基于落锤冲击实验机的高速切削实验装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于金属切削领域，具体地，涉及一种基于落锤冲击实验机的高速切削实 验装置。
【背景技术】
[0002] 先进制造技术被视为提高产业竞争和增强综合国力的根本保证，而高速切削是集 高效、优质、低耗于一身的先进制造技术，是切削加工技术的发展方向，具有广阔的应用前 景。高速切削机理是高速切削技术应用和发展的理论基础，对我国制造产业的发展起着举 足轻重的指导作用。但是，当前对高速切削理论的研究严重滞后于工程应用，至今尚未形成 比较完整的理论体系，这种状况已经严重制约了我国国民经济的快速发展。为了更好地理 解高速切削机理，急需发展有效的高速切削实验装置来研究高速切削过程中的相关机理及 规律。
[0003] 目前切削实验主要在车床上进行，车床加工所实现的切削速度一般在几米每秒， 很难实现几十甚至几百米每秒的高速切削。要获得较高的切削速度，车床的主轴转速要求 必须很高，但由于安全及技术原因，目前一般机床主轴转速都不是很高。另外在车床加工 中，工件的直径通常比较小，这也使得利用车床加工所获取的线切削速度往往较低，很难达 到高速切削所需的要求。更为重要的是，在主轴转速大范围改变的情况下，车床加工往往会 出现共震现象，导致机床剧烈颤震，从而难以获得稳态的高速切削过程。目前，也有研究人 员通过轻气炮或Hopkinson压杆等气动加载装置来实现高速切削。但是，利用气动加载需要 通过调整气压大小来调节切削速度，而气压大小很难精确调节，这使得切削速度不好精确 控制。更为重要的是，气动加载时高压气体的爆轰过程会引起整个实验装置的震动。这种震 动会影响切削精度，同时会诱发锯齿状切肩的形成，从而影响高速切削机理的研究。因此， 目前急需一种有效的装置来实现高速切削，同时避免由于高速加载而引起的震动。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于落锤冲击实验机的高速切削实验 装置，在实现高速正交切削的同时避免由于高速加载而引起的震动，同时可以完成切削力 的高频测量。
[0005] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0006] 基于落锤冲击实验机的高速切削实验装置，包括:落锤冲击实验机、变速单元、减 程单元、切削单元和回收单元;落锤冲击实验机、减程单元、切削单元和回收单元沿同一方 向依次分布;变速单元的动滑轮和定滑轮固定在落锤冲击实验机上，落锤冲击实验机的落 锤和减程单元的滚轮经由绕过滑轮的钢丝绳相连;减程单元的轮架和切削单元的滑杆通过 牵引钢丝绳相连;切削单元的滑杆和回收单元的固定墩通过钢索相连。
[0007] 与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
[0008] 1、能够实现高速正交切削实验，同时避免了由于高速加载而引起的震动问题。
[0009] 2、利用梁式刀架和光纤光栅测量切削力，方便快捷，具有抗干扰能力强、测量精度 高、采集频率超高的特点，特别适用于捕捉锯齿状切肩形成过程中切削力的高频波动情况， 为高速切削机理研究提供基础。
【附图说明】
[0010] 图1为基于落锤冲击实验机的高速切削实验装置示意图；
[0011] 图2为减程单元、切削单元和回收单元局部三维示意图；
[0012] 图3为切削单元三维示意图；
[0013]图中：1、落锤冲击实验机；101、机座框架；102、导轨；103、落锤；2、变速单元;201、 定滑轮；202、动滑轮；203、钢丝绳；204、定向轮；3、减程单元；301、底座；302、滑道；303、滚 轮;304、轮架;4、切削单元;401、牵引钢丝绳;402、滑行支座;403、滑槽;404、滑杆;405、导向 键;406、工件;407、刀架支座;408、刀架;409、刀具;410、光栅;411、光纤;412、光栅光纤动态 解调仪;413、计算机;5、回收单元;501、固定墩;502钢索。
【具体实施方式】
