專利名稱：電磁驅(qū)動(dòng)高速切削模擬實(shí)驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬切削領(lǐng)域，尤其涉及一種電磁驅(qū)動(dòng)高速切削模擬實(shí)驗(yàn)裝置。
背景技術(shù)：
高速切削加工以高效率、高精度和高表面質(zhì)量為基本特征，在汽車工業(yè)、航空航天、模具制造和儀器儀表等行業(yè)中獲得了越來越廣泛的應(yīng)用，是當(dāng)代先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分。高速切削機(jī)理是高速切削技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，而高速切削實(shí)驗(yàn)是進(jìn)行高速切削加工技術(shù)研究的一個(gè)重要手段。通過高速切削實(shí)驗(yàn)，不但可以揭示高速切削過程中被加工材料的變形行為及相關(guān)規(guī)律，還可以對(duì)高速切削理論預(yù)測(cè)結(jié)果和有限元模擬仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。為了獲得高的切削線速度，目前的高速切削實(shí)驗(yàn)通常在車床上采用大直徑工件，通過正交切削(即直角切削)加工方法來完成，由于受到機(jī)床主軸最大轉(zhuǎn)速和工件動(dòng)平衡的限制，較難達(dá)到理想的高切削線速度。再者，高速切削實(shí)驗(yàn)研究一般要求對(duì)工件在不同切削速度下的材料變形行為進(jìn)行分析。然而，利用車床進(jìn)行高速切削實(shí)驗(yàn)，在主軸轉(zhuǎn)速大范圍改變的情況下往往會(huì)出現(xiàn)共振現(xiàn)象，難以獲得穩(wěn)定的高速切削過程。此外，“凍結(jié)”獲取高速切削過程的瞬態(tài)切屑是高速切削機(jī)理研究的關(guān)鍵，然而在高速車削過程中工件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性極大，很難讓工件與機(jī)床主軸瞬間停止轉(zhuǎn)動(dòng)，從而難于捕獲高速切削瞬間產(chǎn)生的切屑。因此，一些學(xué)者開始采用新的裝置來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高速切削。例如，中國專利文獻(xiàn)(201110049605.6)公開了一種基于霍普金森壓桿加載技術(shù)的高速切削實(shí)驗(yàn)裝置，這種切削裝置通過用小口徑輕氣槍對(duì)刀具進(jìn)行間接加載，其能量有限，很難達(dá)到極高的切削速度，而且輕氣槍被國家禁止銷售和使用，因此此裝置不適用于一般的科學(xué)研究；中國專利文獻(xiàn)(201210031362.8)公開了一種基于輕氣炮加載技術(shù)的高速切削實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置同樣是對(duì)刀具進(jìn)行間接加載，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)很高的切削速度，但也存在設(shè)備復(fù)雜，安全隱患高，實(shí)驗(yàn)成本過高的問題；中國專利文獻(xiàn)(201110308593.4)公開了一種爆炸式高速切削裝置，其原理是利用火藥爆炸產(chǎn)生的強(qiáng)大氣體壓力來驅(qū)動(dòng)刀桿帶動(dòng)刀片高速撞擊工件，這種裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，但是不能控制切削速度的大小，而且使用火藥時(shí)存在一定的安全隱患。因此，研制經(jīng)濟(jì)環(huán)保、安全可靠的高速切削實(shí)驗(yàn)裝置就成為當(dāng)今開展高速切削實(shí)驗(yàn)研究的一個(gè)迫切需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種電磁驅(qū)動(dòng)高速切削模擬實(shí)驗(yàn)裝置，它具有速度高，安全可靠、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:一種電磁驅(qū)動(dòng)高速切削實(shí)驗(yàn)裝置，包括動(dòng)力機(jī)構(gòu)、切削機(jī)構(gòu)和固定機(jī)構(gòu)，所述動(dòng)力機(jī)構(gòu)包括依次連接的電磁驅(qū)動(dòng)器、電容器組、直流整流器和調(diào)壓變壓器，所述切削機(jī)構(gòu)包括刀具夾持裝置和安裝在其上的刀具，所述固定機(jī)構(gòu)包括支撐框架、支座、固定箍套和工件夾持及定位裝置，所述動(dòng)力機(jī)構(gòu)的電磁驅(qū)動(dòng)器通過固定箍套固定在支座上，所述刀具夾持裝置安裝在電磁驅(qū)動(dòng)器內(nèi)鋁合金桿的一端。