專利名稱：一種基于霍普金森壓桿加載技術(shù)的高速約束切削實(shí)驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明用于納米材料制備領(lǐng)域,尤指一種基于霍普金森(Hopkinson)壓桿加載技術(shù)的高速約束切削實(shí)驗(yàn)裝置。
背景技術(shù)：
材料在嚴(yán)重塑性變形條件下，材料內(nèi)部晶粒能夠得到細(xì)化，甚至可以產(chǎn)生超細(xì)晶?；蛘呒{米晶粒；這種超細(xì)晶?；蛘呒{米晶粒材料具有許多優(yōu)異的力學(xué)性能，如:聞強(qiáng)度、高斷裂韌性和提高塑性等。塑性變形程度直接影響著材料晶粒細(xì)化程度，進(jìn)而影響材料的力學(xué)性能。為了得到應(yīng)用于不同工況下的具有不同力學(xué)性能的材料，就要求弄清塑性變形程度是如何影響材料微觀組織結(jié)構(gòu)的，進(jìn)而如何影響材料力學(xué)性能的。目前，關(guān)于塑性變形程度在材料的微結(jié)構(gòu)演化中扮演的角色還不清楚，這嚴(yán)重制約了超細(xì)晶?；蛘呒{米晶粒材料的發(fā)展。為了更好地理解塑性變形程度在超細(xì)晶?；蛘呒{米晶粒材料生產(chǎn)中的作用，急需發(fā)展有效的實(shí)驗(yàn)手段來(lái)研究材料在不同塑性變形程度下的微結(jié)構(gòu)演化規(guī)律。傳統(tǒng)的嚴(yán)重塑性變形方法有等通道擠壓、高壓扭轉(zhuǎn)、累積軋合和往復(fù)擠壓。這些嚴(yán)重塑性變形方法需要多次塑性變形過(guò)程才能在材料內(nèi)部產(chǎn)生大的塑性變形；對(duì)于一些高強(qiáng)度和高硬度的材料，不能利用這些傳統(tǒng)的嚴(yán)重塑性變形方法在室溫下對(duì)材料產(chǎn)生嚴(yán)重塑性變形。自由切削作為一種產(chǎn)生嚴(yán)重塑性變形的方法，能夠在一次變形過(guò)程中產(chǎn)生嚴(yán)重塑性變形。自由切削實(shí)驗(yàn)主要是在車(chē)床上展開(kāi)的，由于車(chē)床上切削速度較小，不能進(jìn)行研究材料在高應(yīng)變率條件下的微結(jié)構(gòu)演化規(guī)律。自由切削無(wú)法有效地切削過(guò)程中的塑性變形程度進(jìn)行控制。因此，車(chē)床上的自由切削裝置無(wú)法用來(lái)研究材料在高應(yīng)變率和不同塑性變形程度下的微結(jié)構(gòu)演化規(guī)律。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于霍普金森壓桿加載技術(shù)的高速約束切削實(shí)驗(yàn)裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)高應(yīng)變率和不同塑性變形程度下的約束切削實(shí)驗(yàn)。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一種基于霍普金森壓桿加載技術(shù)的高速約束切削實(shí)驗(yàn)裝置包括:Hopkinson壓桿動(dòng)力加載機(jī)構(gòu),用于推動(dòng)子彈以預(yù)定的速度沿預(yù)定的軌道運(yùn)動(dòng)；激光測(cè)速機(jī)構(gòu)，用于測(cè)量子彈撞擊約束切削機(jī)構(gòu)前的運(yùn)動(dòng)速度；約束切削機(jī)構(gòu)，用于對(duì)待加工的工件進(jìn)行不同塑性變形程度的約束切削；約束切削滑道機(jī)構(gòu)，用于給定約束切削的速度方向；固定機(jī)構(gòu)，用于固定待加工的工件；切削停止機(jī)構(gòu)，用于停止約束切削過(guò)程；其中，Hopkinson壓桿動(dòng)力加載機(jī)構(gòu)、激光測(cè)速機(jī)構(gòu)、約束切削機(jī)構(gòu)、約束切削滑道機(jī)構(gòu)、固定機(jī)構(gòu)和切削停止機(jī)構(gòu)沿一軸線依次排開(kāi)。進(jìn)一步,所述的Hopkinson壓桿動(dòng)力加載機(jī)構(gòu)包括輕氣槍和加速身管,輕氣槍與加速身管相連。進(jìn)一步，所述的激光測(cè)速機(jī)構(gòu)包括激光觸發(fā)器和時(shí)間顯示器。