一种可观察动态金属切削过程的实验装置

摘要

本发明涉及一种实验装置，特别适用于一种可观察动态金属切削过程的实验装置。该实验装置的机架由方钢管焊接而成，分上中下三层；上层主要包括直线导轨、滑块、工作台、龙门架、刀架、刀具、工件、显微摄像机、计算机和显示器；中层主要包括摆针式行星轮减速器、带轮、丝杠螺母；下层主要包括变频器、电动机、摆针式行星轮减速器、带轮。通过变频器改变电动机频率最终改变工作台移动速度。当刀具切削工件时，用显微摄像机进行拍摄，并通过计算机实时显示出来，还可进行拍照或录像。通过本发明的实施，可观察到动态的金属切削过程，现象明显，耗时短，该实验装置操作简单、成本低廉。

说明书

 

一、技术领域：本发明涉及一种实验装置，特别适用于一种可观察动态切削层变形过程的实验装置。

二、背景技术：金属切削过程是在刀具作用下，被加工材料发生变形的过程，也是切削层金属在切削力的作用下形成切屑的过程。切削层金属的变形大致可划分为三个区域：第一变形区，第二变性区和第三变性区，其中最重要的是第一变形区，也称为剪切区。在此区域，金属沿滑移线作剪切变形，晶粒会伸长，而后与基体分离，并沿前刀面移动，形成切屑。而由于工件材料和切削条件的不同，切削过程中生成的切屑形状有带状、节状、粒状和崩碎状四种类型。此外，在切削速度不高而又能产生带状切屑的情况下，加工一般钢料或铝合金等塑性材料时，还经常会在前刀面切削出粘着一块断面呈三角状的硬块，称为积屑瘤，可见金属切削过程是非常复杂的过程。

在教学和科研中，需要对金属切削过程进行观察。目前，可以采用的方法有侧面变形观察法、高速摄影法、快速落刀法、在线瞬态体视摄影系统、扫描电镜显微观察法、光弹性光塑性试验法等。其中，侧面变形观察法是较简便的方法，但都是通过改造铣床实现的，包括铣床在内的整个实验系统成本接近10万元，用于科研已是很难接受，更不用说用于教学。快速落刀法，虽然成本较低，但实验难度较高、成功率较低，实验过程要有切削、试件制作、镶嵌、抛光、腐蚀、显微镜观测等，步骤繁琐，耗时长，最大的缺点是静态观测，故此不适宜实验教学。

综上，本发明给出了一种可观察动态金属切削过程的实验装置，成本低廉，可一边切削，一边观察，现象明显，效果很好。

三、发明内容：

1、发明目的：本发明提供一种可观察动态金属切削过程的实验装置，其目的是降低成本，缩短实验耗时，提高实验效果，方便操作。

2、技术方案：本发明是按照以下技术方案实施的：

一种可动态观察切削层变形过程的实验装置，其特征在于：该实验装置的机架由方钢管焊接而成，分为上、中、下三层，上层的主要结构为：在操作台面上设有导轨，导轨上设有可移动的工作台，一个龙门架跨在导轨上，刀具和显微摄像机设置在龙门架上，计算机和显示器通过连线与显微摄像机和实验装置的操控部分连接，实现摄像和加工过程的控制；中层的主要结构为：丝杠、丝杠联轴器、第二摆针式行星轮减速器与上皮带轮连接；下层的主要结构为：变频器、电动机、电动机联轴器通过第一摆针式行星轮减速器与下皮带轮连接；连接板和螺母将中层的丝杠与上层的工作台连接；V型带将中层的上皮带轮与下层的下皮带轮连接。

龙门架正面安装有刀架，并能调节刀具的高度，调节范围为0mm~20mm；侧面安装有显微摄像机架，其上还安装有显微摄像机，并能上下和左右两个方向调节显微摄像机位置，上下调节范围为0mm~50mm，左右调节范围为0mm~100mm。

工作台与导轨之间设有滑块，工作台上设有台钳。

位于导轨上的两端设有左限位触点和右限位触点。

工作台的移动速度为1mm/min~20mm/min。

3、优点及效果：通过本发明的实施，可观察到动态的金属切削过程，现象明显，该实验装置操作简单、成本低廉。

四、附图说明；

图1为实验装置示意图。 

图2为实验装置上层左视图。

图中，标注1—机架；2—左轴承座；3—左限位触点；4—导轨；5—滑块；6—工作台；7—台钳；8—工件；9—刀具；10—刀架；11—龙门架；12—显微摄像机架；13—计算机和显示器；14—上皮带轮；15—V型带；16—下皮带轮；17—第一摆针式行星轮减速器；18—电动机联轴器；19—电动机；20—变频器；21—连接板；22—螺母；23—丝杠；24—右限位触点；25—右轴承座；26—丝杠联轴器；27—第二摆针式行星轮减速器；28—显微摄像机。

五、具体实施方式：

一种可观察动态金属切削过程的实验装置，其特征在于：机架1由方钢管焊接而成，分为上、中、下三层。

上层包括：左限位触点3、导轨4、滑块5、工作台6、台钳7、工件8、刀具9、刀架10、龙门架11、显微摄像机架12、计算机和显示器13、右限位触点24、显微摄像机28。

中层包括：左轴承座2、上皮带轮14、螺母22、丝杠23、右轴承座25、丝杠联轴器26；第二摆针式行星轮减速器27。

下层包括：下皮带轮16、第一摆针式行星轮减速器17、电动机联轴器18、电动机19、变频器20。

台钳7固定在工作台6上，用于夹紧工件8。

位于上层的工作台6通过连接板21与位于中层的螺母22相连；位于中层的上皮带轮14通过V型带15与位于下层的下皮带轮16相连。

变频器20使用三相380V电源，3根火线，1根地线。通过变频器20改变电动机19的工作频率，从而改变电动机19的转速，最终使工作台6的移动速度为1mm/min~20mm/min。

龙门架11正面安装有刀架10，并能调节刀具9的高度，调节范围为0mm~20mm；侧面安装有显微摄像机架12，其上还安装有显微摄像机28，并能上下和左右两个方向调节显微摄像机28位置，上下调节范围为0mm~50mm，左右调节范围为0mm~100mm。

显微摄像机28通过数据线与计算机和显示器13相连，可将拍摄的图像实时显示出来。

采用高速钢刀具切削铝板进行实验，此时，高速钢刀具即为刀具9，铝板即为工件8。

首先，将铝板固定在台钳7上，将高速钢刀具固定在刀架10上。

然后，通过变频器20启动电动机19，使工作台6低速移动，直到铝板边缘靠近刀具时，停机。

接下来，调整显微摄像机28的位置，使铝板边缘和高速钢刀具切削刃都进入视野，通过屏幕显示，调整高速钢刀具的高度，使刀具能够切到铝板，切削深度调整为0.1mm~0.2mm。

而后，再次通过变频器20启动电动机19，使工作台按10mm/min速度移动，当铝板表层被切下来形成切屑时，即可拍照或录像，附件1为刀具照片，附件2为金属切削过程照片。

当工作台6向左移动时，若滑块接触到左限位触点3，则通过变频器20使电动机19停止转动，最终使工作台6停止移动。

当工作台6向右移动时，若滑块接触到右限位触点24，则也可通过变频器20使电动机19停止转动，最终使工作台6停止移动。

在实质审查请求书的附件中所显示的是本发明在使用中的照片，作为实审的参考资料，材料中的附件1为刀具照片，附件2为金属切削过程照片，从照片中能够看到刀具在切割时的清楚图像。