方法還包括：
[0025]步驟S109,關(guān)閉光閘；步驟S1010,取下保留有切肩根的工件，利用線切割將切肩根 取下，鑲嵌后打磨，進行顯微組織以及形貌的觀察分析。
[0026] 與現(xiàn)有技術(shù)比較本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明提供的一種制備切肩根的裝置和 方法，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 下切肩根的制備，且升溫快，易于控制。采用爆炸式快速落刀單元，刀具與工件分離時間在μ S數(shù)量級，切削區(qū)的材料的變形不會被破壞，且落刀過程中刀具相對于工件所移動的距離很 小，刀具不會受到損壞。在切肩和工件表面所引起的幾何形狀與金屬組織的變化小。本發(fā)明 的裝置在常用的切削條件范圍內(nèi)有較好的靜剛度和動剛度。結(jié)構(gòu)簡單，操作方便。
【附圖說明】
[0027] 為了更清楚地說明本發(fā)明各實施例中的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中所需要 使用的附圖作簡單地介紹。
[0028] 圖1為本發(fā)明提供的一種制備切肩根的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖2為爆炸式快速落刀單元的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖3為本發(fā)明提供的一種利用上述裝置制備切肩根方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0031] 以下結(jié)合附圖，對本發(fā)明上述的和另外的技術(shù)特征和優(yōu)點作更詳細的說明。
[0032] 實施例一
[0033] 如圖1和圖2所示，圖1為本發(fā)明提供的一種制備切肩根的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2 為本發(fā)明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1、三爪卡盤2、 激光加熱單元、紅外測溫儀7、工控機9、刀具10、爆炸式快速落刀單元11、刀架12和機床導軌 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)整機構(gòu)5、光纖6和激光器8。
[0034]三爪卡盤2固定安裝在車床工作臺1上，三爪卡盤2用于卡裝工件3。刀架12固定安 裝在機床導軌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通過機床導軌13能夠在 數(shù)控車床工作臺1上沿著工件3的長度方向上來回移動，方便將刀具10移動到工件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。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)整機構(gòu)5上，通過激光聚焦頭調(diào)整機構(gòu)5能夠調(diào)整激 光聚焦頭4的位置。紅外測溫儀7與工控機9電連接，工控機9和激光器8電連接。激光聚焦頭 調(diào)整機構(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。紅外測溫儀7能夠?qū)崟r采集切削區(qū)域的溫度場數(shù)據(jù)，并將其傳輸?shù)焦た貦C9,工控機9將 接收到的溫度場數(shù)據(jù)與內(nèi)部存儲的優(yōu)化的溫度場數(shù)據(jù)進行對比，根據(jù)對比結(jié)果控制激光器 8及時調(diào)整激光參數(shù)，使切削區(qū)域的溫度場與優(yōu)化的溫度場始終一致，從而提高刀具10的使 用壽命，提高加工表面質(zhì)量。
[0035] 實施例二
[0036]如圖3所示，為本發(fā)明提供的一種利用上述制備切肩根的裝置制備切肩根方法的 流程圖，該制備切肩根的方法包括以下步驟：
[0037]步驟S101，將工件3安裝在數(shù)控車床工作臺1上的三爪卡盤2上。
[0038] 步驟S102,通過機床導軌13和刀架12將刀具10調(diào)整到工件3的切削位置。
[0039] 步驟S103,打開機床和激光器。
[0040]步驟S104,通過激光聚焦頭調(diào)整機構(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。
[0041 ]步驟S105，設置機床的切削參數(shù)和激光器的激光參數(shù)。
[0042]其中，切削參數(shù)包括切削速度、切削深度和進給速度。激光參數(shù)包括:激光功率、預 熱時間、激光運動速度和激光光斑中心到刀具中心的距離。激光參數(shù)通過溫度場有限元仿 真獲得，利用紅外測溫儀測量激光照射區(qū)域的溫度場以驗證仿真的準確性。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，加載熱輻射與對流邊界條件，并 通過溫度測量試驗修正邊界條件后，即可得到準確的溫度分布預測模型。溫度場有限元仿 真理論如下所述:激光照射在固體表面時光能的吸收主要發(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：
⑴
[0044]式中Pi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)。激光傳熱過程簡化為旋轉(zhuǎn)圓柱體受高斯移動熱源與對流邊界作用下三維瞬態(tài)傳熱問 題。假設材料熱性能等向，圓柱坐標系下導熱微分方程如公式(2)所示:式中，λ為材料的導 熱系數(shù)(W/m· °C);P為密度(kg/m3);cPS比熱容(J/kg · °C);qv為內(nèi)熱源功率密度。
⑵
[0046]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 材料內(nèi)部進行著由表及里、由高溫向低溫的熱傳導。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隨時間變化的外部熱源。在工件圓周表面，激光光斑作用區(qū)域內(nèi)
