一种精密切削微纳米力学测试实验平台制造技术

本实用新型专利技术公开了一种精密切削微纳米力学测试实验平台及方法。该实验平台包括三轴超精密机床，三向微动台，三向测力仪，激光位移传感器，高速摄像机、热成像仪；三向微动台安装于三向测力仪上，三向测力仪固定在三轴超精密机床的工作台上，激光位移传感器、高速摄像机、热成像仪聚焦于切削位置。本实用新型专利技术可对切削实验过程中切削表面形成过程、切屑变形断裂、切削力、切削温度、切削深度、切削振动等进行观察与测量，通过所述的精密切削微纳米力学测试实验平台，可为材料去除机理、高质量切削表面形成机制、切屑变形断裂规律等研究提供平台和方法支撑。

【技术实现步骤摘要】
一种精密切削微纳米力学测试实验平台
本技术涉及及材料微观力学测试领域，尤其涉及一种精密切削微纳米力学测试实验平台。
技术介绍
由于切削加工适应性较强，生产效率较高，不受零件材料、尺寸和质量的限制，可获得较好的加工表面和加工精度，是材料超精密加工中的一种常用方法。但对于钨合金、钛合金等高硬度、高密度的硬脆难加工金属材料，由于在加工过程中存在切削力大、切削区域温度高、刀具磨损严重等问题，易导致材料加工表面产生凹坑和微裂纹等加工缺陷。为了获得较高质量的加工表面，研究超精密加工过程中的力热行为、材料去除机理及损伤形成机制尤为必要。包括切削加工过程中刀具与材料之间的接触及作用机制，切削形成、变形及断裂规律，材料变形流动机理，力热行为对加工损伤的影响等。现有切削加工过程中材料性能表征的研究方法主要通过残余应力分析系统检测加工表面残余应力，超景深三维立体显微镜或扫描电镜观测加工表面微观组织结构，粗糙度仪检测表面粗糙度等方式，但以上检测手段主要针对加工后的表面进行检测，无法实现在位测量。现有材料在位力学性能测试的研究方法主要通过在微观纳米尺度下对试样材料进行拉伸、压缩等力学性能测试过程中，采用扫描电镜，原子力显微镜等仪器对载荷作用下材料发生的微观变形、破坏过程进行动态监测，但力学性能测试方法无法准确表征材料的实际切削状态，难以满足切削加工过程中的研究需求。
技术实现思路
本技术所要解决的技术问题是：现有切削加工过程中材料性能表征的研究方法对切削表面粗糙度等方式检测手段主要针对加工后的表面进行检测，无法实现在位测量，且力学性能测试方法无法准确表征材料的实际切削状态，难以满足切削加工过程中的研究需求。为解决上述技术问题，本技术提供一种精密切削微纳米力学测试实验平台，通过在线检测切削加工过程中刀具与材料之间的接触及作用机制，切削形成、变形及断裂规律，材料变形流动机理，力热行为对加工损伤的影响等，为获得较高质量的加工表面提供研究基础。本技术通过下述技术方案实现：本方案提供一种精密切削微纳米力学测试实验平台，包括：三轴超精密机床，三向微动台，三向测力仪，激光位移传感器，高速摄像机、热成像仪；三向微动台安装于三向测力仪上，三向测力仪固定在三轴超精密机床的工作台上，激光位移传感器、高速摄像机、热成像仪聚焦于切削位置；在切削过程中，三向测力仪采集切削力的变化过程数据、激光位移传感器采集振动数据、高速摄像机采集切屑断裂分离情况、热成像仪采集中切削温度的变化过程数据。工作原理：本技术提供的精密切削微纳米力学测试实验平台，包括运动系统和测试系统。运动系统包括三轴超精密车床和三向微动台；测试系统包括激光位移传感器、高速摄像机、热成像仪，三向测力仪。激光位移传感器聚焦于切削处，对刀具划擦过程中的振动数据进行采集；高速摄像机聚焦于切削处用于获取划擦过程中切屑断裂分离情况；热成像仪聚焦于切削处可获取划擦加工中划擦温度的变化过程；三向测力仪固定在三轴超精密车床的工作台上，用于检测划擦加工中划擦力的变化过程。本技术通过三轴超精密车床，配合激光位移传感器、高速摄像机、热成像仪和三向测力仪，可对切削实验过程中切削表面形成过程、切屑变形断裂、切削力、切削温度、切削深度、切削振动等进行观察与测量，为材料去除机理、高质量切削表面形成机制、切屑变形断裂规律等研究提供平台和方法支撑。进一步优选方案为所述的三轴超精密机床放置于超精密加工实验室中，超精密加工实验室的温度控制在20±0.1℃，湿度控制在35±5％，洁净度控制在800级以上。进一步优选方案为，所述三轴超精密机床包括机床主轴、机床X轴、机床Z轴。所述三向微动台位移分别是：X向位移、Y向位移、Z向位移，三向微动台在X向位移行程为5mm、分辨率为10nm；三向微动台在Y向位移行程为5mm、分辨率为10nm；三向微动台在X向位移行程为5mm、分辨率为10nm。进一步优选方案为，机床主轴转速控制切削速度，通过调节机床主轴转速、机床X轴和机床Z轴的运动速度和位移、三向微动台的位移来控制切削深度、划痕形状。所述激光位移传感器采样频率范围为100hz-1Mhz。当机床主轴旋转一周，机床X轴和机床Z轴不动，会获得圆弧状的划痕，通过调节三向微动台的Y向位移，改变切削深度；调节机床主轴转速，获得不同切削速度下划痕；机床主轴每旋转一周，机床X轴运动L距离，会获得波浪线状的划痕，每两个波浪最高点之间距离为L；通过调节三向微动台的Y向位移，改变划痕深度；通过调节机床主轴转速与机床X轴运动速度，获得不同切削速度下划痕；在机床主轴每旋转一周，机床X轴运动L距离、机床Z轴运动m距离，运动两次即可获得3条平行线的划痕，两条相邻平行线间距离为m；调节三向微动台的Y向位移，改变划痕深度；通过调节机床主轴转速、机床X轴运动速度、机床Z轴运动速度，获得不同切削速度下划痕。对于那些高硬度、高密度的硬脆难加工金属材料，由于在加工过程中存在切削力大、切削区域温度高、刀具磨损严重等问题，易导致材料加工表面产生凹坑和微裂纹等加工缺陷。为了获得较高质量的加工表面，研究超精密加工过程中的力热行为、材料去除机理及损伤形成机制尤为必要。包括切削加工过程中刀具与材料之间的接触及作用机制，切削形成、变形及断裂规律，材料变形流动机理，力热行为对加工损伤的影响等。现有的的切削加工过程对材料性能的分析通常是针对加工后的材料表面或进行检测，难以满足在切削加工过程中进行分析。本技术提供的精密切削微纳米力学测试实验平台，包括运动系统和测试系统。运动系统包括三轴超精密车床和三向微动台；三轴超精密机床包括机床主轴、机床X轴、机床Z轴，实验过程中刀具通过夹具安装于主轴上，刀具随主轴旋转运动。试样安装于三向微动台上，通过微动台可对试样高度进行精密微调，三向微动台安装于三向测力仪上。测试系统包括激光位移传感器、高速摄像机、热成像仪，三向测力仪。激光位移传感器聚焦于切削处，对刀具划擦过程中的振动数据进行采集；高速摄像机聚焦于切削处用于获取划擦过程中切屑断裂分离情况；热成像仪聚焦于切削处可获取划擦加工中划擦温度的变化过程；三向测力仪固定在三轴超精密车床的工作台上，用于检测划擦加工中划擦力的变化过程。通过在线检测切削加工过程中刀具与材料之间的接触及作用机制，切削形成、变形及断裂规律，材料变形流动机理，力热行为对加工损伤的影响等。本技术通过超精密车床，配合激光位移传感器、高速摄像机、热成像仪和三向测力仪，可对切削实验过程中切削表面形成过程、切屑变形断裂、切削力、切削温度、切削深度、切削振动等进行观察与测量，为材料去除机理、高质量切削表面形成机制、切屑变形断裂规律等研究提供平台和方法支撑。本技术与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：本技术提供的一种精密切削微纳米力学测试实验平台，配合激光位移传感器、高速摄像机、热成像仪和三向测力仪，可对切削实验过程中切削表面形成过程、切屑变形断裂、切削力、切削温度、切削深度、切削振动本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种精密切削微纳米力学测试实验平台，其特征在于，包括：三轴超精密机床(1)，三向微动台(2)，三向测力仪(3)，激光位移传感器(4)，高速摄像机(5)、热成像仪(6)；三向微动台(2)安装于三向测力仪(3)上，三向测力仪固定在三轴超精密机床(1)的工作台上，激光位移传感器(4)、高速摄像机(5)、热成像仪(6)聚焦于切削位置；/n在切削过程中，三向测力仪(3)采集切削力的变化过程数据、激光位移传感器(4)采集振动数据、高速摄像机(5)采集切屑断裂分离情况、热成像仪(6)采集中切削温度的变化过程数据。/n

