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。
技术实现要素：
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。
进一步优选方案为所述的三轴超精密机床放置于超精密加工实验室中，超精密加工实验室的温度控制在20±0.1℃，湿度控制在35±5％，洁净度控制在800级以上。所述三轴超精密机床包括机床主轴、机床x轴、机床z轴。所述三向微动台位移分别是：x向位移、y向位移、z向位移，三向微动台在每个方向位移行程均为5mm、分辨率为10nm。机床主轴转速控制切削速度，通过调节机床主轴转速、机床x轴和机床z轴的运动速度和位移、三向微动台的位移来控制切削深度、划痕形状。所述激光位移传感器采样频率范围为100hz-1mhz。
进一步地，本发明还提供一种精密切削微纳米力学测试实验方法，具体包括如下步骤：
s1、确保三轴超精密机床的各个轴系的工作特性正常，使三轴超精密车床待机预热至车床达到热稳定；安装超精密车床的刀具，完成刀具的动平衡调整；
s2将试样安装于三向微动台上，三向微动台安装于三向测力仪上；通过调节三向微动台实现对刀工序；
s3、开启三向测力仪、激光位移传感器、高速摄像机、热成像仪；使激光位移传感器、高速摄像机、热成像仪聚焦于三轴超精密机床切削位置对切削过程进行监测；
s4、超精密车床带动刀具旋转，控制进给使刀具对准试样，进行不同速度、不同切削深度、不同划痕形状下的切削试验；
s5、实验过程中收集实时在位测量数据；通过三向测力仪收集试样切削过程的受力变化数据；通过激光位移传感器获取切削过程刀具的切削振动信号数据；通过热成像仪获取试样切削过程的温度变化数据；通过高速摄像机对试样切削过程进行观测。
进一步优选方案为，所述三轴超精密机床包括机床主轴、机床x轴、机床z轴。所述三向微动台位移分别是：x向位移、y向位移、z向位移，三向微动台在x向位移行程为5mm、分辨率为10nm；三向微动台在y向位移行程为5mm、分辨率为10nm；三向微动台在x向位移行程为5mm、分辨率为10nm。
进一步优选方案为，当机床主轴旋转一周，机床x轴和机床z轴不动，会获得圆弧状的划痕，通过调节三向微动台的y向位移，改变切削深度；调节机床主轴转速，获得不同切削速度下划痕；
机床主轴每旋转一周，机床x轴运动l距离，会获得波浪线状的划痕，每两个波浪最高点之间距离为l；通过调节三向微动台的y向位移，改变划痕深度；通过调节机床主轴转速与机床x轴运动速度，获得不同切削速度下划痕；
在机床主轴每旋转一周，机床x轴运动l距离、机床z轴运动m距离，运动两次即可获得3条平行线的划痕，两条相邻平行线间距离为m；调节三向微动台的y向位移，改变划痕深度；通过调节机床主轴转速、机床x轴运动速度、机床z轴运动速度，获得不同切削速度下划痕。
对于那些高硬度、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。现有的的切削加工过程对材料性能的分析通常是针对加工后的材料表面或进行检测，难以满足在切削加工过程中进行分析。
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；三轴超精密机床包括机床主轴、机床x轴、机床z轴，实验过程中刀具通过夹具安装于主轴上，刀具随主轴旋转运动。试样安装于三向微动台上，通过微动台可对试样高度进行精密微调，三向微动台安装于三向测力仪上。
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。
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。
本发明通过超精密车床，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。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明提供的一种精密切削微纳米力学测试实验平台及方法，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；
2、本发明提供的一种精密切削微纳米力学测试实验平台及方法，在切削加工过程中对实际切削状态进行动态监测，可以满足切削加工过程中的研究需求。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明装配示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-三轴超精密机床，2-三向微动台，3-三向测力仪，4-激光位移传感器，5-高速摄像机，6-热成像仪，7-机床主轴，8-机床x轴，9-机床z轴，10-试样，11-金刚石刀具。
