一种切削试验用的试样结构及切削试验方法
【专利摘要】本发明提供一种切削试验用的试样结构，其具有由多个长方体形成的塔状结构，所有长方体的中心在一条垂线上，沿着塔状结构的顶部到底部的方向，每个长方体的顶表面的长和宽逐渐变大。本发明的切削试验方法包括步骤：(1)根据切削参数组的总数确定用于切削实验操作的长方体的数目，将试样结构加工成具有由多个长方体形成的塔状结构；(2)对用于切削实验操作的每个长方体的四个侧面进行编号，按照从顶部到底部的顺序将用于切削实验操作的每个长方体的四个侧面按照顺时针或逆时针的顺序进行编号；(3)按照编号顺序对每个侧面采用一个切削参数组进行切削试验，并采用三分量测力仪测量切削力。
【专利说明】一种切削试验用的试样结构及切削试验方法
【技术领域】
[0001]本发明属于机械加工【技术领域】，具体地，涉及一种切削试验用的试样结构及切削试验方法。
【背景技术】
[0002]在行切削技术研究中，通常需要考虑切深、切宽、进给、切削速度以及刀具刃口角度等多个因素，并将每个因素按照实际生产应用情况划分为若干水平，形成不同的切削参数组进行多因素多水平的正交切削试验。测量和分析不同切削参数组所产生的切削力、表面粗糙度、表面残余应力和表面裂纹等，并从中优选切削效率高和质量高的切削参数组，是获取最佳切削工艺的常用方法。
[0003]传统的切削试验中所采用的试样结构一般为板状或块状，在一次试验中只能利用一组切削参数对试样的一个面或两个面进行切削，每次切削试验完成后须从机床上取下来，再测量和分析表面粗糙度、表面残余应力和表面裂纹等，测量完成后再按另外的参数组进行试验。对于多因素多水平的正交切削试验而言，若采用传统的试样则需要的试样数量多、试验周期长，不仅浪费了宝贵的材料，还降低了试验数据的产出效率，已经成为金属切削技术研究的一个重要难题。

【发明内容】

[0004]本发明针对传统的切削试验的试样结构材料浪费多、试验效率低、检测过程复杂等问题，提出了一种切削试验用的试样结构及试验方法。该试样结构简单，可以在一次装夹后进行多次切削试验，便于试验后的检测，可以使切削试验和检测过程相分离。
[0005]根据本发明的第一个方面，提供一种切削试验用的试样结构，所述试样结构具有由多个长方体形成的塔状结构，所有长方体的中心在一条垂线上，沿着塔状结构的顶部到底部的方向，每个长方体的顶表面的长和宽逐渐变大，其中，所述塔状结构的底部的长方体用于夹紧操作，剩余的长方体用于切削试验操作。
[0006]其中，每个长方体的顶表面为正方形。
[0007]其中，用于切削试验操作的长方体的数目由切削参数组的总数确定。
[0008]其中，用于切削试验操作的长方体具有相同的高度。
[0009]根据本发明的第二个方面，提供一种使用前述试样结构进行的切削试验方法，所述切削试验方法包括步骤:
[0010](I)根据切削参数组的总数确定用于切削实验操作的长方体的数目，将试样结构加工成具有由多个长方体形成的塔状结构；
[0011](2)对用于切削实验操作的每个长方体的四个侧面进行编号，其中，根据正交试验参数组表，按照从塔状结构的顶部到底部的顺序将用于切削实验操作的每个长方体的四个侧面按照顺时针或逆时针的顺序进行编号；以及
[0012](3)按照编号顺序对每个侧面采用一个切削参数组进行切削试验，并采用三分量测力仪测量切削力。
[0013]其中，在所述步骤(3)中还包括在采用三分量测力仪测量不同方向的切削力时，将三分量测力仪力信号进行坐标转换，使得各个侧面的切削试验力信号方向一致。
[0014]本发明的试样结构简单，可以在一次装夹后进行多次切削试验，且装夹方便，便于试验后必要参数的检测，可以使切削试验和检测过程相分离，能够大大地减少试样所需材料。
[0015]本发明的试验方法通过对各试验面进行编号以及对力信号的坐标转换，很大程度地提高了试验过程的效率，并且降低了后续数据处理的难度。
【专利附图】

【附图说明】
[0016]本发明的其它特征以及优点将通过以下结合附图详细描述的优选实施方式更好地理解，附图中，相同的附图标记标识相同或相似的部件，其中:
[0017]图1为本发明中切削试验用的试样结构的示意图；
[0018]图2a、2b、2c为本发明中各个面的编号方法示意图；以及
