一种基于霍普金森压杆加载技术的高速约束切削实验装置

摘要

本发明公开了一种基于霍普金森压杆加载技术的高速约束切削实验装置，包括：Hopkinson压杆动力加载机构，用于推动子弹以预定的速度沿预定的轨道运动；激光测速机构，用于测量子弹撞击约束切削机构前的运动速度；约束切削机构，用于对待加工的工件进行不同塑性变形程度的约束切削；约束切削滑道机构，用于给定约束切削的速度方向；固定机构，用于固定待加工的工件；切削停止机构，用于停止约束切削过程。通过调节Hopkinson压杆的轻气枪压力大小和子弹在加速身管的初始位置来获得不同的切削速度，再通过调节约束切削机构中刀具与约束装置之间的间距可以获得不同的塑性变形程度，利用该装置可以研究材料在不同应变率和不同塑性变形程度下，材料内部微结构演化规律。

说明书

技术领域

本发明用于纳米材料制备领域，尤指一种基于霍普金森（Hopkinson）压 杆加载技术的高速约束切削实验装置。

背景技术

材料在严重塑性变形条件下，材料内部晶粒能够得到细化，甚至可以产 生超细晶粒或者纳米晶粒；这种超细晶粒或者纳米晶粒材料具有许多优异的 力学性能，如：高强度、高断裂韧性和提高塑性等。

塑性变形程度直接影响着材料晶粒细化程度，进而影响材料的力学性能。 为了得到应用于不同工况下的具有不同力学性能的材料，就要求弄清塑性变 形程度是如何影响材料微观组织结构的，进而如何影响材料力学性能的。

目前，关于塑性变形程度在材料的微结构演化中扮演的角色还不清楚， 这严重制约了超细晶粒或者纳米晶粒材料的发展。为了更好地理解塑性变形 程度在超细晶粒或者纳米晶粒材料生产中的作用，急需发展有效的实验手段 来研究材料在不同塑性变形程度下的微结构演化规律。

传统的严重塑性变形方法有等通道挤压、高压扭转、累积轧合和往复挤 压。这些严重塑性变形方法需要多次塑性变形过程才能在材料内部产生大的 塑性变形；对于一些高强度和高硬度的材料，不能利用这些传统的严重塑性 变形方法在室温下对材料产生严重塑性变形。自由切削作为一种产生严重塑 性变形的方法，能够在一次变形过程中产生严重塑性变形。自由切削实验主 要是在车床上展开的，由于车床上切削速度较小，不能进行研究材料在高应 变率条件下的微结构演化规律。自由切削无法有效地切削过程中的塑性变形 程度进行控制。因此，车床上的自由切削装置无法用来研究材料在高应变率 和不同塑性变形程度下的微结构演化规律。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于霍普金森压 杆加载技术的高速约束切削实验装置，能够实现高应变率和不同塑性变形程 度下的约束切削实验。

为了实现上述目的，本发明的一种基于霍普金森压杆加载技术的高速约 束切削实验装置包括：

Hopkinson压杆动力加载机构，用于推动子弹以预定的速度沿预定的轨道 运动；

激光测速机构，用于测量子弹撞击约束切削机构前的运动速度；

约束切削机构，用于对待加工的工件进行不同塑性变形程度的约束切削；

约束切削滑道机构，用于给定约束切削的速度方向；

固定机构，用于固定待加工的工件；

切削停止机构，用于停止约束切削过程；

其中，Hopkinson压杆动力加载机构、激光测速机构、约束切削机构、约 束切削滑道机构、固定机构和切削停止机构沿一轴线依次排开。

进一步，所述的Hopkinson压杆动力加载机构包括轻气枪和加速身管， 轻气枪与加速身管相连。

进一步，所述的激光测速机构包括激光触发器和时间显示器。

进一步，所述的子弹安装于所述的加速身管内，经过轻气枪加载推动子 弹在所述加速身管中加速并达到预定的飞行速度，最后从所述加速身管出口 发射出去；在所述的激光测速机构处测出子弹撞击约束切削机构前的速度。