所述電磁驅(qū)動(dòng)器包括依次連接的鋁合金桿端部擋塊、緩沖墊、鋁合金桿，所述鋁合金桿上依次套有第一軸承、若干間隔的鐵環(huán)電磁裝置和第二軸承，所述若干鐵環(huán)電磁裝置的外面設(shè)有保護(hù)外殼，所述鐵環(huán)電磁裝置包括軟鐵環(huán)、亞克力管和電磁線圈，其中軟鐵環(huán)嵌在鋁合金桿上，所述電磁線圈環(huán)繞在亞克力管的外圍，電磁線圈與軟鐵環(huán)之間通過亞克力管實(shí)現(xiàn)間隔、定位和絕緣，所述保護(hù)外殼兩端的鋁合金桿上設(shè)有第一軸承和第二軸承。所述動(dòng)力機(jī)構(gòu)的電磁驅(qū)動(dòng)器通過放電線路連接電容器組，所述電容器組通過充電線路連接直流整流器，所述直流整流器通過連接線連接調(diào)壓變壓器，所述調(diào)壓變壓器設(shè)有插頭。所述支座安裝在支撐框架上，所述工件夾持及定位裝置固定在支座上，所述工件固定在工件夾持及定位裝置上。所述動(dòng)力機(jī)構(gòu)用于產(chǎn)生電磁推力以帶動(dòng)切削機(jī)構(gòu)高速運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)刀具切削工件夾持及定位裝置上的工件；所述動(dòng)力機(jī)構(gòu)上的緩沖墊和鋁合金端部擋塊用于使刀具快速停止。所述動(dòng)力機(jī)構(gòu)的調(diào)壓變壓器連接電壓為220V的單相交流電，能在O 660V范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)輸出電壓，通過改變輸出電壓的大小調(diào)節(jié)裝置的切削速度，如需要更高的切削速度，則更改調(diào)壓變壓器即可。所述電容器組包括若干個(gè)電容器，每個(gè)電容器與電磁驅(qū)動(dòng)器中的若干個(gè)電磁線圈一一對(duì)應(yīng)。電磁線圈之間相互獨(dú)立，通過開啟/關(guān)閉部分電磁線圈來調(diào)節(jié)裝置的切削速度。所述切削機(jī)構(gòu)的刀具夾持裝置與鋁合金桿之間為螺紋連接。所述刀具、工件和固定機(jī)構(gòu)上設(shè)置有用于檢測(cè)切削過程中切削力和切削溫度的傳感器。本發(fā)明的工作原理:本發(fā)明是利用電磁感應(yīng)原理將電能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能的實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)過程中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)所要實(shí)現(xiàn)的切削速度，調(diào)壓變壓器首先對(duì)電壓為220V的單相交流電進(jìn)行調(diào)節(jié)，使輸出電壓達(dá)到所需要的數(shù)值，輸出電壓經(jīng)直流整流器整流后給電容器組充電，充電完成后，充電電路關(guān)閉，放電電路使各個(gè)電容器同時(shí)向各自對(duì)應(yīng)的電磁線圈放電，電磁線圈與軟鐵環(huán)之間的電磁感應(yīng)將電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，使得軟鐵環(huán)帶動(dòng)鋁合金桿高速運(yùn)動(dòng)，刀具與對(duì)稱分布的兩個(gè)工件發(fā)生碰撞擠壓，從而實(shí)現(xiàn)高速切削。切削過程中緩沖墊和鋁合金桿端部擋塊與保護(hù)外殼正碰而使刀具瞬間停止，從而實(shí)現(xiàn)高速切削過程的瞬態(tài)凍結(jié)。電流脈沖將持續(xù)數(shù)個(gè)毫秒，其能量足以使裝置達(dá)到很高的切削速度。