進(jìn)一步，所述的子彈安裝于所述的加速身管內(nèi)，經(jīng)過(guò)輕氣槍加載推動(dòng)子彈在所述加速身管中加速并達(dá)到預(yù)定的飛行速度，最后從所述加速身管出口發(fā)射出去；在所述的激光測(cè)速機(jī)構(gòu)處測(cè)出子彈撞擊約束切削機(jī)構(gòu)前的速度。進(jìn)一步，所述的約束切削機(jī)構(gòu)包括刀具、約束裝置和約束厚度墊片；刀具、約束裝置和約束厚度墊片固定在切削支座上。進(jìn)一步，所述的約束切削滑道機(jī)構(gòu)包括切削支座和切削滑道；子彈撞擊切削支座帶動(dòng)刀具沿著切削滑道方向約束切削待加工的工件。進(jìn)一步，所述的固定機(jī)構(gòu)上安裝一個(gè)待加工的工件，根據(jù)所需的切削深度來(lái)調(diào)節(jié)待加工工件的位置。進(jìn)一步，根據(jù)所述輕氣槍的氣壓大小和子彈在加速身管中的初始位置調(diào)整所述切削機(jī)構(gòu)的約束切削速度。進(jìn)一步，根據(jù)所述的約束厚度墊片的厚度大小來(lái)調(diào)整約束切削的塑性變形程度。進(jìn)一步，所述的切削停止機(jī)構(gòu)包括切削尾座和切削支座；切削尾座撞擊切削滑道后，就隨同切削支座一起停止運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到對(duì)約束切削過(guò)程的終止。進(jìn)一步，所述的固定機(jī)構(gòu)上還設(shè)置有用于觀測(cè)工件約束切削過(guò)程的攝像系統(tǒng)。進(jìn)一步，所述的刀具、待加工工件和固定機(jī)構(gòu)上設(shè)置有用于檢測(cè)約束切削過(guò)程中的切削力和切削溫度的傳感器。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):I)通過(guò)調(diào)節(jié)輕氣槍的氣壓大小和子彈的初始位置可以獲得f 30m/s的切削速度范圍，能夠?qū)崿F(xiàn)高應(yīng)變率下約束切削實(shí)驗(yàn)。2)通過(guò)調(diào)節(jié)約束厚度墊片的厚度大小來(lái)調(diào)整約束切削過(guò)程的塑性變形程度，實(shí)現(xiàn)不同的約束切削塑性變形程度。3)當(dāng)約束厚度墊片的厚度足夠大時(shí)，約束裝置對(duì)切屑的形成無(wú)影響，即可以實(shí)現(xiàn)高速自由切削實(shí)驗(yàn)。4)整個(gè)過(guò)程速度快、歷時(shí)短，加之沖擊能量遠(yuǎn)大于切削所需能量，約束切削過(guò)程可視為穩(wěn)態(tài)過(guò)程。5)本實(shí)驗(yàn)裝置可通過(guò)安裝聞速攝像裝置捕獲聞速約束切削的瞬態(tài)圖像。6)本發(fā)明安全可靠，可在刀具和工件及夾持裝置上安裝傳感器，有利于高速切削過(guò)程中切削力和切削溫度等參數(shù)的測(cè)試。


圖1為約束切削裝置示意圖；圖2為圖1中A部分的局部放大示意圖；圖3為圖1的俯視圖；圖4為圖1的正視圖。
圖中主要元件說(shuō)明:1、輕氣槍；2、加速身管；3、固定支座；4、子彈；5、激光測(cè)速器；
6、高精度升降臺(tái)；7、切削尾座；8、切削支座；9、切削滑道；10、工件夾持裝置；11、刀具固定裝置；12、刀具；13、約束裝置；14、約束厚度墊片；15、高精度定位裝置；16、工件。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的一種基于霍普金森(Hopkinson)壓桿加載技術(shù)的高速約束切削實(shí)驗(yàn)裝置，包括=Hopkinson壓桿動(dòng)力加載機(jī)構(gòu)、激光測(cè)速機(jī)構(gòu)、約束切削機(jī)構(gòu)、約束切削滑道機(jī)構(gòu)、固定機(jī)構(gòu)和切削停止機(jī)構(gòu)。Hopkinson壓桿動(dòng)力加載機(jī)構(gòu),用于推動(dòng)子彈以預(yù)定的速度沿預(yù)定的軌道運(yùn)動(dòng)；激光測(cè)速機(jī)構(gòu)，用于測(cè)量子彈撞擊約束切削機(jī)構(gòu)前的運(yùn)動(dòng)速度；約束切削機(jī)構(gòu)，用于對(duì)待加工的工件進(jìn)行不同塑性變形程度的約束切削；約束切削滑道機(jī)構(gòu)，用于給定約束切削的速度方向；固定機(jī)構(gòu)，用于固定待加工的工件；切削停止機(jī)構(gòu)，用于停止約束切削過(guò)程。