进一步，所述的约束切削机构包括刀具、约束装置和约束厚度垫片；刀 具、约束装置和约束厚度垫片固定在切削支座上。

进一步，所述的约束切削滑道机构包括切削支座和切削滑道；子弹撞击 切削支座带动刀具沿着切削滑道方向约束切削待加工的工件。

进一步，所述的固定机构上安装一个待加工的工件，根据所需的切削深 度来调节待加工工件的位置。

进一步，根据所述轻气枪的气压大小和子弹在加速身管中的初始位置调 整所述切削机构的约束切削速度。

进一步，根据所述的约束厚度垫片的厚度大小来调整约束切削的塑性变 形程度。

进一步，所述的切削停止机构包括切削尾座和切削支座；切削尾座撞击 切削滑道后，就随同切削支座一起停止运动，以达到对约束切削过程的终止。

进一步，所述的固定机构上还设置有用于观测工件约束切削过程的摄像 系统。

进一步，所述的刀具、待加工工件和固定机构上设置有用于检测约束切 削过程中的切削力和切削温度的传感器。

本发明具有以下优点：

1）通过调节轻气枪的气压大小和子弹的初始位置可以获得1~30m/s的切 削速度范围，能够实现高应变率下约束切削实验。

2）通过调节约束厚度垫片的厚度大小来调整约束切削过程的塑性变形程 度，实现不同的约束切削塑性变形程度。

3）当约束厚度垫片的厚度足够大时，约束装置对切屑的形成无影响，即 可以实现高速自由切削实验。

4）整个过程速度快、历时短，加之冲击能量远大于切削所需能量，约束 切削过程可视为稳态过程。

5）本实验装置可通过安装高速摄像装置捕获高速约束切削的瞬态图像。

6）本发明安全可靠，可在刀具和工件及夹持装置上安装传感器，有利于 高速切削过程中切削力和切削温度等参数的测试。

附图说明

图1为约束切削装置示意图；

图2为图1中A部分的局部放大示意图；

图3为图1的俯视图；

图4为图1的正视图。

图中主要元件说明：1、轻气枪；2、加速身管；3、固定支座；4、子弹； 5、激光测速器；6、高精度升降台；7、切削尾座；8、切削支座；9、切削滑 道；10、工件夹持装置；11、刀具固定装置；12、刀具；13、约束装置；14、 约束厚度垫片；15、高精度定位装置；16、工件。

具体实施方式

本发明的一种基于霍普金森（Hopkinson）压杆加载技术的高速约束切削 实验装置，包括：Hopkinson压杆动力加载机构、激光测速机构、约束切削机 构、约束切削滑道机构、固定机构和切削停止机构。Hopkinson压杆动力加载 机构，用于推动子弹以预定的速度沿预定的轨道运动；激光测速机构，用于 测量子弹撞击约束切削机构前的运动速度；约束切削机构，用于对待加工的 工件进行不同塑性变形程度的约束切削；约束切削滑道机构，用于给定约束 切削的速度方向；固定机构，用于固定待加工的工件；切削停止机构，用于 停止约束切削过程。其中，Hopkinson压杆动力加载机构、激光测速机构、约 束切削机构、约束切削滑道机构、固定机构和切削停止机构沿一轴线依次排 开。

在本发明中，Hopkinson压杆动力加载机构包括轻气枪和加速身管，轻气 枪与加速身管相连，通过调节轻气枪的气压大小和子弹的初始位置可以获得 1~30m/s的切削速度范围；约束切削机构包括刀具、约束装置和约束厚度垫片， 刀具、约束装置和约束厚度垫片固定在切削支座上，通过调节约束厚度垫片 的厚度大小来调整约束切削过程的塑性变形程度，实现不同的约束切削塑性 变形程度。

下面结合附图进一步对本发明的各个机构进行说明。

如图1、2、3、4所示，本发明的整个实验装置基于Hopkinson压杆加载 技术搭建，主要包括可提供撞击速度达30m/s的轻气枪1，口径14mm和长2 m的加速身管2，子弹4，激光测速器5，刀具12，约束装置13，约束厚度垫 片14，工件高精度定位装置15和工件16。轻气枪1和加速身管2相连，实 验中调节轻气枪1内气压的大小和子弹在加速身管2中的初始位置来控制约 束切削的速度大小。