本發(fā)明的有益效果:1、通過調(diào)節(jié)電壓或者控制電磁線圈的閉合可獲得很廣的切削速度范圍，利用該裝置可進(jìn)行切削速度高達(dá)15 50m/s的高速切削模擬實(shí)驗(yàn)，能滿足大多數(shù)材料的高速切削實(shí)驗(yàn)要求。如需要更高的切削速度，則更改調(diào)壓變壓器即可；2、采用電能做為能源驅(qū)動(dòng)，安全可靠，成本低，無污染；3、電容器放電時(shí)間短，刀具切削速度快，沖擊能量遠(yuǎn)大于切削所需能量，可視為穩(wěn)態(tài)過程；4、本實(shí)驗(yàn)裝置可使刀具在切削過程中因放電結(jié)束及鋁合金桿端部擋塊撞擊保護(hù)外殼而快速停止，從而實(shí)現(xiàn)切削過程的瞬態(tài)凍結(jié)，進(jìn)而捕獲高速切削瞬態(tài)切屑，便于觀測(cè)高速切削過程中材料變形或損傷裂紋發(fā)展的不同階段，研究高速切削過程中材料變形規(guī)律或損傷裂紋發(fā)展的歷程和機(jī)理；5、本發(fā)明電磁能量可調(diào)、穩(wěn)定性好、安全可靠，可在刀具和工件及其夾持裝置上安裝傳感器，有利于高速切削過程中切削力和切削溫度等參數(shù)的測(cè)試，配置高速相機(jī)，可對(duì)高速切削過程進(jìn)行圖像分析處理。配合激光測(cè)速儀，可滿足多種材料的高速切削實(shí)驗(yàn)需求；6本發(fā)明的軟鐵環(huán)與電磁線圈的位置不同于現(xiàn)有技術(shù)，現(xiàn)有技術(shù)的軟鐵環(huán)與電磁線圈是完全吻合的，通電后，電能轉(zhuǎn)換成熱能，而本發(fā)明的目的是將電能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能，而且，軟鐵環(huán)與電磁線圈之間通過亞克力管間隔和定位。


圖1為高速切削實(shí)驗(yàn)裝置示意圖；圖2為電磁驅(qū)動(dòng)器示意圖；其中:1、支撐框架；2、支座；3、鋁合金桿端部擋塊；4、緩沖墊；5、鋁合金桿；6、固定箍套；7、電磁驅(qū)動(dòng)器；8、刀具夾持裝置；9、刀具；10、工件；11、工件夾持及定位裝置；12、放電線路；13、電容器組；14、插頭；15、調(diào)壓變壓器；16、直流整流器；17、連接線；18、充電線路；19、第一軸承；20、軟鐵環(huán)；21、亞克力管；22、電磁線圈；23、保護(hù)外殼；24、第二軸承。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。如圖1所示，一種電磁驅(qū)動(dòng)高速切削實(shí)驗(yàn)裝置，包括動(dòng)力機(jī)構(gòu)、切削機(jī)構(gòu)和固定機(jī)構(gòu)，所述動(dòng)力機(jī)構(gòu)包括依次連接的電磁驅(qū)動(dòng)器7、電容器組13、直流整流器16和調(diào)壓變壓器15，所述切削機(jī)構(gòu)包括刀具夾持裝置8和安裝在其上的刀具9，所述固定機(jī)構(gòu)包括支撐框架
1、支座2、固定箍套6和工件夾持及定位裝置11，所述動(dòng)力機(jī)構(gòu)的電磁驅(qū)動(dòng)器7通過固定箍套6固定在支座2上，支座2通過支撐框架I固定在墻壁上，所述刀具夾持裝置8安裝在鋁合金桿5的一端。所述電磁驅(qū)動(dòng)器7包括鋁合金桿端部擋塊3、緩沖墊4、鋁合金桿5，緩沖墊4套在鋁合金桿5上，鋁合金桿端部擋塊3與鋁合金桿5為一體結(jié)構(gòu)，可使運(yùn)動(dòng)中的刀具9快速停止；所述鋁合金桿5上依次套有第一軸承19、若干的鐵環(huán)電磁裝置和第二軸承24，所述若干鐵環(huán)電磁裝置的外面設(shè)有保護(hù)外殼23，所述鐵環(huán)電磁裝置包括軟鐵環(huán)20、亞克力管21和電磁線圈22，其中軟鐵環(huán)嵌在鋁合金桿5上，電磁線圈22與軟鐵環(huán)20之間通過亞克力管21實(shí)現(xiàn)定位和絕緣，所述鋁合金桿5通過第一軸承19和第二軸承24實(shí)現(xiàn)保護(hù)外殼23的支撐。所述動(dòng)力機(jī)構(gòu)的電磁驅(qū)動(dòng)器7通過放電線路12連接電容器組13，所述電容器組13通過充電線路18連接直流整流器16，所述直流整流器16通過連接線17連接調(diào)壓變壓器15，所述調(diào)壓變壓器15設(shè)有插頭14。直流整流器16將交流電轉(zhuǎn)換為同等電壓的直流電，直流整流器16通過充電線路18給電容器組13內(nèi)的若干個(gè)電容器充電，每個(gè)電容器通過放電線路12連接著電磁驅(qū)動(dòng)器7中對(duì)應(yīng)的電磁線圈22，每個(gè)電容器的容量為8mF。
