阅读说明：本技术 一种剪切角在线测量系统及方法 (Shear angle on-line measurement system and method ) 是由 张小明 邓志豪 张东 丁汉 于 2019-09-20 设计创作，主要内容包括：本发明属于金属切削加工领域,并具体公开了一种剪切角在线测量系统及方法,其包括刀具、透光薄片、激光扫描仪和车床滑台,其中,所述刀具装夹在所述车床滑台上,所述透光薄片固定在所述刀具上方,所述激光扫描仪安装在所述透光薄片上方,并固定在所述车床滑台上；测量时,所述刀具对工件进行切削,所述透光薄片在工件的切屑形成时将切屑压在透光薄片和刀具之间,所述激光扫描仪透过透光薄片扫描该切屑厚度方向的外轮廓,从而得到切屑厚度,进而通过切屑厚度得到剪切角。本发明在切削实验过程中完成剪切角测量,结构简单,安装容易,在一般的车床上即可使用,同时测量结果准确可靠。(The invention belongs to the field of metal cutting machining, and particularly discloses a shear angle on-line measuring system and a shear angle on-line measuring method, wherein the shear angle on-line measuring system comprises a cutter, a light-transmitting sheet, a laser scanner and a lathe sliding table, wherein the cutter is clamped on the lathe sliding table, the light-transmitting sheet is fixed above the cutter, and the laser scanner is arranged above the light-transmitting sheet and fixed on the lathe sliding table; during measurement, the cutter cuts a workpiece, chips are pressed between the light-transmitting sheet and the cutter when the chips of the workpiece are formed, the laser scanner scans the outer contour of the chip in the thickness direction through the light-transmitting sheet, the chip thickness is obtained, and then the shearing angle is obtained through the chip thickness. The invention completes the measurement of the shearing angle in the cutting experiment process, has simple structure and easy installation, can be used on a common lathe, and has accurate and reliable measurement result.)

一种剪切角在线测量系统及方法

技术领域

本发明属于金属切削加工领域，更具体地，涉及一种剪切角在线测量系统及方法。

背景技术

剪切角是剪切面和切削速度方向的夹角，它指出了切削单元剪切的方向，其大小对切削中的金属变形、切削力以及切削温度有着重要影响，是金属切削过程中一个相当重要的参数。剪切角越大，切削变形就越小；剪切角越小，切削变形就越大。许多学者根据弹塑性等理论对剪切角问题进行了大量研究，试图建立刀具前角γ₀、刀具与切屑接触面上的摩擦角β和剪切角φ的理论关系式，推导出许多计算剪切角的公式，目前常用的剪切角公式有以下两种：

(1)Merchant公式：Merchant模型首次对剪切角进行了定量分析，形式简单且易于计算，其根据剪切面在单位切削体积的能量消耗为最小的方向上发生这一原理，并假设剪切面为理想塑性区，其剪应力为常数，经一系列推导后得到2φ+β-γ₀＝π/2，其中，φ为剪切角，β为摩擦角，γ₀为刀具前角；

(2)Lee and Shaffer公式：Lee和Shaffer模型则首次运用了滑移线原理来分析切削问题，其根据材料的最大剪应力方向与其主应力方向之间的夹角为π/4的原则，推导得到φ＝π/4-(β-γ₀)，其中，φ为剪切角，β为摩擦角，γ₀为刀具前角。

对这两种模型，Merchant模型对剪切区应力、应变关系考虑不足；Lee andShaffer模型则忽略了材料的加工硬化现象，这两种预测模型均与实际情况有着一定的偏差，只能定性地反映刀具前角及摩擦角对剪切角的影响；再者，这两个模型都是以材料的静态变形理论为基础，而在实际切削过程中，滑移区材料的剪应变一般在10²/s到10⁴/s，如此高的应变速度与静态变形有着很大的差异。因此，搭建一个动态计算剪切角的平台是非常有必要的。