[0019]图3为本发明中的试验方法的走刀路径示意图。
【具体实施方式】
[0020]在以下优选的实施例的具体描述中，将参考构成本发明一部分的所附的附图。所附的附图通过示例的方式示出了能够实现本发明的特定的实施例。示例的实施例并不旨在穷尽根据本发明的所有实施例。可以理解，在不偏离本发明的范围的前提下，可以利用其他实施例，也可以进行结构性或者逻辑性的修改。
[0021]在以下的具体描述中，方向性的术语，例如“左”、“右” “顶部”、“底部”、“前”、“后”
等，参考附图中描述的方向使用。本发明的实施例的部件可被置于多种不同的方向，方向性的术语是用于示例的目的而非限制性的。
[0022]图1为本发明中切削试验用的试样结构的示意图。本发明的切削试验用的试样结构具有由多个长方体形成的塔状结构，所有长方体的中心在一条垂线上，沿着塔状结构的顶部到底部的方向，每个长方体的顶表面的长和宽逐渐变大。矩形横截面矩形的边长根据检测所需试样尺寸大小与试验时所采用的切削参数组的切削宽度以及层序号所确定，保证上小下大。
[0023]其中，塔状结构的底部的长方体I用于夹紧操作，剩余的长方体21、22、23用于切削试验操作。长方体I代表装夹部位，位于试样的最下端，不能进行切削试验。
[0024]优选地，每个长方体具有正方形顶表面，沿着塔状结构的顶部到底部的方向，每个长方体的正方形顶表面的边长逐渐变大。
[0025]优选地，用于切削试验操作的长方体的数目为3，这取决于切削参数组的总数。用于切削试验操作的长方体的数量根据切削参数组的总数所确定，每层四组参数。例如，12组参数组，用于切削试验操作的长方体数量为3。
[0026]优选地，用于切削试验操作的长方体具有相同的高度。该高度根据切削参数组中的切削深度确定，同一层切削深度相同。
[0027]若试验方案为研究切削过程中不同切削速度、每齿进给量下的切削力、表面粗糙度、表面应力和表面裂纹的变化规律和趋势，则切削深度和切削宽度保持不变。如果切削速度有3个水平，每齿进给量4个水平，则总共12组参数组，这样该试样结构分为3层。考虑到裂纹检测和试样刚度要求，试样长度和宽度定为40mm ;试验用的切深ap为10mm，切宽ae为2mm ;因此,试样高度为50mm(最下面20mm为装夹需要，不用于切削试验)；每层截面都为正方形，从上到下每层截面边长依次为28mm、32mm、36mm、40mm,高度分别为10mm、10mm、10mm、20mmo
[0028]本发明还提供一种切削试验方法，其中，最初的长方体的试样结构将被加工成具有由多个长方体形成的塔状结构，所述塔状结构的底部的长方体用于夹紧操作，剩余的长方体用于切削试验操作，
[0029]所述切削试验方法包括步骤:
[0030](I)根据切削参数组的总数确定用于切削实验操作的长方体的数目，将试样结构加工成具有由多个长方体形成的塔状结构，如图1中所示。
[0031]用于切削试验操作的长方体的数量根据切削参数组的总数所确定，每层四组参数。例如，12组参数组，用于切削试验操作的长方体数量为3。
[0032](2)对用于切削实验操作的每个长方体的四个侧面进行编号，其中，根据正交试验参数组表，按照从顶部到底部的顺序将用于切削实验操作的每个长方体的四个侧面按照顺时针或逆时针的顺序进行编号。
[0033]参见图2a、2b和2c，示出了本发明中各个面的编号方法示意图，编号211、212、213、214分别为试样第一层长方体21的4个面的标号,编号221、222、223、224分别为第二层长方体22的4个面的编号，编号231、232、233、234分别为第三层长方体23的4个面的编号，依此类推，2xl-2x4分别为第X层4个面的编号，图中每层4个面的编号顺序为顺时针。当然，逆时针也可以。
[0034](3)按照编号顺序对每个侧面采用一个参数组进行切削试验，并采用三分量测力仪测量切削力。
[0035]由于在对试样进行顺时针或逆时针切削时，刀具走刀方向经常发生变化，导致测力仪检测到的X、Y方向上力信号和试验所需分析的力信号方向不一致。因此，本方法将力信号进行坐标转换，上述坐标变换其特征是将测力仪测得的力信号本身的坐标系绕Z轴进行90度、180度和270度旋转，使得各个面的切削试验力信号方向一致。
