基本信息
- 项目名称：
- 金属切削过程动态观测系统的研制
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 一台低成本，高功能的金属切削动态观察装置正是当下最紧缺的。本对此进行了缜密的研究，抛弃高成本的观察装置，另辟新境：该装置就是顺应目前的发展趋势而设计、制造的。该实验装置主要用于更加细致、深入观察和探究切削过程，切削层变形的具体过程和切屑形态、积屑瘤形状和特点等。是依靠现有技术，设计出新的实验装置，实现小成本、大制作，可以为所需要的各高校、科研机构等降低实验成本，提供更加方便、实惠的相关实验装置。
- 详细介绍：
- 金属的机器零件可能经过的加工方式可分为塑性加工，加热加压成型加工，机械加工，高能加工，电及化学加工等几大类。塑性加工又分为热锻加工，轧压加工，冷拔加工，挤压加工，冷锻加工，剪切加工和弯曲加工••••在这些加工工艺中，机械加工可包括用道具加工——切削加工，在机械制造过程中所占比重最大，用途最广。目前机械制造中所用的工作母机有80%-90%仍为金属切削机床。日本近年来每年消费在与切削加工有关的费用超过10000亿日元;美国每年消耗在切削加工方面的费用近年达1000亿美元，在工业发达的国家中，国民经济中创造物质财富部分，制造业占着主导地位；而且各个经济部门都必须有相当的机械制造力量。由上面所列的数据可知：机械制造业的切削加工在国民经济发展中处于十分重要的地位。 而在切削加工领域，掌握金属切削的规律，进而提高切除效率，降低成本和保证质量很是重要。如果不懂得金属切削时，切屑是如何被切下来的，则对金属切削加工中的各种物理现象，如切削力，刀具磨损和加工表面质量等就无从研究起，更不用说解决生产实践中的诸多问题了。因此金属切削变形过程的研究，是金属切削基础理论的一个基本问题。 现在应用于切削层变形过程动态观察的实验方法主要有：高速摄影法、快速落刀法、侧面变形观察法、在线瞬态体视摄影系统、扫描电镜显微观察法、光弹性光塑性试验法等。 目前金属切削动态观测中，侧面观察法操作简单，观察效果清晰，所以我们组采用的观察法基于侧面观察法的原理，并且对其进行了整体的重新设计，具有自己的特色，与铣床改装后的观测装置相比较，我们在设计时，通过电机-链轮-丝杠-大螺母的传动连接，大大降低了生产的成本，降低了实验观察时所需要的经济基础；并且，同时在龙门刀架上安装有改装物镜摄像头的摄像机，摄像头紧贴金属代加工表面，保证了图像的清晰度，同时物镜摄像头确保了5-50倍的放大倍数，足够的放大倍数保证了较强的观察效果，可以清晰的辨别出切屑的变形区，剪切角等等 该切削层变形过程动态观察的实验装置是顺应目前的发展趋势设计、制造的，主要用于更加细致、深入观察和探究切削过程，切削层变形的具体过程和切屑形态、积屑瘤形状和特点等，是依靠现有技术，设计出新的实验装置，可以为所需要的各高校、科研机构等降低实验成本，提供更加方便、实惠的相关实验装置。 目前为止应用现有实验技术的其他实验装置往往不具备针对性，或使用性较低或成本较高，本“切削层变形过程动态观察的实验装置”，在实验台的设计、制作方面都采用新的技术和方案，照以往的实验装置有了很大创新与改进。与传统实验装置相比，此实验系统中，通过变频器改变电机频率，以此来调节工件移动的速度，从而使得切削过程可以在不同的速度下进行。摄像机和计算机的安装，更加方便了学生对整个切削过程的观察，更清楚的了解切削的每一个细节。同时，此实验装置的一体化设计，免去了以往实验繁杂的步骤，使切削实验变的简单有趣，效果更佳。从而本项目创新点有： （1）能观察到动态的切削过程，实验现象直观； （2）能进行图像采集、存储、打印，使用方便； （3）能直接测量剪切角、切屑厚度、刀具前角、后角。 （4）切削速度度可调 （5）通过电动机-链轮-丝杠-大螺母，进行传动，大大降低了成本 （6）摄像机观察，放大倍数可以自行调节，观察更加清晰明了
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 由于金属切削的工作条件十分恶劣，物理过程的跟踪观测非常困难，而且观测设备昂贵、试验周期长、人力物力消耗大、综合成本很高，使得其各种试验方法分析的结果往往不够全面，如侧面变形观察法是通过观察材料侧面人工绘制的细小方格变形来推测金属的变形。为解决因积屑瘤的形成及其对切削过程的影响，对金属切削过程动态观测就显得尤为重要。因此金属切削过程动态观测系统也便应运而生。目前金属切削动态观测中，侧面观察法操作简单，观察效果清晰，所以我们组采用的观察法基于侧面观察法的原理，并且对其进行了整体的重新设计，具有自己的特色，与铣床改装后的观测装置相比较，我们在设计时，通过电机-链轮-丝杠-大螺母的传动连接，大大降低了生产的成本，降低了实验观察时所需要的经济基础；并且，同时在龙门刀架上安装有改装物镜摄像头的摄像机，摄像头紧贴金属代加工表面，保证了图像的清晰度，同时物镜摄像头确保了5-50倍的放大倍数，足够的放大倍数保证了较强的观察效果，可以清晰的辨别出切屑的变形区，剪切角等等 相关技术：丝杠传动。调频变速电动机通过两级摆针式行星轮减速器将动力传递给丝杠；刀架进给运动龙门架正面安装有刀架，并能调节刀具的高度，调节范围为0mm-20mm；电气控制部分。变频器的输出频率与电压成比例变化。电流与负载有关系，与输出频率或电压没有直接的关系；检测显示部分。龙门架侧面安装有显微摄像机架，其上还安装有显微摄像机，并能上下和左右两个方向调节显微摄像机位置，上下调节范围为0mm-50mm，左右调节范围为0mm-100mm。
