高能材料切削力测试系统的研制

    高能材料(HEM)的发展经历了一个极其漫长的过程,但它得到迅速发展是近几十年的事。随着航空航天及先进动力驱动技术的发展,高能材料的地位越来越重要,但高能材料在加工过程中的危险性成了制约其发展的最大因素。我国以前对高能材料的切削加工是靠手工完成,工作效率低。高速切削加工具有高生产效率,高加工表面质量,低制造成本和短产品开发周期等突出优势,满足了制造业不断发展的需要^[1]。因此,为了保证高能材料在实际加工中的安全及提高生产效率,研制开发操作简单,功能完善,测量精度高,适用于实际生产的测试的高能材料切削力测试系统具有重要意义。

    1　切削系统整体结构设计

    系统整体结构设计包括机械切削装置设计,电机的选择与控制,切削力的动态测试,切削力数据的采集与处理等。整体结构设计是把上述各部分组合成一个完整的测试系统,结构框架如图1所示。

    2　切削实验装置的设计

    2.1　切削方案的设计

    高能材料的切削试验与普通金属切削试验不同。普通金属的切削实验的取样可以是一块大的圆柱形或其他形状的材料,对高能材料的取样,即使实验人员在超过20 m的距离进行操作也具危险性。针对这种情况,高能材料的实际取样只能是很小的一部分,以降低切削实验中潜在的危险性。考虑到这个特点,切削力测试系统的切削实验装置部分需进行特别的设计。根据切削高能材料的线速度大于10 m/s,提出了两种切削方案:

    (1)低速大回转半径切削。用三角钢做成梯形支架,伺服电机固定在支架的上支撑板上,电机轴向下竖直放置,通过轴套与电机轴连接的是一个大回转半径杆件,在这个杆件端部安装车刀,测力仪及安装在其上的高能材料水平放置。通过电机轴旋转带动杆件端部上车刀的旋转对高能材料进行切削,通过车刀的上下调节实现对高能材料的切深调节。测力仪固定在移动拖板上面,待切削的高能材料通过夹具固定在测力仪上,位置固定不可调,切削材料与刀具的接触通过丝杠的进给来实现。但此方案中由于回转半径较大,在旋转时虽低速却有严重的动不平衡问题;在切削时力臂较长会出现弯曲变形的现象。这导致试验数据不可靠。

    (2)高速小回转半径切削。用小回转半径杆件代替大回转半径杆件,速度的实现是靠电机的高速旋转。这可减轻方案1中弯曲变形问题,但在高速旋转时仍有严重的动不平衡问题,这个问题可用增加配重的方法来解决。经比较选择此方案。

    切削实验装置的装配图设计如图2所示。