[发明专利]一种精密切削微纳米力学测试实验平台及方法

说明书

本发明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。本发明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及方法，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。

技术领域

本发明涉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及方法。

背景技术

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。

发明内容

本发明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，本发明提供一种精密切削微纳米力学测试实验平台及方法，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。

本发明通过下述技术方案实现：

本发明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：本发明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。本发明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。