[0014] 如图1所示，基于落锤冲击实验机的高速切削实验装置，包括:落锤冲击实验机1、 变速单元2、减程单元3、切削单元4和回收单元5;落锤冲击实验机1、减程单元2、切削单元4 和回收单元5沿同一方向依次分布;变速单元2的动滑轮和定滑轮固定在落锤冲击实验机1 上，落锤冲击实验机1的落锤和减程单元3的滚轮经由绕过滑轮的钢丝绳相连;减程单元的 轮架和切削单元的滑杆通过牵引钢丝绳相连;切削单元的滑杆和回收单元的固定墩通过钢 索相连;落锤冲击实验机的落锤通过自由落体运动，经由滑轮组拖拽盘绕在滚轮上的钢丝 绳，使滚轮在轮架内自由转动；当落锤下落到一定距离并拥有相当速度时，钢丝绳被拉紧绷 直，进而拉动轮架以及与之相连的滑杆，使轮架和滑杆分别沿滑道和滑槽高速滑行;滑杆在 高速滑行过程中携带工件撞击固定于梁式刀架上的刀具，从而实现高速正交切削，切削过 程中的切削力由梁式刀架上安装的光栅光纤测力系统测量;切削完成后滑杆被回收单元的 钢索拖拽进而减速停止。
[0015] 落锤冲击试验机1用于实施高速牵引加载，包括:机座框架101、导轨102、落锤103、 升降机构和数控设备;机座框架101固定在地面上，机座框架101包括上横梁和下横梁，两根 平行的导轨102垂直安装于机座框架101的上横梁和下横梁之间；落锤103嵌装在导轨上，可 沿导轨上下自由滑动;落锤103具有相当大的质量，实验前落锤103由升降机构抬升到一定 高度，实验过程中落锤103自由下落，当下落到最低点时具有较高的速度和动能，由此可以 提供高速牵引载荷;落锤冲击试验机的操作和数据采集由数控设备控制。
[0016] 变速单元2用于连接落锤和减程单元，使减程单元的轮架在落锤的牵引下高速滑 动，其主要包括N+1个定滑轮201、N个动滑轮202、钢丝绳203和定向轮204;定滑轮201安装在 机座框架101的上横梁上，动滑轮202安装在落锤103上，定滑轮201和动滑轮202位于同一平 面;钢丝绳203的一端固定在机座框架101的横梁上，另一端在依次交替绕过定滑轮201和动 滑轮202后由定向轮204牵引至减程单元的滚轮303;经过滑轮组变速后，钢丝绳203的末端 线速度和移动距离均为落锤的2N倍；
[0017] 减程单元3用于减少工件的滑动距离，节省实验空间，包括:底座301、滑道302、滚 轮303和轮架304;底座301、滑道302、滚轮303和轮架304在落锤冲击试验机的一侧沿同一轴 线对称分布，其对称轴落于变速单元的钢丝绳所在平面内；底座301固定在地面上，两个滑 道302对称布置于底座301的中上部;滚轮303安装在轮架304上，滚轮303可在轮架304内自 由转动;轮架304装嵌在滑道内，可携带滚轮303沿滑道滑行;轮架304和滑道302之间设置卡 簧，只有当轮架304受一定大小的拉力作用时卡簧才会松开，此时轮架304才能沿滑道302滑 行;轮架304上设有定向孔，变速单元的钢丝绳203穿过定向孔后固定在滚轮303的中心位 置;滚轮303上安装有可拆卸式手柄，在实验前通过旋转手柄使钢丝绳203盘绕在滚轮303 上，从而大幅缩短滑道长度，节省实验空间；实验过程中，当落锤103下落到一定距离并拥有 相当速度时，盘绕在滚轮上的钢丝绳被拉紧绷直，进而拉动轮架，使其沿滑道高速前行。
[0018] 切削单元4用于实现高速正交切削并测量切削力，包括:牵引钢丝绳401、滑行支座 402、滑槽403、滑杆404、导向键405、工件406、刀架支座407、梁式刀架408、刀具409、光栅 410、光纤411、光栅光纤动态解调仪412和计算机413;滑行支座402固定在地面上，两个滑槽 403沿轴线对称布置于滑行支座的上部，并贯穿整个滑行支座;滑杆404通过导向键405安装 在滑槽403内，可沿滑槽水平滑动；滑杆404的前方设置有一个槽口，工件406固定于该槽口 内；滑杆404的前端通过牵连钢丝绳401与减程单元的轮架304相连；当落锤103下落到一定 距离时，减程单元的轮架304经由钢丝绳被落锤拖拽进而高速前行，与之相连的滑杆404也 随之携带工件406沿滑槽403高速前行;切削单元的两个刀架支座407位于底座301和滑行支 座402之间，对称固定在滑杆404的运行路线的正前方;梁式刀架408固定在刀架支座407上， 刀具409安装在梁式刀架408的前端，刀具409的前刀面安置在梁式刀架408的纵向对称面 上;刀具409可沿梁式刀架408的轴线滑动，从而调整切削厚度;刀具409与工件406之间的距 离可调，确保落锤103在落地之后工件406才开始撞击刀具409,从而保证切削过程为匀速过 程;梁式刀架408的两端为圆形截面梁，中间为方形截面梁;方形截面梁为测试