[發明專利]一種立式銑床中切削應力波的可視化實驗裝置及方法

有效

• 申請號: 201711342655.7
• 申請日: 2017-12-14
• 公開（公告）號: CN107999847B
• 公開（公告）日: 2019-10-11
• 發明（設計）人: 張俊;劉哲超;何勇;戚宇彤;蔣逸飛;趙萬華
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: B23C9/00
• 分類號: B23C9/00;B23Q17/24
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 李宏德

本發明一種立式銑床中切削應力波的可視化實驗裝置及方法，包括光學系統、裝夾體、加工工件和立式銑床；光學系統包括反射鏡，水平設置的光源，以及沿豎直方向依次從下往上同軸設置的磨砂玻璃、起偏鏡、檢偏鏡和高速攝像機；立式銑床主軸與加工工件垂直，且沿加工工件平面方向進給；加工工件固定在裝夾體上端，磨砂玻璃和起偏鏡設置在裝夾體上；反射鏡置于磨砂玻璃下方，且設置于光源的水平光路上形成轉向光路，轉向光路依次照射磨砂玻璃、起偏鏡和加工工件后，經檢偏鏡由高速攝像機采集。本發明采用可調整角度的反射鏡，使得光路系統的排布無需沿著立式銑床主軸方向依次排布，實現高速切削狀態下對材料內部應力波傳播進行觀察。

技術領域

本發明涉及機械工程中的高速加工，具體為一種立式銑床中切削應力波的可視化實驗裝置及方法。

背景技術

提高切削加工效率的途徑主要包括優化切削工藝設計和提高切削的速度兩個方面。對于切削工藝優化目前已有較多的成果，但其進一步提升加工效率的空間已較小。因此提高切削速度，實現高速切削就成為目前提升加工效率研究的一個重點。此外，在采用高速切削技術時，切削力較小，切屑能夠帶走大量的切削熱，刀具和已加工面的熱-力學條件緩和，刀具壽命和工件表面質量得以顯著提高。

盡管高速切削技術已得到了一定程度的實際應用，但目前對其切除成屑機理的認識仍停留在基于靜態力學的經驗結論階段，這無疑會嚴重阻礙高速切削技術的進一步發展和應用。傳統的剪切滑移理論基于靜力學分析方法，在低速切削加工分析中得到了廣泛和有效的應用，但其是建立在材料性質恒定和靜態分析的基礎上的，這就使得當切削速度大幅提高后，無法有效解釋切削過程中所產生的特殊現象：如切削力減小，切屑鋸齒化等。

事實上，隨著切削速度的提高，材料的局部區域應變率往往能夠達到10⁶/s，在這種狀態下由于材料所具有的應變率效應，材料的屈服極限等屬性會產生較大的變化；此外，切削速度的提高使得刀-屑作用區域的發展速率大大加快，材料微元慣性效應更加顯著，在此狀態下材料的變形同靜力狀態下有很大區別。因此需要采用動力學理論，考慮高速切削的應力波效應以對其機理進行分析研究。

目前，測量材料內應力波傳播的方法有主要分為電阻應變法和動態光彈性法。前者通過在目標位置放置應變片，并使用動態應變儀來測量并記錄目標點的應力變化情況，進而推導整個目標區域內應力波的傳播，此測量方法實現起來較為復雜，且無法直觀得到整個區域內的應力波傳播狀態；而后者則利用特定材料的人工雙折射效應，通過投射式偏振光光學系統，將材料的應力狀態轉化為光學干涉條紋進行采集，用于應力波問題研究。

在實際研究及實驗中，由于立式銑床主軸結構同加工工件切削位置布置于同一豎直線內，就使得入射光線只能從加工工件下方進入，又由于主軸Z方向行程的限制，光源難以在工件正下方布置，從而嚴重限制了光學系統結構同軸排布的要求，使得目前的設備難以用于立式銑床銑削過程中的應力波傳播過程的觀測和可視化。

發明內容

針對現有技術中存在的問題，本發明提供一種立式銑床中切削應力波的可視化實驗裝置及方法，結構簡單，設計合理，操作方便，能夠有效解決了光彈性干涉條紋采集時光學系統的排布問題。

本發明是通過以下技術方案來實現：

一種立式銑床中切削應力波的可視化實驗裝置，包括光學系統、裝夾系統和銑削系統；

所述光學系統包括反射鏡，水平設置的光源，以及沿豎直方向依次從下往上同軸設置的磨砂玻璃、起偏鏡、檢偏鏡和高速攝像機；檢偏鏡設置在高速攝像機鏡頭前端；

所述銑削系統包括加工工件和立式銑床；加工工件采用具有人工雙折射特性的透明光彈性材料制成；立式銑床主軸與加工工件垂直，且沿加工工件平面方向進給；

所述裝夾系統包括裝夾體；加工工件固定在裝夾體上端，磨砂玻璃和起偏鏡設置在裝夾體上；