基本信息
- 項目名稱：
- 金屬切削過程動態(tài)觀測系統(tǒng)的研制
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 一臺低成本，高功能的金屬切削動態(tài)觀察裝置正是當下最緊缺的。本對此進行了縝密的研究，拋棄高成本的觀察裝置，另辟新境：該裝置就是順應目前的發(fā)展趨勢而設計、制造的。該實驗裝置主要用于更加細致、深入觀察和探究切削過程，切削層變形的具體過程和切屑形態(tài)、積屑瘤形狀和特點等。是依靠現(xiàn)有技術，設計出新的實驗裝置，實現(xiàn)小成本、大制作，可以為所需要的各高校、科研機構等降低實驗成本，提供更加方便、實惠的相關實驗裝置。
- 詳細介紹：
- 金屬的機器零件可能經過的加工方式可分為塑性加工，加熱加壓成型加工，機械加工，高能加工，電及化學加工等幾大類。塑性加工又分為熱鍛加工，軋壓加工，冷拔加工，擠壓加工，冷鍛加工，剪切加工和彎曲加工????在這些加工工藝中，機械加工可包括用道具加工——切削加工，在機械制造過程中所占比重最大，用途最廣。目前機械制造中所用的工作母機有80%-90%仍為金屬切削機床。日本近年來每年消費在與切削加工有關的費用超過10000億日元;美國每年消耗在切削加工方面的費用近年達1000億美元，在工業(yè)發(fā)達的國家中，國民經濟中創(chuàng)造物質財富部分，制造業(yè)占著主導地位；而且各個經濟部門都必須有相當?shù)臋C械制造力量。由上面所列的數(shù)據(jù)可知：機械制造業(yè)的切削加工在國民經濟發(fā)展中處于十分重要的地位。 而在切削加工領域，掌握金屬切削的規(guī)律，進而提高切除效率，降低成本和保證質量很是重要。如果不懂得金屬切削時，切屑是如何被切下來的，則對金屬切削加工中的各種物理現(xiàn)象，如切削力，刀具磨損和加工表面質量等就無從研究起，更不用說解決生產實踐中的諸多問題了。因此金屬切削變形過程的研究，是金屬切削基礎理論的一個基本問題。 現(xiàn)在應用于切削層變形過程動態(tài)觀察的實驗方法主要有：高速攝影法、快速落刀法、側面變形觀察法、在線瞬態(tài)體視攝影系統(tǒng)、掃描電鏡顯微觀察法、光彈性光塑性試驗法等。 目前金屬切削動態(tài)觀測中，側面觀察法操作簡單，觀察效果清晰，所以我們組采用的觀察法基于側面觀察法的原理，并且對其進行了整體的重新設計，具有自己的特色，與銑床改裝后的觀測裝置相比較，我們在設計時，通過電機-鏈輪-絲杠-大螺母的傳動連接，大大降低了生產的成本，降低了實驗觀察時所需要的經濟基礎；并且，同時在龍門刀架上安裝有改裝物鏡攝像頭的攝像機，攝像頭緊貼金屬代加工表面，保證了圖像的清晰度，同時物鏡攝像頭確保了5-50倍的放大倍數(shù)，足夠的放大倍數(shù)保證了較強的觀察效果，可以清晰的辨別出切屑的變形區(qū)，剪切角等等 該切削層變形過程動態(tài)觀察的實驗裝置是順應目前的發(fā)展趨勢設計、制造的，主要用于更加細致、深入觀察和探究切削過程，切削層變形的具體過程和切屑形態(tài)、積屑瘤形狀和特點等，是依靠現(xiàn)有技術，設計出新的實驗裝置，可以為所需要的各高校、科研機構等降低實驗成本，提供更加方便、實惠的相關實驗裝置。 目前為止應用現(xiàn)有實驗技術的其他實驗裝置往往不具備針對性，或使用性較低或成本較高，本“切削層變形過程動態(tài)觀察的實驗裝置”，在實驗臺的設計、制作方面都采用新的技術和方案，照以往的實驗裝置有了很大創(chuàng)新與改進。