其中，Hopkinson壓桿動(dòng)力加載機(jī)構(gòu)、激光測(cè)速機(jī)構(gòu)、約束切削機(jī)構(gòu)、約束切削滑道機(jī)構(gòu)、固定機(jī)構(gòu)和切削停止機(jī)構(gòu)沿一軸線依次排開(kāi)。在本發(fā)明中，Hopkinson壓桿動(dòng)力加載機(jī)構(gòu)包括輕氣槍和加速身管，輕氣槍與加速身管相連，通過(guò)調(diào)節(jié)輕氣槍的氣壓大小和子彈的初始位置可以獲得f30m/s的切削速度范圍；約束切削機(jī)構(gòu)包括刀具、約束裝置和約束厚度墊片，刀具、約束裝置和約束厚度墊片固定在切削支座上，通過(guò)調(diào)節(jié)約束厚度墊片的厚度大小來(lái)調(diào)整約束切削過(guò)程的塑性變形程度，實(shí)現(xiàn)不同的約束切削塑性變形程度。下面結(jié)合附圖進(jìn)一步對(duì)本發(fā)明的各個(gè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明。如圖1、2、3、4所示，本發(fā)明的整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置基于Hopkinson壓桿加載技術(shù)搭建，主要包括可提供撞擊速度達(dá)30m/s的輕氣槍1，口徑14mm和長(zhǎng)2m的加速身管2，子彈4，激光測(cè)速器5，刀具12，約束裝置13，約束厚度墊片14，工件高精度定位裝置15和工件16。輕氣槍I和加速身管2相連，實(shí)驗(yàn)中調(diào)節(jié)輕氣槍I內(nèi)氣壓的大小和子彈在加速身管2中的初始位置來(lái)控制約束切削的速度大小。子彈4可以在加速身管2中自由的滑動(dòng)，通過(guò)輕氣槍I發(fā)射子彈4，子彈4沿著加速身管加速運(yùn)行，穿過(guò)激光測(cè)速器5測(cè)出子彈4撞擊約束切削裝置前的速度大小。為了防止約束切削裝置在切削材料過(guò)程中晃動(dòng)，設(shè)置了一個(gè)切削滑道9，子彈4撞擊約束切削底座7后，帶動(dòng)切削支座8在切削滑道中運(yùn)動(dòng)，并且最終推動(dòng)刀具12對(duì)工件材料16進(jìn)行約束切削操作。切削滑道9的高低可以通過(guò)高精度升降臺(tái)6來(lái)調(diào)節(jié)，使得加速身管2和約束切削裝置在同一軸線上。調(diào)節(jié)刀具12和約束裝置13之間的間隙大小，即調(diào)整約束厚度墊片14的厚度大小，可以實(shí)現(xiàn)不同塑性變形程度的約束切削實(shí)驗(yàn)。刀具12、約束裝置13和約束厚度墊片14都固定在切削支座8上，由切削支座8帶動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)工件16的不同塑性變形程度的約束切削。待加工工件13安裝在高精度定位裝置15中，并且一起固定在工件夾持裝置10上，通過(guò)調(diào)節(jié)高精度定位裝置15可以實(shí)現(xiàn)不同切削深度的切削實(shí)驗(yàn)。切削支座8后面設(shè)置有切削尾座7，通過(guò)切削尾座7與切削滑道9的撞擊來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)約束切削過(guò)程的終止，從而可以對(duì)約束切削實(shí)驗(yàn)過(guò)程中得到的切屑形貌進(jìn)行收集和實(shí)驗(yàn)觀察。
整套裝置安裝于固定支座3上，安裝時(shí)保證加速身管2、子彈4、刀具12、約束裝置13和工件16在水平并且位于同一軸線上。上述裝置所獲得的切削速度與輕氣槍高壓氣室的氣壓大小和子彈初始位置有關(guān)。高壓氣室的氣壓越大或者子彈在加速身管中的加速距離越長(zhǎng)，所獲得的切削速度就越高。約束切削的塑性變形程度與刀具和約束裝置間的間距大小有關(guān)，刀具和約束裝置間的間距越大，所獲得的塑性變形程度就越小，當(dāng)?shù)毒吆图s束裝置間的間距大到一定程度時(shí)，約束裝置就不起作用了，這時(shí)就相當(dāng)于自由切削情況了。實(shí)施例子I整個(gè)裝置安裝于固定支座3上，使得整個(gè)裝置都位于同一軸線上，具體實(shí)施步驟如下:如圖1、2所示，將厚度為4mm、前刀面傾角為0°、后刀面傾角為5°的刀具12與厚度為4mm的約束裝置13固定在切削支座8上。整個(gè)切削裝置的質(zhì)量為600g。在切削滑道9內(nèi)壁涂上潤(rùn)滑油保證約束切削裝置能夠自由地在切削滑道9內(nèi)滑動(dòng)，以便于調(diào)節(jié)工件16與約束切削裝置的相對(duì)位置(切削深度)。將子彈4塞入至加速身管2的底部，調(diào)節(jié)輕氣槍I的氣壓值，使其氣壓大小為