图2为切削划痕a示意图。
12-切削划痕a。
图3为切削划痕b示意图。
13-切削划痕b。
图4为切削划痕c示意图。
14-切削划痕c。
图5为实验过程切削力测试示意图。
图6为实验过程刀具振动测试示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
一种精密切削微纳米力学测试实验平台，主要装置简图如图1所示，包括三轴超精密机床1，三向微动台2，三向测力仪3，激光位移传感器4，高速摄像机5、热成像仪6；三向微动台2安装于三向测力仪3上，三向测力仪固定在三轴超精密机床1的工作台上，激光位移传感器4、高速摄像机5、热成像仪6聚焦于切削位置。其中三轴超精密机床1包括机床主轴7、机床x轴8、机床z轴9。在切削过程中，三向测力仪3采集切削力的变化过程数据、激光位移传感器4采集振动数据、高速摄像机5采集切屑断裂分离情况、热成像仪6采集中切削温度的变化过程数据。
所述三向微动台2位移分别是：三向微动台2的x向位移、三向微动台2的y向位移、三向微动台2的z向位移，三向微动台每个方向位移行程都为5mm、分辨率都为10nm。
机床主轴7转速控制切削速度，通过调节机床主轴7转速、机床x轴8和机床z轴9的运动速度和位移、三向微动台2的位移来控制切削深度、划痕形状。
如图2所示，当机床主轴7旋转一周，机床x轴8和机床z轴9不动，会获得圆弧状的划痕，通过调节三向微动台2的y向位移，改变划痕深度；调节主轴转速，获得不同切削速度下划痕；
如图3所示，机床主轴7每旋转一周，机床x轴8运动l距离，会获得波浪线状的划痕，每两个波浪最高点之间距离为l；通过调节三向微动台2的y向位移，改变划痕深度；通过调节机床主轴7转速与机床x轴8运动速度，获得不同切削速度下划痕；
如图4所示，在机床主轴7每旋转一周，机床x轴8运动l距离、机床z轴9运动m距离，运动两次即可获得3条平行线的划痕，两条相邻平行线间距离为m；通过调节三向微动台2的y向位移，改变划痕深度；通过调节机床主轴7转速、机床x轴8运动速度、机床z轴9运动速度，获得不同切削速度下划痕。
激光位移传感器4采样频率范围为100hz-1mhz。超精密机床放置于超精密加工实验室中，超精密加工实验室的温度控制在20±0.1℃，湿度控制在35±5％，洁净度控制在800级以上。
实施例2
实施上述一种精密切削微纳米力学测试实验平台的方法，具体包括如下步骤：
s1、确保三轴超精密机床的各个轴系的工作特性正常，使超精密车床待机预热至车床达到热稳定；安装超精密车床的刀具，完成刀具的动平衡调整；
s2将试样安装于三向微动台上，三向微动台安装于三向测力仪上；通过调节三向微动台实现对刀工序；
s3、开启三向测力仪、激光位移传感器、高速摄像机、热成像仪；使激光位移传感器、高速摄像机、热成像仪聚焦于三轴超精密机床切削位置对切削过程进行监测；
s4、超精密车床带动刀具旋转，控制进给使刀具对准试样进行切削，进行不同速度、不同切削深度、不同划痕形状下的切削试验；
s5、收集实时在位测量数据；通过三向测力仪收集试样切削过程的受力变化数据；通过激光位移传感器获取切削过程刀具的切削振动信号数据；通过热成像仪获取试样切削过程的温度变化数据；通过高速摄像机对试样切削过程进行观测。
实验过程中金刚石刀具11通过夹具安装于主轴3上，金刚石刀具11随机床主轴7旋转运动，所述试样10安装于三向微动台2上，通过三向微动台2可对试样11高度进行精密微调，所述的三向微动台2安装于三向测力仪3上。激光位移传感器4聚焦于金刚石刀杆上，对金刚石刀具11划擦过程中的振动数据进行采集，采集的金刚石刀具振动数据如图5所示；高速摄像5机用于获取切削过程中切屑断裂分离情况；热成像仪6可获取划擦加工中切削温度的变化过程；三向测力仪3固定在三轴精密车床1的工作台上，用于检测切削加工中切削力的变化过程，所得切削力测试如图6所示。
机床主轴7转速控制切削速度，通过调节机床主轴7转速、机床x轴8和机床z轴9的运动速度和位移、三向微动台2的位移来控制切削深度、划痕形状。
当机床主轴7旋转一周，机床x轴8和机床z轴9不动，会获得圆弧状的划痕，通过调节三向微动台2的y向位移，改变划痕深度；调节主轴转速，获得不同切削速度下划痕；
机床主轴7每旋转一周，机床x轴8运动l距离，会获得波浪线状的划痕，每两个波浪最高点之间距离为l；通过调节三向微动台2的y向位移，改变划痕深度；通过调节机床主轴7转速与机床x轴8运动速度，获得不同切削速度下划痕；
在机床主轴7每旋转一周，机床x轴8运动l距离、机床z轴9运动m距离，运动两次即可获得3条平行线的划痕，两条相邻平行线间距离为m；通过调节三向微动台2的y向位移，改变划痕深度；通过调节机床主轴7转速、机床x轴8运动速度、机床z轴9运动速度，获得不同切削速度下划痕。
