[发明专利]一种高速切削变形场的在线测量系统及其方法

说明书

本发明属于金属切削加工领域，并公开了一种高速切削变形场的在线测量系统及其方法，包括测力仪、红外相机、双帧相机、位置传感器、信号同步触发模块和信号采集模块，测力仪用于实时测量待测量工件的切削力；红外相机用于实时测量待测量工件的温度场；双帧相机用于实时测量待测量工件的位移场；位置传感器用于发出开始测量的信号；信号同步收到开始测量的信号按照预设的时间延迟分别控制测力仪、红外相机和双帧相机开始测量；信号采集模块采集测量获得的结果，以此实现待测量工件在高速切削过程中切削力、温度场和位移场的在线测量。通过本发明，实现高速高应变下瞬态变形场和温度场的非接触式测量，测量过程安全可靠，处理精度得到保障。

技术领域

本发明属于金属切削加工领域，更具体地，涉及一种高速切削变形场的在线测量系统及其方法。

背景技术

切削中加工质量的改善、工艺参数的优化依赖于对切削过程的基础理论研究，然而切削行为通常是在工件表面的一个非常小的区域内以极高的应变率发生了大变形，这种材料的力学行为与传统的力学实验情况相去甚远。探究切削过程的本质，是在一定条件下，工件材料在外力作用下，产生一个从弹性变形一塑性变形(滑移、孪生、晶界滑动、扩散性蠕变)一断裂(切屑与工件分离)的过程，因此切削变形的研究可看作是热-弹塑性非线性问题的一个分支。

传统的研究方法常常使用SHPB(分离式Hopkinson压杆)实验的方法在动态条件下研究材料特性。SHPB实验将材料试样置于入射杆与传动杆中间，由压缩空气加速的射弹撞击入射杆产生弹性应力波，试样在该应力作用下产生高速变形，同时传动杆中分别产生了往回的反射波与向前的透射波。假设样品变形是均匀的，根据入射波、反射波和透射波的振幅计算应力与应变。然而在高速切削条件下，有效应变通常能达到3，有效应变率也在0～10⁶s^-1，SHPB的方法通常都在1与10⁴以下。

近些年，兴起了数字图像相关技术(Digital Image Correlation,DIC)，该技术借助于越来越完善的成像技术以及性能越来越优秀的相机研究切削。对于高速切削过程，有研究者们采用通过高速相机获取物体表面变形前后图像，然后匹配同一像素点在不同图像中的位置来获得该像素点的位移向量，从而得到试件表面的位移场，但是，高速相机性能有限，只能分析到几米至十几米量级的切削速度；另外，温度也对切削变形有很大的影响，目前对于高速切削过程汇大多数情况下利用仿真的手段对温度进行预测，但是，这样的预测是理论上的，实际切削过程相较理论要复杂得多，且预测精度难以保证。因此，急需一种对各类变形相关信息同时进行在线测量，并能在高速、高应变率的情况下仍能有比较准确的结果的测量系统。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种高速切削变形场的在线测量系统及其方法，其中通过对其关键组件红外相机，测力仪和双帧相机的设置，使得在对待测量工件的表面分别进行喷漆和喷砂处理后，采用双帧相机通过拍摄介观尺度下的切削过程，获取相隔数微秒的两张图片，镜头五倍放大条件下每像素约为0.6微米，通过DIC技术能获得瞬态位移场，红外相机通过热成像获得切削过程中的实时温度场，测力仪测量获得切削力，以此实现待测量工件表面的温度、切削力的在线测量，测量精度高，适用范围广。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种高速切削变形场的在线测量系统，该系统包括刀具夹具、测力仪、红外相机、双帧相机、位置传感器、信号同步触发模块和信号采集模块，其特征在于，

所述刀具夹具用于装夹刀具，其装夹在所述测力仪上，所述测力仪用于实时测量待测量工件的在高速切削过程中受到的切削力；

所述红外相机用于实时测量待测量工件在高速切削过程中的温度场，其中，通过在待测量工件表面进行喷漆处理，以此辅助所述红外相机成像；

所述双帧相机用于实时测量待测量工件在高速切削过程中的位移场，其中，所述双帧相机拍摄在介观尺度下待测量工件两张相隔数微秒的照片，通过对比获得的所述两张照片获得待测量工件的位移场；