所述支座2安裝在支撐框架I上，所述工件夾持及定位裝置11固定在支座2上，工件10安裝在鋁合金桿5后部對(duì)稱分布的兩個(gè)工件夾持及定位裝置11上。所述動(dòng)力機(jī)構(gòu)用于產(chǎn)生電磁推力以帶動(dòng)切削機(jī)構(gòu)高速運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)刀具切削工件夾持及定位裝置11上的工件10 ;所述動(dòng)力機(jī)構(gòu)上的緩沖墊4和鋁合金端部擋塊3用于使刀具9快速停止。所述動(dòng)力機(jī)構(gòu)的調(diào)壓變壓器15通過插頭14連接電壓為220V的單相交流電，能在O 660V范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)輸出電壓，通過改變輸出電壓的大小調(diào)節(jié)裝置的切削速度。所述電容器組13包括若干個(gè)電容器，每個(gè)電容器與電磁驅(qū)動(dòng)器7中的若干個(gè)電磁線圈22 —一對(duì)應(yīng)。電磁線圈22之間相互獨(dú)立，通過開啟/關(guān)閉部分電磁線圈22來調(diào)節(jié)裝置的切削速度。所述切削機(jī)構(gòu)的刀具夾持裝置8與鋁合金桿5之間為螺紋連接。所述刀具9、工件10和固定機(jī)構(gòu)上設(shè)置有用于檢測(cè)切削過程中切削力和切削溫度的傳感器。所述刀具9具有對(duì)稱分布的兩個(gè)切削刃。安裝時(shí)保證鋁合金桿5、刀具夾持裝置
8、刀具9及兩個(gè)工件10的對(duì)稱軸位于同一軸線上。本發(fā)明是利用電磁感應(yīng)原理將電能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能的實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)過程中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)所要實(shí)現(xiàn)的切削速度，調(diào)壓變壓器15首先對(duì)電壓為220V的單相交流電進(jìn)行調(diào)節(jié)，使輸出電壓達(dá)到所需要的數(shù)值，輸出電壓經(jīng)直流整流器16整流后給電容器組13充電，充電完成后，充電電路18關(guān)閉，放電電路12使各個(gè)電容器同時(shí)向各自對(duì)應(yīng)的電磁線圈22放電，電磁線圈22與軟鐵環(huán)20之間的電磁感應(yīng)將電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，使得軟鐵環(huán)20帶動(dòng)鋁合金桿5高速運(yùn)動(dòng)，刀具9與對(duì)稱分布的兩個(gè)工件10發(fā)生碰撞擠壓，從而實(shí)現(xiàn)高速切削。切削過程中緩沖墊4和鋁合金桿端部擋塊3與保護(hù)外殼23正碰而使刀具9瞬間停止，從而實(shí)現(xiàn)高速切削過程的瞬態(tài)凍結(jié)。電流脈沖將持續(xù)數(shù)個(gè)毫秒，其能量足以使裝置達(dá)到很高的切削速度。上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種電磁驅(qū)動(dòng)高速切削實(shí)驗(yàn)裝置，包括動(dòng)力機(jī)構(gòu)、切削機(jī)構(gòu)和固定機(jī)構(gòu)，其特征是，所述動(dòng)力機(jī)構(gòu)包括依次連接的電磁驅(qū)動(dòng)器、電容器組、直流整流器和調(diào)壓變壓器，所述切削機(jī)構(gòu)包括刀具夾持裝置和安裝在其上的刀具，所述固定機(jī)構(gòu)包括支撐框架、支座、固定箍套和工件夾持及定位裝置，所述支座安裝在支撐框架上，所述工件夾持及定位裝置固定在支座上，所述動(dòng)力機(jī)構(gòu)的電磁驅(qū)動(dòng)器通過固定箍套固定在支座上，所述刀具夾持裝置安裝在電磁驅(qū)動(dòng)器內(nèi)的鋁合金桿的一端。