[0036]图3为本发明中试验方法走刀路径示意图，311和312为机床坐标系的X轴和Y轴；321和322为测力仪的X轴和Y轴；331、332、333、334分别为试验过程中切削编号为2xl-2x4的4个面时的刀具位置和走刀方向；34为切削过程中的试样。
[0037]如图1所示，首先用虎钳将试样的长方体I夹紧并将虎钳装夹在测力仪上，最后将测力仪固定在机床上，同时使得测力仪的X轴和机床的X轴方向一致。
[0038]按如图2所示的编号方法给试样进行编号，按顺时针编号依次增大，便于后面对必要参数的检测。
[0039]试验试样分为3层，在同一层应用同一切削深度ap，其他切削参数可以不同如切削速度V、每齿进给量^等，不同层的切削深度&1)可以不同；按编号211-212-213-214，然后221-222-223-224，然后231-232-233-234，从上到下、从小到大的顺序进行切削试验。
[0040]如果最初的试样结构为长方体，由于最上面一层相对于最下面一层要切除的深度最大，所以最上面的一层每个面可以对同一组参数进行3次切削试验，同时可进行3次切削力测量；下面层数每个面可以进行的切削试验的次数依次减少，第二层为2次，第三层为I次。
[0041]切削试验完成后，得到最终的上述试样形状，将试样从夹具上卸下，清洁后便可对表面粗糙度、表面裂纹、表面应力等进行后续测量。
[0042]在测量切削力的过程中，还需对切削力信号的方向进行转换，便于分析和研究。如图3所示，编号为2x1面的切削力方向331不变，作为标准；编号为2x2的切削力方向332绕Z轴逆时针转90度或顺时针转270度；编号为2x3的切削力方向333绕Z轴逆时针/顺时针转180度；编号为2x4的切削力方向334绕z轴逆时针转270度或顺时针转90度。
[0043]本发明的试验方法通过对各试验面进行编号以及对力信号的坐标转换，很大程度地提高了试验过程的效率，并且降低了后续数据处理的难度。
[0044]以上已揭示本发明的具体实施例的技术内容及技术特点，然而可以理解，在本发明的创作思想下，本领域的技术人员可以对上述公开的各种特征和未在此明确示出的特征的组合作各种变化和改进，但都属于本发明的保护范围。上述实施例的描述是示例性的而不是限制性的，本发明的保护范围由权利要求所确定。
【权利要求】
1.一种切削试验用的试样结构，其特征在于，所述试样结构具有由多个长方体形成的塔状结构，所有长方体的中心在一条垂线上，沿着塔状结构的顶部到底部的方向，每个长方体的顶表面的长和宽逐渐变大，其中，所述塔状结构的底部的长方体用于夹紧操作，剩余的长方体用于切削试验操作。
2.根据权利要求1所述的试样结构，其特征在于，每个长方体的顶表面为正方形。
3.根据权利要求1或2所述的试样结构，其特征在于，用于切削试验操作的长方体的数目由切削参数组的总数确定。
4.根据权利要求1或2所述的试样结构，其特征在于，用于切削试验操作的长方体具有相同的高度。
5.一种使用权利要求1到4中任一项所述的试样结构进行的切削试验方法，其特征在于，所述切削试验方法包括步骤: (1)根据切削参数组的总数确定用于切削实验操作的长方体的数目，将试样结构加工成具有由多个长方体形成的塔状结构； (2)对用于切削实验操作的每个长方体的四个侧面进行编号，其中，按照从塔状结构的顶部到底部的顺序将用于切削实验操作的每个长方体的四个侧面按照顺时针或逆时针的顺序进行编号；以及 (3)按照编号顺序对每个侧面采用一个切削参数组进行切削试验，并采用三分量测力仪测量切削力。
6.根据权利要求5所述的切削试验方法，其特征在于，在所述步骤(3)中还包括在采用三分量测力仪测量不同方向的切削力时，将三分量测力仪力信号进行坐标转换，使得各个侧面的切削试验力信号方向一致。
【文档编号】G01N3/58GK103760049SQ201410016450
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月14日 优先权日:2014年1月14日
【发明者】戎斌, 王冬生, 何宁, 张烘州, 李亮 申请人:上海飞机制造有限公司