0.55MPa。調(diào)節(jié)刀具12和約束裝置13間的距離，選擇厚度為50um的約束厚度墊片，把其放在刀具12和約束裝置13之間，并且一起固定在切削支座上。加工一個(gè)長(zhǎng)40mm、寬30mm、厚2mm的工件16，并將工件16安裝在高精度定位裝置15中，通過(guò)調(diào)節(jié)高精度定位裝置15使工件16的切削厚度設(shè)置為lOOum，最后把工件16和高精度定位裝置固定在工件夾持裝置10上。輕氣槍I發(fā)射，子彈4經(jīng)加速后通過(guò)激光測(cè)速器5測(cè)速顯示出子彈運(yùn)動(dòng)速度14.25m/s。隨后，子彈4撞擊約束切削裝置帶動(dòng)刀具12和約束裝置13約束切削工件16。通過(guò)動(dòng)量守恒和能量守恒換算出實(shí)際的切削速度為11.40m/s。切削尾部7撞擊切削滑道9后，約束切削過(guò)程終止，收集切屑并進(jìn)行鑲樣、拋光、腐蝕，在光學(xué)顯微鏡下觀察，得到約束切削的切屑實(shí)際厚度為50um。通過(guò)約束切削剪切應(yīng)變公式和剪切應(yīng)變率公式，得到約束厚度為50um時(shí)的剪切應(yīng)變?yōu)?.5，剪切應(yīng)變率為1.HXlO60實(shí)施例子2在保持實(shí)施例子I中其余參數(shù)基本不變的情況下，改變約束厚度墊片的厚度為lOOum，最終可實(shí)現(xiàn)剪切應(yīng)變?yōu)?，剪切應(yīng)變率約為1X106。實(shí)施例子3在保持實(shí)施例子I中其余參數(shù)基本不變的情況下，改變約束厚度墊片的厚度為150um，最終可實(shí)現(xiàn)剪切應(yīng)變?yōu)?.17，剪切應(yīng)變率約為1X106。實(shí)施例子4在保持實(shí)施例子I中其余參數(shù)基本不變的情況下，改變約束厚度墊片的厚度為20um，最終可實(shí)現(xiàn)剪切應(yīng)變?yōu)?.2，剪切應(yīng)變率約為IX 106。需要指出的是本發(fā)明的各部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)和位置關(guān)系并不局限于以上實(shí)施例子，可以根據(jù)實(shí)際的實(shí)驗(yàn)需要作出相應(yīng)的調(diào)整。根據(jù)本發(fā)明具體實(shí)施方式
所做出的任何變形，均不脫離本發(fā)明的精神以及權(quán)力要求記載的范圍。
權(quán)利要求
1.一種基于霍普金森壓桿加載技術(shù)的高速約束切削實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，包括: Hopkinson壓桿動(dòng)力加載機(jī)構(gòu),用于推動(dòng)子彈以預(yù)定的速度沿預(yù)定的軌道運(yùn)動(dòng)； 激光測(cè)速機(jī)構(gòu)，用于測(cè)量子彈撞擊約束切削機(jī)構(gòu)前的運(yùn)動(dòng)速度； 約束切削機(jī)構(gòu)，用于對(duì)待加工的工件進(jìn)行不同塑性變形程度的約束切削； 約束切削滑道機(jī)構(gòu)，用于給定約束切削的速度方向； 固定機(jī)構(gòu)，用于固定待加工的工件； 切削停止機(jī)構(gòu)，用于停止約束切削過(guò)程； 其中，Hopkinson壓桿動(dòng)力加載機(jī)構(gòu)、激光測(cè)速機(jī)構(gòu)、約束切削機(jī)構(gòu)、約束切削滑道機(jī)構(gòu)、固定機(jī)構(gòu)和切削停止機(jī)構(gòu)沿一軸線依次排開(kāi)。
2.如權(quán)利要求1所述的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述的Hopkinson壓桿動(dòng)力加載機(jī)構(gòu)包括輕氣槍和加速身管，輕氣槍與加速身管相連。