2.如權(quán)利要求1所述的一種電磁驅(qū)動(dòng)高速切削實(shí)驗(yàn)裝置，其特征是，所述電磁驅(qū)動(dòng)器包括依次連接的鋁合金桿端部擋塊、緩沖墊、鋁合金桿，所述鋁合金桿上依次套有第一軸承、若干間隔的鐵環(huán)電磁裝置和第二軸承，所述若干鐵環(huán)電磁裝置的外面設(shè)有保護(hù)外殼，所述鐵環(huán)電磁裝置包括軟鐵環(huán)、亞克力管和電磁線圈，其中軟鐵環(huán)嵌在鋁合金桿上，所述電磁線圈環(huán)繞在亞克力管的外圍，電磁線圈與軟鐵環(huán)之間通過亞克力管實(shí)現(xiàn)間隔、定位和絕緣，所述保護(hù)外殼兩端的鋁合金桿上設(shè)有第一軸承和第二軸承。
3.如權(quán)利要求1所述的一種電磁驅(qū)動(dòng)高速切削實(shí)驗(yàn)裝置，其特征是，所述動(dòng)力機(jī)構(gòu)的電磁驅(qū)動(dòng)器通過放電線路連接電容器組，所述電容器組通過充電線路連接直流整流器，所述直流整流器通過連接線連接調(diào)壓變壓器，所述調(diào)壓變壓器設(shè)有插頭。
4.如權(quán)利要求1所述的一種電磁驅(qū)動(dòng)高速切削實(shí)驗(yàn)裝置，其特征是，所述動(dòng)力機(jī)構(gòu)用于產(chǎn)生電磁推力以帶動(dòng)切削機(jī)構(gòu)高速運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)刀具切削工件夾持及定位裝置上的工件；所述動(dòng)力機(jī)構(gòu)上的緩沖墊和鋁合金端部擋塊用于使刀具快速停止。
5.如權(quán)利要求1所述的一種電磁驅(qū)動(dòng)高速切削實(shí)驗(yàn)裝置，其特征是，所述動(dòng)力機(jī)構(gòu)的調(diào)壓變壓器連接電壓為220V的單相交流電，能在O 660V范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)輸出電壓，通過改變輸出電壓的大小調(diào)節(jié)裝置的切削速度。
6.如權(quán)利要求1所述的一種電磁驅(qū)動(dòng)高速切削實(shí)驗(yàn)裝置，其特征是，所述電容器組包括若干個(gè)電容器，每個(gè)電容器與電磁驅(qū)動(dòng)器中的若干個(gè)電磁線圈 對(duì)應(yīng)；電磁線圈之間相互獨(dú)立，通過開啟/關(guān)閉部分電磁線圈來調(diào)節(jié)裝置的切削速度。
7.如權(quán)利要求1所述的一種電磁驅(qū)動(dòng)高速切削實(shí)驗(yàn)裝置，其特征是，所述切削機(jī)構(gòu)的刀具夾持裝置與鋁合金桿之間為螺紋連接。
8.如權(quán)利要求4所述的一種電磁驅(qū)動(dòng)高速切削實(shí)驗(yàn)裝置，其特征是，所述刀具、工件和固定機(jī)構(gòu)上設(shè)置有用于檢測(cè)切削過程中切削力和切削溫度的傳感器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電磁驅(qū)動(dòng)高速切削實(shí)驗(yàn)裝置，包括動(dòng)力機(jī)構(gòu)、切削機(jī)構(gòu)和固定機(jī)構(gòu)，動(dòng)力機(jī)構(gòu)用于產(chǎn)生電磁推力，帶動(dòng)切削機(jī)構(gòu)高速運(yùn)動(dòng)，使刀具切削固定機(jī)構(gòu)上固定的工件，動(dòng)力機(jī)構(gòu)上的緩沖墊和鋁合金端部擋塊使刀具快速停止。本發(fā)明的整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置基于電磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)搭建，經(jīng)濟(jì)環(huán)保，穩(wěn)定性好，可達(dá)到很高的切削速度，并且切削速度可調(diào)，加裝高速相機(jī)，可對(duì)高速切削切削過程進(jìn)行圖像處理分析。通過與激光測(cè)速儀、測(cè)力儀等儀器配合，能滿足多種材料的高速切削實(shí)驗(yàn)需求。
文檔編號(hào)G01N3/58GK103163038SQ20131011299
公開日2013年6月19日 申請(qǐng)日期2013年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月2日
發(fā)明者劉戰(zhàn)強(qiáng), 張楊廣, 萬熠, 劉繼剛 申請(qǐng)人:山東大學(xué)