與傳統(tǒng)實驗裝置相比，此實驗系統(tǒng)中，通過變頻器改變電機頻率，以此來調節(jié)工件移動的速度，從而使得切削過程可以在不同的速度下進行。攝像機和計算機的安裝，更加方便了學生對整個切削過程的觀察，更清楚的了解切削的每一個細節(jié)。同時，此實驗裝置的一體化設計，免去了以往實驗繁雜的步驟，使切削實驗變的簡單有趣，效果更佳。從而本項目創(chuàng)新點有： （1）能觀察到動態(tài)的切削過程，實驗現(xiàn)象直觀； （2）能進行圖像采集、存儲、打印，使用方便； （3）能直接測量剪切角、切屑厚度、刀具前角、后角。 （4）切削速度度可調 （5）通過電動機-鏈輪-絲杠-大螺母，進行傳動，大大降低了成本 （6）攝像機觀察，放大倍數(shù)可以自行調節(jié)，觀察更加清晰明了
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 由于金屬切削的工作條件十分惡劣，物理過程的跟蹤觀測非常困難，而且觀測設備昂貴、試驗周期長、人力物力消耗大、綜合成本很高，使得其各種試驗方法分析的結果往往不夠全面，如側面變形觀察法是通過觀察材料側面人工繪制的細小方格變形來推測金屬的變形。為解決因積屑瘤的形成及其對切削過程的影響，對金屬切削過程動態(tài)觀測就顯得尤為重要。因此金屬切削過程動態(tài)觀測系統(tǒng)也便應運而生。目前金屬切削動態(tài)觀測中，側面觀察法操作簡單，觀察效果清晰，所以我們組采用的觀察法基于側面觀察法的原理，并且對其進行了整體的重新設計，具有自己的特色，與銑床改裝后的觀測裝置相比較，我們在設計時，通過電機-鏈輪-絲杠-大螺母的傳動連接，大大降低了生產的成本，降低了實驗觀察時所需要的經濟基礎；并且，同時在龍門刀架上安裝有改裝物鏡攝像頭的攝像機，攝像頭緊貼金屬代加工表面，保證了圖像的清晰度，同時物鏡攝像頭確保了5-50倍的放大倍數(shù)，足夠的放大倍數(shù)保證了較強的觀察效果，可以清晰的辨別出切屑的變形區(qū)，剪切角等等 相關技術：絲杠傳動。調頻變速電動機通過兩級擺針式行星輪減速器將動力傳遞給絲杠；刀架進給運動龍門架正面安裝有刀架，并能調節(jié)刀具的高度，調節(jié)范圍為0mm-20mm；電氣控制部分。變頻器的輸出頻率與電壓成比例變化。電流與負載有關系，與輸出頻率或電壓沒有直接的關系；檢測顯示部分。龍門架側面安裝有顯微攝像機架，其上還安裝有顯微攝像機，并能上下和左右兩個方向調節(jié)顯微攝像機位置，上下調節(jié)范圍為0mm-50mm，左右調節(jié)范圍為0mm-100mm。
科學性、先進性
- 價格合理體積合適：國內外尚未有見到報道電動機與變頻器相連，以此來調節(jié)工件移動的速度，從而使得切削過程慢速進行。攝像機和計算機的安裝，方便學生對整個切削過程的觀察。同時，此實驗裝置的一體化設計，避免繁雜的步驟。 觀察清晰：該產品提供了專門的攝影裝置，直接對切削過程中，切削層的變形過程進行拍攝，通過計算機顯示器對畫面進行放大，更加清晰、明了，而且該裝置的切削速度很低（1mm到20mm每分鐘）。隨時可以觀察隨時可以清晰的觀測。 實驗難度低，成功率高：快速落刀法，需要使用快速落刀裝置，得到切削根，制成金相試樣，在顯微鏡下進行。雖然成本較低，但實驗難度較高、成功率較低，步驟繁瑣，耗時長，最大的缺點是靜態(tài)觀察，不適宜做教學實驗的觀察；而該產品操作簡單、使用方便，加工時間較短，又能用于動態(tài)觀察，特別直觀、易懂，故特別適合使用于教學實驗等方面。 研究成的裝置具有可調速度功能和預顯示功能：可人機對話，設計合理，性能可靠，使用安全節(jié)能，調試和安裝工藝都很簡單，此外該設備和可以用于模擬大型實驗裝置。
