專利名稱：一種基于霍普金森壓桿加載技術的高速約束切削實驗裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明用于納米材料制備領域,尤指一種基于霍普金森(Hopkinson)壓桿加載技術的高速約束切削實驗裝置。
背景技術：
材料在嚴重塑性變形條件下，材料內部晶粒能夠得到細化，甚至可以產生超細晶?；蛘呒{米晶粒；這種超細晶?；蛘呒{米晶粒材料具有許多優(yōu)異的力學性能，如:聞強度、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化程度，進而影響材料的力學性能。為了得到應用于不同工況下的具有不同力學性能的材料，就要求弄清塑性變形程度是如何影響材料微觀組織結構的，進而如何影響材料力學性能的。目前，關于塑性變形程度在材料的微結構演化中扮演的角色還不清楚，這嚴重制約了超細晶?；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晶?；蛘呒{米晶粒材料生產中的作用，急需發(fā)展有效的實驗手段來研究材料在不同塑性變形程度下的微結構演化規(guī)律。傳統(tǒng)的嚴重塑性變形方法有等通道擠壓、高壓扭轉、累積軋合和往復擠壓。這些嚴重塑性變形方法需要多次塑性變形過程才能在材料內部產生大的塑性變形；對于一些高強度和高硬度的材料，不能利用這些傳統(tǒng)的嚴重塑性變形方法在室溫下對材料產生嚴重塑性變形。自由切削作為一種產生嚴重塑性變形的方法，能夠在一次變形過程中產生嚴重塑性變形。自由切削實驗主要是在車床上展開的，由于車床上切削速度較小，不能進行研究材料在高應變率條件下的微結構演化規(guī)律。自由切削無法有效地切削過程中的塑性變形程度進行控制。因此，車床上的自由切削裝置無法用來研究材料在高應變率和不同塑性變形程度下的微結構演化規(guī)律。

發(fā)明內容
針對現(xiàn)有技術存在的問題，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的高速約束切削實驗裝置，能夠實現(xiàn)高應變率和不同塑性變形程度下的約束切削實驗。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一種基于霍普金森壓桿加載技術的高速約束切削實驗裝置包括:Hopkinson壓桿動力加載機構,用于推動子彈以預定的速度沿預定的軌道運動；激光測速機構，用于測量子彈撞擊約束切削機構前的運動速度；約束切削機構，用于對待加工的工件進行不同塑性變形程度的約束切削；約束切削滑道機構，用于給定約束切削的速度方向；固定機構，用于固定待加工的工件；切削停止機構，用于停止約束切削過程；其中，Hopkinson壓桿動力加載機構、激光測速機構、約束切削機構、約束切削滑道機構、固定機構和切削停止機構沿一軸線依次排開。進一步,所述的Hopkinson壓桿動力加載機構包括輕氣槍和加速身管,輕氣槍與加速身管相連。進一步，所述的激光測速機構包括激光觸發(fā)器和時間顯示器。進一步，所述的子彈安裝于所述的加速身管內，經過輕氣槍加載推動子彈在所述加速身管中加速并達到預定的飛行速度，最后從所述加速身管出口發(fā)射出去；在所述的激光測速機構處測出子彈撞擊約束切削機構前的速度。進一步，所述的約束切削機構包括刀具、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。進一步，所述的約束切削滑道機構包括切削支座和切削滑道；子彈撞擊切削支座帶動刀具沿著切削滑道方向約束切削待加工的工件。進一步，所述的固定機構上安裝一個待加工的工件，根據(jù)所需的切削深度來調節(jié)待加工工件的位置。進一步，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整所述切削機構的約束切削速度。進一步，根據(jù)所述的約束厚度墊片的厚度大小來調整約束切削的塑性變形程度。進一步，所述的切削停止機構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動，以達到對約束切削過程的終止。進一步，所述的固定機構上還設置有用于觀測工件約束切削過程的攝像系統(tǒng)。進一步，所述的刀具、待加工工件和固定機構上設置有用于檢測約束切削過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:I)通過調節(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，能夠實現(xiàn)高應變率下約束切削實驗。2)通過調節(jié)約束厚度墊片的厚度大小來調整約束切削過程的塑性變形程度，實現(xiàn)不同的約束切削塑性變形程度。3)當約束厚度墊片的厚度足夠大時，約束裝置對切屑的形成無影響，即可以實現(xiàn)高速自由切削實驗。4)整個過程速度快、歷時短，加之沖擊能量遠大于切削所需能量，約束切削過程可視為穩(wěn)態(tài)過程。5)本實驗裝置可通過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，有利于高速切削過程中切削力和切削溫度等參數(shù)的測試。