[0048]式中qi,abs為材料吸收激光熱量;qc為材料表面對流換熱，qc = hc(T-To);E⑴為材 料表面輻射換熱;h。為復合換熱系數(shù)(W/m · °C);T〇為環(huán)境溫度，T為加熱溫度。
[0049]步驟S106,將射釘彈16安裝到爆炸式快速落刀單元11中。
[0050]步驟S107,打開光閘，對工件3上的切削區(qū)域進行加熱。
[0051]步驟S108,當工件3上的切削區(qū)域的溫度達到加工要求時，開始切削，切削達到穩(wěn) 定階段時，爆炸式快速落刀單元11工作完成快速落刀，凍結(jié)切肩根。
[0052]具體的，切削達到穩(wěn)定階段是指當有穩(wěn)定的切肩生成時的階段。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帶動刀具10快速離開工件3,凍結(jié)此時切削狀 態(tài)，高溫下的切肩根保留在工件3上，完成切肩根的制備。
[0053] 步驟S109,關(guān)閉光閘。
[0054]步驟S1010,小心取下保留有切肩根的工件3,利用線切割將切肩根取下，鑲嵌后打 磨，進行顯微組織以及形貌的觀察分析。
[0055] 本發(fā)明提供的一種制備切肩根的裝置和方法，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)完成高溫下切肩根的制備，且升溫快，易于控制。 采用爆炸式快速落刀單元，刀具與工件分離時間在ys數(shù)量級，切削區(qū)的材料的變形不會被 破壞，且落刀過程中刀具相對于工件所移動的距離很小，刀具不會受到損壞。在切肩和工件 表面所引起的幾何形狀與金屬組織的變化小。本發(fā)明的裝置在常用的切削條件范圍內(nèi)有較 好的靜剛度和動剛度。結(jié)構(gòu)簡單，操作方便。
[0056] 以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，對本發(fā)明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，在本發(fā)明權(quán)利要求所限定的精神和范圍內(nèi)可對其進行許多改變， 修改，甚至等效，但都將落入本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種制備切肩根的裝置，其特征在于，其包括數(shù)控車床工作臺、激光加熱單元和快速 落刀單元，所述數(shù)控車床工作臺上設有用于安裝工件的固定件，所述激光加熱單元用于對 所述工件進行加熱;所述快速落刀單元安裝在所述數(shù)控車床工作臺；所述快速落刀單元上 安裝有刀具，用于對所述工件進行切削。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備切肩根的裝置，其特征在于，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。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備切肩根的裝置，其特征在于，所述激光加熱單元還包括激 光聚焦頭調(diào)整機構(gòu)，所述激光聚焦頭安裝在所述激光聚焦頭調(diào)整機構(gòu)上。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備切肩根的裝置，其特征在于，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。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備切肩根的裝置，其特征在于，其還包括刀架，所述快速落 刀單元安裝在所述刀架上。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備切肩根的裝置，其特征在于，其還包括機床導軌，所述刀 架安裝在所述機床導軌上。7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備切肩根的裝置，其特征在于，其還包括紅外測溫儀和工控 機，所述工控機分別與所述紅外測溫儀和所述激光器電連接。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備切肩根的裝置，其特征在于，所述固定件為三爪卡盤。9. 一種根據(jù)權(quán)利要求1-8任一所述的裝置制備切肩根的方法，其特征在于，該方法包括 以下步驟： 步驟S101，將工件安裝在數(shù)控車床工作臺上的固定件上； 步驟S102,將刀具調(diào)整到所述工件的切削位置； 步驟S103，打開機床和激光器； 步驟S104,通過激光聚焦頭調(diào)整機構(gòu)調(diào)整激光聚焦頭的位置，控制激光光斑的入射位 置與光斑直徑，使之照射在所述工件的切削區(qū)域； 步驟S105,設置機床的切削參數(shù)和激光器的激光參數(shù)； 其中，所述切削參數(shù)包括切削速度、切削深度和進給速度;所述激光參數(shù)包括:激光功 率、預熱時間、激光運動速度和激光光斑中心到刀具中心的距離;所述激光參數(shù)通過溫度場 有限元仿真獲得； 步驟S106,將射釘彈安裝到爆炸式快速落刀單元中； 步驟S107,打開光閘，對所述切削區(qū)域進行加熱； 步驟S108,當所述切削區(qū)域的溫度達到加工要求時，開始切削，切削達到穩(wěn)定階段時， 拉動拉栓，拉栓觸發(fā)撞針，撞針撞擊到射釘彈，射釘彈爆炸后瞬間產(chǎn)生高的氣體壓力，氣體 壓力沖擊撞擊塊，撞擊塊撞擊到刀夾，然后沖斷支撐刀夾的鑄鐵銷，刀夾帶動刀具快速離開 工件，凍結(jié)此時切削狀態(tài)，高溫下的切肩根保留在工件上，完成切肩根的制備。10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置制備切肩根的方法，其特征在于，其還包括步驟S109,關(guān) 閉光閘； 步驟S1010,取下保留有切肩根的工件，利用線切割將切肩根取下，鑲嵌后打磨，進行顯 微組織以及形貌的觀察分析。
【文檔編號】G01N1/04GK106017974SQ201610605408
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月28日
【發(fā)明人】王揚, 孔憲俊, 楊立軍, 張宏志
【申請人】哈爾濱工業(yè)大學