子弹4可以在加速身管2中自由的滑动，通过轻气枪1发射子弹4，子 弹4沿着加速身管加速运行，穿过激光测速器5测出子弹4撞击约束切削装 置前的速度大小。

为了防止约束切削装置在切削材料过程中晃动，设置了一个切削滑道9， 子弹4撞击约束切削底座7后，带动切削支座8在切削滑道中运动，并且最 终推动刀具12对工件材料16进行约束切削操作。切削滑道9的高低可以通 过高精度升降台6来调节，使得加速身管2和约束切削装置在同一轴线上。

调节刀具12和约束装置13之间的间隙大小，即调整约束厚度垫片14的 厚度大小，可以实现不同塑性变形程度的约束切削实验。刀具12、约束装置 13和约束厚度垫片14都固定在切削支座8上，由切削支座8带动来实现对工 件16的不同塑性变形程度的约束切削。

待加工工件13安装在高精度定位装置15中，并且一起固定在工件夹持 装置10上，通过调节高精度定位装置15可以实现不同切削深度的切削实验。

切削支座8后面设置有切削尾座7，通过切削尾座7与切削滑道9的撞 击来实现对约束切削过程的终止，从而可以对约束切削实验过程中得到的切 屑形貌进行收集和实验观察。

整套装置安装于固定支座3上，安装时保证加速身管2、子弹4、刀具 12、约束装置13和工件16在水平并且位于同一轴线上。

上述装置所获得的切削速度与轻气枪高压气室的气压大小和子弹初始位 置有关。高压气室的气压越大或者子弹在加速身管中的加速距离越长，所获 得的切削速度就越高。约束切削的塑性变形程度与刀具和约束装置间的间距 大小有关，刀具和约束装置间的间距越大，所获得的塑性变形程度就越小， 当刀具和约束装置间的间距大到一定程度时，约束装置就不起作用了，这时 就相当于自由切削情况了。

实施例子1

整个装置安装于固定支座3上，使得整个装置都位于同一轴线上，具体 实施步骤如下：

如图1、2所示，将厚度为4mm、前刀面倾角为0°、后刀面倾角为5 °的刀具12与厚度为4mm的约束装置13固定在切削支座8上。整个切削装 置的质量为600g。在切削滑道9内壁涂上润滑油保证约束切削装置能够自由 地在切削滑道9内滑动，以便于调节工件16与约束切削装置的相对位置（切 削深度）。

将子弹4塞入至加速身管2的底部，调节轻气枪1的气压值，使其气压 大小为0.55MPa。

调节刀具12和约束装置13间的距离，选择厚度为50um的约束厚度垫 片，把其放在刀具12和约束装置13之间，并且一起固定在切削支座上。

加工一个长40mm、宽30mm、厚2mm的工件16，并将工件16安装在 高精度定位装置15中，通过调节高精度定位装置15使工件16的切削厚度设 置为100um，最后把工件16和高精度定位装置固定在工件夹持装置10上。

轻气枪1发射，子弹4经加速后通过激光测速器5测速显示出子弹运动 速度14.25m/s。随后，子弹4撞击约束切削装置带动刀具12和约束装置13 约束切削工件16。通过动量守恒和能量守恒换算出实际的切削速度为11.40 m/s。切削尾部7撞击切削滑道9后，约束切削过程终止，收集切屑并进行镶 样、抛光、腐蚀，在光学显微镜下观察，得到约束切削的切屑实际厚度为50 um。

通过约束切削剪切应变公式和剪切应变率公式，得到约束厚度为50um 时的剪切应变为2.5，剪切应变率为1.14×10⁶。

实施例子2

在保持实施例子1中其余参数基本不变的情况下，改变约束厚度垫片的 厚度为100um，最终可实现剪切应变为2，剪切应变率约为1×10⁶。

实施例子3

在保持实施例子1中其余参数基本不变的情况下，改变约束厚度垫片的 厚度为150um，最终可实现剪切应变为2.17，剪切应变率约为1×10⁶。

实施例子4

在保持实施例子1中其余参数基本不变的情况下，改变约束厚度垫片的 厚度为20um，最终可实现剪切应变为5.2，剪切应变率约为1×10⁶。

需要指出的是本发明的各部件的结构参数和位置关系并不局限于以上实 施例子，可以根据实际的实验需要作出相应的调整。根据本发明具体实施方 式所做出的任何变形，均不脱离本发明的精神以及权力要求记载的范围。