獲獎情況及鑒定結果
- 已經通過學校審查
作品所處階段
- 實驗室階段
技術轉讓方式
- 產品轉讓和技術轉讓均可
作品可展示的形式
- 實物、產品、現(xiàn)場演示、圖片
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測
- 機械專業(yè)研究金屬切削變形時，大多數(shù)采取實驗觀察，以達到學生了解金屬切削全過程的目的。就目前較好的側面觀察法而言，由銑床改造，造價在數(shù)十萬元以上，而我們的作品造價在一萬元以下，節(jié)省費用高達約90%。顯而易見，我們的作品可以大大節(jié)約各所院校的教學支出。 對于一些專門從事研究金屬切削原理的機構，我們的作品也會讓他們大大的受益。作品價格低，而且體積小，可以自由移動，其強大的靈活性更是傳統(tǒng)銑床改造后的實驗裝置所無法取代的。 我們的圖像采集系統(tǒng)在采用攝像系統(tǒng)進行圖像采集的同時，監(jiān)控器的鏡頭也做了相應的改進——將一物鏡鏡頭（放大倍數(shù)4-5左右）取代傳統(tǒng)攝像機鏡頭，使圖像更加清晰，較大的放大倍數(shù)會使觀察效果更理想，更有助于切削機理的展示，在切削圖像的采集方面，我們的作品所成圖像更為清晰。 綜上，在造價上要遠遠低于銑床改進后的金屬切削實驗裝置，在圖像采集上也毫不遜色于其它側面觀察實驗裝置，并且我們的作品體積小，可移動，一經問世，一定會被大眾所親睞，具有較好的市場前景，經濟效益十分可觀。
同類課題研究水平概述
- 現(xiàn)在應用于切削層變形過程動態(tài)觀察的實驗方法主要有：高速攝影法、快速落刀法、側面變形觀察法、在線瞬態(tài)體視攝影系統(tǒng)、掃描電鏡顯微觀察法、光彈性光塑性試驗法等。 1）高速攝影法：利用高速攝影機，拍攝被切削試件的側面，可以得到一個完整的切屑形成過程的真實圖像。即使在切削速度較高時彌補肉眼觀察的不足。常用的高速攝影機每秒可拍攝幾百幅到一萬幅以上。 2）快速落刀法：利用一種特殊的刀架，叫做“快速落到裝置”，在某一瞬間使刀具以很快的速度脫離工件，固名“快速落刀法”。 用快速落刀裝置，使刀具在切削過程中快速退出切削區(qū)，就可以將切屑根部的某一瞬間的變形狀態(tài)保留下來。刀具退出后切屑仍與試件相連。將切屑根部連同切屑一起，從試件上取下來，制成磨片，在顯微鏡下面進行觀察和拍照，了解切削過程的本質。 3）側面觀察法：工件作直角自由切削時，從側面觀察切屑的金屬變形情況。在低速下，可以直接觀察從刀刃接觸工件開始知道切屑形成的整個過程。通常，為了對金屬切削層各點的變形看的更清楚，可以將工件側面拋光，畫出細小的方格，觀察切削過程中這些方格如何被扭曲，借以判斷和認識切削層的塑性變形情況，即側面方格形觀察法。 我們的作品采用的觀察方法與側面變形觀察法相比： 側面變形觀察法是眾多方法中較簡便的方法，但都是通過改造銑床實現(xiàn)的，包括銑床在內的整個實驗系統(tǒng)成本接近10萬元，用于科研已是很難接受，更不用說用于教學；而該產品自行設計、制作，大大降低了成本需求，更加具有針對性。例如廣東某大學用液壓牛頭刨床進行該實驗。其成本造價非常之高，并且刨床體積碩大僅局限于大型車間中使用，不適宜在試驗室中進行觀察試驗。天津某大學用改造銑床進行該實驗。如前所述其造價甚高不宜在實驗中使用。 總之，與其他實驗裝置相比，該產品成本低廉，更加經濟實惠；而且操作簡單、方便，可以一邊切削一邊觀察，現(xiàn)象明顯，效果很好。由此可以對切削層具體結構、形狀、形成過程以及積屑瘤形成的過程等進行深入觀察與分析。