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。
圖中主要元件說明:1、輕氣槍；2、加速身管；3、固定支座；4、子彈；5、激光測速器；
6、高精度升降臺；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。
具體實施例方式本發(fā)明的一種基于霍普金森(Hopkinson)壓桿加載技術的高速約束切削實驗裝置，包括=Hopkinson壓桿動力加載機構、激光測速機構、約束切削機構、約束切削滑道機構、固定機構和切削停止機構。Hopkinson壓桿動力加載機構,用于推動子彈以預定的速度沿預定的軌道運動；激光測速機構，用于測量子彈撞擊約束切削機構前的運動速度；約束切削機構，用于對待加工的工件進行不同塑性變形程度的約束切削；約束切削滑道機構，用于給定約束切削的速度方向；固定機構，用于固定待加工的工件；切削停止機構，用于停止約束切削過程。其中，Hopkinson壓桿動力加載機構、激光測速機構、約束切削機構、約束切削滑道機構、固定機構和切削停止機構沿一軸線依次排開。在本發(fā)明中，Hopkinson壓桿動力加載機構包括輕氣槍和加速身管，輕氣槍與加速身管相連，通過調節(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；約束切削機構包括刀具、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，通過調節(jié)約束厚度墊片的厚度大小來調整約束切削過程的塑性變形程度，實現(xiàn)不同的約束切削塑性變形程度。下面結合附圖進一步對本發(fā)明的各個機構進行說明。如圖1、2、3、4所示，本發(fā)明的整個實驗裝置基于Hopkinson壓桿加載技術搭建，主要包括可提供撞擊速度達30m/s的輕氣槍1，口徑14mm和長2m的加速身管2，子彈4，激光測速器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，實驗中調節(jié)輕氣槍I內氣壓的大小和子彈在加速身管2中的初始位置來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，通過輕氣槍I發(fā)射子彈4，子彈4沿著加速身管加速運行，穿過激光測速器5測出子彈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程中晃動，設置了一個切削滑道9，子彈4撞擊約束切削底座7后，帶動切削支座8在切削滑道中運動，并且最終推動刀具12對工件材料16進行約束切削操作。切削滑道9的高低可以通過高精度升降臺6來調節(jié)，使得加速身管2和約束切削裝置在同一軸線上。調節(jié)刀具12和約束裝置13之間的間隙大小，即調整約束厚度墊片14的厚度大小，可以實現(xiàn)不同塑性變形程度的約束切削實驗。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帶動來實現(xiàn)對工件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，通過調節(jié)高精度定位裝置15可以實現(xiàn)不同切削深度的切削實驗。切削支座8后面設置有切削尾座7，通過切削尾座7與切削滑道9的撞擊來實現(xiàn)對約束切削過程的終止，從而可以對約束切削實驗過程中得到的切屑形貌進行收集和實驗觀察。
整套裝置安裝于固定支座3上，安裝時保證加速身管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。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，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，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?shù)毒吆图s束裝置間的間距大到一定程度時，約束裝置就不起作用了，這時就相當于自由切削情況了。實施例子I整個裝置安裝于固定支座3上，使得整個裝置都位于同一軸線上，具體實施步驟如下: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。整個切削裝置的質量為600g。在切削滑道9內壁涂上潤滑油保證約束切削裝置能夠自由地在切削滑道9內滑動，以便于調節(jié)工件16與約束切削裝置的相對位置(切削深度)。將子彈4塞入至加速身管2的底部，調節(jié)輕氣槍I的氣壓值，使其氣壓大小為