【技术特征摘要】
1.一种精密切削微纳米力学测试实验平台，其特征在于，包括：三轴超精密机床(1)，三向微动台(2)，三向测力仪(3)，激光位移传感器(4)，高速摄像机(5)、热成像仪(6)；三向微动台(2)安装于三向测力仪(3)上，三向测力仪固定在三轴超精密机床(1)的工作台上，激光位移传感器(4)、高速摄像机(5)、热成像仪(6)聚焦于切削位置；
在切削过程中，三向测力仪(3)采集切削力的变化过程数据、激光位移传感器(4)采集振动数据、高速摄像机(5)采集切屑断裂分离情况、热成像仪(6)采集中切削温度的变化过程数据。


2.根据权利要求1所述的一种精密切削微纳米力学测试实验平台，其特征在于，所述的三轴超精密机床(1)放置于超精密加工实验室中，超精密加工实验室的温度控制在20±0.1℃，湿度控制在35±5％，洁净度控制在800级以上。


3.根据权利要求1所述的一种精密切削微纳米力学测试实验平台，其特征在于，所述三轴超精密机床(1)包括机床主轴(7)、机床X轴(8)、机床Z轴(9)。


4.根据权利要求1所述的一种精密切削微纳米力学测试实验平台，其特征在于，所述三向微动台(2)位移分别是：X向位移、Y向位移、Z向位移，三向微动台(2)在X向位移行程为5mm、分辨率为10nm；三向微动台(2)在Y向位移行程为5mm、分辨率为10nm；三向微动台(2)在Z向位移行程为...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜文浩，潘延安，李佳伟，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院机械制造工艺研究所，
类型：新型
国别省市：四川;51