本实施例采用的三向微动台2的x/y/z方向行程分别为5mm/5mm/5mm，分辨率为10nm；激光位移传感器4采样频率范围为100hz-1mhz，是一种非接触电容式原理的精密测量仪器，具有信噪比大，灵敏度高，频响宽，非线性小，精度稳定性好，抗电磁干扰能力强和使用操作方便等优点。
切削速度可在三轴超精密机床主轴7最大转速内任意选择，划擦深度可以通过三向微动台2的y轴进给设定，划擦深度的精度依赖于三向微动台2的调节精度。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种精密切削微纳米力学测试实验平台，其特征在于，包括：三轴超精密机床(1)，三向微动台(2)，三向测力仪(3)，激光位移传感器(4)，高速摄像机(5)、热成像仪(6)；三向微动台(2)安装于三向测力仪(3)上，三向测力仪固定在三轴超精密机床(1)的工作台上，激光位移传感器(4)、高速摄像机(5)、热成像仪(6)聚焦于切削位置；
在切削过程中，三向测力仪(3)采集切削力的变化过程数据、激光位移传感器(4)采集振动数据、高速摄像机(5)采集切屑断裂分离情况、热成像仪(6)采集中切削温度的变化过程数据。
2.根据权利要求1所述的一种精密切削微纳米力学测试实验平台，其特征在于，所述的三轴超精密机床(1)放置于超精密加工实验室中，超精密加工实验室的温度控制在20±0.1℃，湿度控制在35±5％，洁净度控制在800级以上。
3.根据权利要求1所述的一种精密切削微纳米力学测试实验平台，其特征在于，所述三轴超精密机床(1)包括机床主轴(7)、机床x轴(8)、机床z轴(9)。
4.根据权利要求1所述的一种精密切削微纳米力学测试实验平台，其特征在于，所述三向微动台(2)位移分别是：x向位移、y向位移、z向位移，三向微动台(2)在x向位移行程为5mm、分辨率为10nm；三向微动台(2)在y向位移行程为5mm、分辨率为10nm；三向微动台(2)在z向位移行程为5mm、分辨率为10nm。
5.根据权利要求1所述的一种精密切削微纳米力学测试实验平台，其特征在于，机床主轴(7)转速控制切削速度，通过调节机床主轴(7)转速、机床x轴(8)和机床z轴(9)的运动速度和位移、三向微动台(2)的位移来控制切削深度、划痕形状。
6.根据权利要求1所述的一种精密切削微纳米力学测试实验平台，其特征在于，所述激光位移传感器(4)采样频率范围为100hz-1mhz。
7.一种精密切削微纳米力学测试实验方法，具体包括如下步骤：
s1、确保三轴超精密机床的各个轴系的工作特性正常，使三轴超精密车床待机预热至车床达到热稳定；安装超精密车床的刀具，完成刀具的动平衡调整；
s2将试样安装于三向微动台上，三向微动台安装于三向测力仪上；通过调节三向微动台实现对刀工序；
s3、开启三向测力仪、激光位移传感器、高速摄像机、热成像仪；使激光位移传感器、高速摄像机、热成像仪聚焦于三轴超精密机床切削位置对切削过程进行监测；
s4、超精密车床带动刀具旋转，控制进给使刀具对准试样，进行不同速度、不同切削深度、不同划痕形状下的切削试验；
s5、实验过程中收集实时在位测量数据；通过三向测力仪收集试样切削过程的受力变化数据；通过激光位移传感器获取切削过程刀具的切削振动信号数据；通过热成像仪获取试样切削过程的温度变化数据；通过高速摄像机对试样切削过程进行观测。
8.根据权利要求7所述的一种精密切削微纳米力学测试实验方法，其特征在于，所述三轴超精密机床包括机床主轴、机床x轴、机床z轴。
9.根据权利要求7所述的一种精密切削微纳米力学测试实验方法，其特征在于，所述三向微动台位移分别是：x向位移、y向位移、z向位移，三向微动台在x向位移行程为5mm、分辨率为10nm；三向微动台在y向位移行程为5mm、分辨率为10nm；三向微动台在x向位移行程为5mm、分辨率为10nm。
10.根据权利要求7所述的一种精密切削微纳米力学测试实验方法，其特征在于，
当机床主轴旋转一周，机床x轴和机床z轴不动，获得圆弧状的划痕，通过调节三向微动台的y向位移，改变切削深度；调节机床主轴转速，获得不同切削速度下划痕；
机床主轴每旋转一周，机床x轴运动l距离，获得波浪线状的划痕，每两个波浪最高点之间距离为l；通过调节三向微动台的y向位移，改变划痕深度；调节机床主轴转速与机床x轴运动速度，获得不同切削速度下划痕；
在机床主轴每旋转一周，机床x轴运动l距离、机床z轴运动距离m，运动两次获得3条平行线的划痕，两条相邻平行线间距离为m；通过调节三向微动台的y向位移，改变划痕深度；调节机床主轴转速、机床x轴运动速度、机床z轴运动速度，获得不同切削速度下划痕。
技术总结