0.55MPa。調節(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。加工一個長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，通過調節(jié)高精度定位裝置15使工件16的切削厚度設置為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經加速后通過激光測速器5測速顯示出子彈運動速度14.25m/s。隨后，子彈4撞擊約束切削裝置帶動刀具12和約束裝置13約束切削工件16。通過動量守恒和能量守恒換算出實際的切削速度為11.40m/s。切削尾部7撞擊切削滑道9后，約束切削過程終止，收集切屑并進行鑲樣、拋光、腐蝕，在光學顯微鏡下觀察，得到約束切削的切屑實際厚度為50um。通過約束切削剪切應變公式和剪切應變率公式，得到約束厚度為50um時的剪切應變?yōu)?.5，剪切應變率為1.HXlO60實施例子2在保持實施例子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，最終可實現(xiàn)剪切應變?yōu)?，剪切應變率約為1X106。實施例子3在保持實施例子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，最終可實現(xiàn)剪切應變?yōu)?.17，剪切應變率約為1X106。實施例子4在保持實施例子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，最終可實現(xiàn)剪切應變?yōu)?.2，剪切應變率約為IX 106。需要指出的是本發(fā)明的各部件的結構參數(shù)和位置關系并不局限于以上實施例子，可以根據(jù)實際的實驗需要作出相應的調整。根據(jù)本發(fā)明具體實施方式
所做出的任何變形，均不脫離本發(fā)明的精神以及權力要求記載的范圍。
權利要求
1.一種基于霍普金森壓桿加載技術的高速約束切削實驗裝置，其特征在于，包括: Hopkinson壓桿動力加載機構,用于推動子彈以預定的速度沿預定的軌道運動； 激光測速機構，用于測量子彈撞擊約束切削機構前的運動速度； 約束切削機構，用于對待加工的工件進行不同塑性變形程度的約束切削； 約束切削滑道機構，用于給定約束切削的速度方向； 固定機構，用于固定待加工的工件； 切削停止機構，用于停止約束切削過程； 其中，Hopkinson壓桿動力加載機構、激光測速機構、約束切削機構、約束切削滑道機構、固定機構和切削停止機構沿一軸線依次排開。
2.如權利要求1所述的實驗裝置，其特征在于，所述的Hopkinson壓桿動力加載機構包括輕氣槍和加速身管，輕氣槍與加速身管相連。
3.如權利要求2所述的實驗裝置，其特征在于，所述的激光測速機構包括激光觸發(fā)器和時間顯示器。
4.如權利要求3所述的實驗裝置，其特征在于，所述的子彈安裝于所述的加速身管內，經過輕氣槍加載推動子彈在所述加速身管中加速并達到預定的飛行速度，最后從所述加速身管出口發(fā)射出去；在所述的激光測速機構處測出子彈撞擊約束切削機構前的速度。
5.如權利要求1所述的實驗裝置，其特征在于，所述的約束切削機構包括刀具、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.如權利要求4所述的實驗裝置，其特征在于，所述的約束切削滑道機構包括切削支座和切削滑道；子彈撞擊切削支座帶動刀具沿著切削滑道方向約束切削待加工的工件。
7.如權利要求6所述的實驗裝置，其特征在于，所述的固定機構上安裝一個待加工的工件，根據(jù)所需的切削深度來調節(jié)待加工工件的位置。
8.如權利要求5所述的實驗裝置，其特征在于，所述的切削停止機構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動，以達到對約束切削過程的終止。
9.如權利要求1所述的實驗裝置，其特征在于，所述的固定機構上還設置有用于觀測工件約束切削過程的攝像系統(tǒng)。
10.如權利要求5所述的實驗裝置，其特征在于，所述的刀具、待加工工件和固定機構上設置有用于檢測約束切削過程中的切削力和切削溫度的傳感器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于霍普金森壓桿加載技術的高速約束切削實驗裝置，包括Hopkinson壓桿動力加載機構，用于推動子彈以預定的速度沿預定的軌道運動；激光測速機構，用于測量子彈撞擊約束切削機構前的運動速度；約束切削機構，用于對待加工的工件進行不同塑性變形程度的約束切削；約束切削滑道機構，用于給定約束切削的速度方向；固定機構，用于固定待加工的工件；切削停止機構，用于停止約束切削過程。通過調節(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獲得不同的切削速度，再通過調節(jié)約束切削機構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變率和不同塑性變形程度下，材料內部微結構演化規(guī)律。
文檔編號G01N3/58GK103163037SQ201310048938
公開日2013年6月19日 申請日期2013年2月7日 優(yōu)先權日2013年2月7日
發(fā)明者戴蘭宏, 蔡松林, 葉貴根, 蔣敏強, 張虎生 申請人:中國科學院力學研究所