科学性、先进性
- 价格合理体积合适：国内外尚未有见到报道电动机与变频器相连，以此来调节工件移动的速度，从而使得切削过程慢速进行。摄像机和计算机的安装，方便学生对整个切削过程的观察。同时，此实验装置的一体化设计，避免繁杂的步骤。 观察清晰：该产品提供了专门的摄影装置，直接对切削过程中，切削层的变形过程进行拍摄，通过计算机显示器对画面进行放大，更加清晰、明了，而且该装置的切削速度很低（1mm到20mm每分钟）。随时可以观察随时可以清晰的观测。 实验难度低，成功率高：快速落刀法，需要使用快速落刀装置，得到切削根，制成金相试样，在显微镜下进行。虽然成本较低，但实验难度较高、成功率较低，步骤繁琐，耗时长，最大的缺点是静态观察，不适宜做教学实验的观察；而该产品操作简单、使用方便，加工时间较短，又能用于动态观察，特别直观、易懂，故特别适合使用于教学实验等方面。 研究成的装置具有可调速度功能和预显示功能：可人机对话，设计合理，性能可靠，使用安全节能，调试和安装工艺都很简单，此外该设备和可以用于模拟大型实验装置。
获奖情况及鉴定结果
- 已经通过学校审查
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 产品转让和技术转让均可
作品可展示的形式
- 实物、产品、现场演示、图片
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 机械专业研究金属切削变形时，大多数采取实验观察，以达到学生了解金属切削全过程的目的。就目前较好的侧面观察法而言，由铣床改造，造价在数十万元以上，而我们的作品造价在一万元以下，节省费用高达约90%。显而易见，我们的作品可以大大节约各所院校的教学支出。 对于一些专门从事研究金属切削原理的机构，我们的作品也会让他们大大的受益。作品价格低，而且体积小，可以自由移动，其强大的灵活性更是传统铣床改造后的实验装置所无法取代的。 我们的图像采集系统在采用摄像系统进行图像采集的同时，监控器的镜头也做了相应的改进——将一物镜镜头（放大倍数4-5左右）取代传统摄像机镜头，使图像更加清晰，较大的放大倍数会使观察效果更理想，更有助于切削机理的展示，在切削图像的采集方面，我们的作品所成图像更为清晰。 综上，在造价上要远远低于铣床改进后的金属切削实验装置，在图像采集上也毫不逊色于其它侧面观察实验装置，并且我们的作品体积小，可移动，一经问世，一定会被大众所亲睐，具有较好的市场前景，经济效益十分可观。
同类课题研究水平概述
- 现在应用于切削层变形过程动态观察的实验方法主要有：高速摄影法、快速落刀法、侧面变形观察法、在线瞬态体视摄影系统、扫描电镜显微观察法、光弹性光塑性试验法等。 1）高速摄影法：利用高速摄影机，拍摄被切削试件的侧面，可以得到一个完整的切屑形成过程的真实图像。即使在切削速度较高时弥补肉眼观察的不足。常用的高速摄影机每秒可拍摄几百幅到一万幅以上。 2）快速落刀法：利用一种特殊的刀架，叫做“快速落到装置”，在某一瞬间使刀具以很快的速度脱离工件，固名“快速落刀法”。 用快速落刀装置，使刀具在切削过程中快速退出切削区，就可以将切屑根部的某一瞬间的变形状态保留下来。刀具退出后切屑仍与试件相连。将切屑根部连同切屑一起，从试件上取下来，制成磨片，在显微镜下面进行观察和拍照，了解切削过程的本质。 3）侧面观察法：工件作直角自由切削时，从侧面观察切屑的金属变形情况。在低速下，可以直接观察从刀刃接触工件开始知道切屑形成的整个过程。通常，为了对金属切削层各点的变形看的更清楚，可以将工件侧面抛光，画出细小的方格，观察切削过程中这些方格如何被扭曲，借以判断和认识切削层的塑性变形情况，即侧面方格形观察法。 我们的作品采用的观察方法与侧面变形观察法相比： 侧面变形观察法是众多方法中较简便的方法，但都是通过改造铣床实现的，包括铣床在内的整个实验系统成本接近10万元，用于科研已是很难接受，更不用说用于教学；而该产品自行设计、制作，大大降低了成本需求，更加具有针对性。例如广东某大学用液压牛头刨床进行该实验。其成本造价非常之高，并且刨床体积硕大仅局限于大型车间中使用，不适宜在试验室中进行观察试验。天津某大学用改造铣床进行该实验。如前所述其造价甚高不宜在实验中使用。 总之，与其他实验装置相比，该产品成本低廉，更加经济实惠；而且操作简单、方便，可以一边切削一边观察，现象明显，效果很好。由此可以对切削层具体结构、形状、形成过程以及积屑瘤形成的过程等进行深入观察与分析。