3.如權(quán)利要求2所述的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述的激光測(cè)速機(jī)構(gòu)包括激光觸發(fā)器和時(shí)間顯示器。
4.如權(quán)利要求3所述的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述的子彈安裝于所述的加速身管內(nèi)，經(jīng)過(guò)輕氣槍加載推動(dòng)子彈在所述加速身管中加速并達(dá)到預(yù)定的飛行速度，最后從所述加速身管出口發(fā)射出去；在所述的激光測(cè)速機(jī)構(gòu)處測(cè)出子彈撞擊約束切削機(jī)構(gòu)前的速度。
5.如權(quán)利要求1所述的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述的約束切削機(jī)構(gòu)包括刀具、約束裝置和約束厚度墊片；刀具、約束裝置和約束厚度墊片固定在切削支座上。
6.如權(quán)利要求4所述的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述的約束切削滑道機(jī)構(gòu)包括切削支座和切削滑道；子彈撞擊切削支座帶動(dòng)刀具沿著切削滑道方向約束切削待加工的工件。
7.如權(quán)利要求6所述的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述的固定機(jī)構(gòu)上安裝一個(gè)待加工的工件，根據(jù)所需的切削深度來(lái)調(diào)節(jié)待加工工件的位置。
8.如權(quán)利要求5所述的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述的切削停止機(jī)構(gòu)包括切削尾座和切削支座；切削尾座撞擊切削滑道后，就隨同切削支座一起停止運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到對(duì)約束切削過(guò)程的終止。
9.如權(quán)利要求1所述的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述的固定機(jī)構(gòu)上還設(shè)置有用于觀測(cè)工件約束切削過(guò)程的攝像系統(tǒng)。
10.如權(quán)利要求5所述的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述的刀具、待加工工件和固定機(jī)構(gòu)上設(shè)置有用于檢測(cè)約束切削過(guò)程中的切削力和切削溫度的傳感器。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于霍普金森壓桿加載技術(shù)的高速約束切削實(shí)驗(yàn)裝置，包括Hopkinson壓桿動(dòng)力加載機(jī)構(gòu)，用于推動(dòng)子彈以預(yù)定的速度沿預(yù)定的軌道運(yùn)動(dòng)；激光測(cè)速機(jī)構(gòu)，用于測(cè)量子彈撞擊約束切削機(jī)構(gòu)前的運(yùn)動(dòng)速度；約束切削機(jī)構(gòu)，用于對(duì)待加工的工件進(jìn)行不同塑性變形程度的約束切削；約束切削滑道機(jī)構(gòu)，用于給定約束切削的速度方向；固定機(jī)構(gòu)，用于固定待加工的工件；切削停止機(jī)構(gòu)，用于停止約束切削過(guò)程。通過(guò)調(diào)節(jié)Hopkinson壓桿的輕氣槍壓力大小和子彈在加速身管的初始位置來(lái)獲得不同的切削速度，再通過(guò)調(diào)節(jié)約束切削機(jī)構(gòu)中刀具與約束裝置之間的間距可以獲得不同的塑性變形程度，利用該裝置可以研究材料在不同應(yīng)變率和不同塑性變形程度下，材料內(nèi)部微結(jié)構(gòu)演化規(guī)律。
文檔編號(hào)G01N3/58GK103163037SQ201310048938
公開(kāi)日2013年6月19日 申請(qǐng)日期2013年2月7日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月7日
發(fā)明者戴蘭宏, 蔡松林, 葉貴根, 蔣敏強(qiáng), 張虎生 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所