随着工业相机的性能越来越优秀，相应的数字图像处理相关(DIC，DigitalImaging Correlation)技术也越来越成熟，图像处理及DIC技术也越来越多地用在了机械加工领域。DIC技术是通过拍摄切削过程中的两帧图像，把变形场分成不同大小的分析区域，对物体表面的像素特征点进行追踪与匹配，通过比较变形前后的分析区域进行“相关性匹配”来实现的，这种方法对于平面内位移测量具有良好的精度，对直角切削来说，如果采用2D相机结合DIC技术，虽然能够观察到直角切削中切屑与工件基体的分离过程，然后通过DIC技术计算剪切带中应变率最大的点的连线来找出剪切角，但这种方法一是在光源不稳定的情况下，匹配算法的结果也不太稳定；二是只能测得面内位移，没有办法计算离面位移，所以并不适用于斜角切削；三是使用高速相机价格昂贵，安装和使用也比较困难。如果将双目高速相机应用到剪切角的测量中，则需要匹配左右两相机拍摄图像中的切屑，然后利用一系列图像处理算法来提取切屑，还原出切屑表面各点的三维空间坐标并拟合才能得到想要的切屑厚度并计算出剪切角，工作量大且同样存在着鲁棒性不高和价格昂贵的问题。

因此，找到一种使用方便且精度较高的剪切角在线测量的方法，将其应用到切削过程有关参数的分析中，为加工表面完整性的研究提供一种新的方法与思路，具有重要的意义。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种剪切角在线测量系统及方法，其目的在于，在切削实验时，通过在刀具上方加装的透光薄片引导切屑，同时通过激光扫描仪透过透光薄片测量切屑厚度，进而计算出剪切角，实现剪切角的实时在线测量，系统结构简单、安装容易，测量精度高。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种剪切角在线测量系统，包括刀具、透光薄片、激光扫描仪和车床滑台，其中，所述刀具装夹在所述车床滑台上；所述透光薄片固定在所述刀具上方；所述激光扫描仪安装在所述透光薄片上方，并固定在所述车床滑台上；

测量时，所述刀具对工件进行切削，所述透光薄片在工件的切屑形成时将切屑压在透光薄片和刀具之间，所述激光扫描仪透过透光薄片扫描该切屑厚度方向的外轮廓，从而得到切屑厚度，进而通过切屑厚度得到剪切角。

作为进一步优选的，所述透光薄片优选为蓝宝石薄片。

作为进一步优选的，所述透光薄片的厚度为2mm～10mm。

作为进一步优选的，所述透光薄片下表面与刀具上表面间的距离为5mm～15mm。

作为进一步优选的，所述透光薄片边缘与工件表面间的距离为2mm～5mm。

作为进一步优选的，所述激光扫描仪通过微调平台固定在所述车床滑台上。

作为进一步优选的，所述微调平台包括活动连接的旋转微调平台和位移微调平台，所述旋转微调平台下端安装所述激光扫描仪，所述位移微调平台固定在所述车床滑台上。

按照本发明的另一方面，提出了一种剪切角在线测量方法，其采用上述系统实现，包括如下步骤：

S1刀具按预定的切削层厚度h_D对工件进行切削，透光薄片在工件的切屑形成时将切屑压在透光薄片和刀具之间；

S2激光扫描仪透过透光薄片扫描该切屑厚度方向的外轮廓，从而得到切屑厚度h_ch，进而通过下式计算得到剪切角φ，完成剪切角在线测量：

其中，γ₀是刀具前角。

作为进一步优选的，所述刀具切削工件时，切削速度为30m/min～210m/min，进给量为0.1mm～0.15mm。

作为进一步优选的，所述预定的切削层厚度h_D为2mm～4mm。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明在刀具上方加装透光薄片，在切屑形成时将其压在透光薄片与刀具前刀面之间的缝隙中，这样切屑将不会发生卷曲而沿导引方向流出，从而使激光扫描仪能准确获取切屑厚度，进而计算得到剪切角，系统结构简单，安装容易，在一般的车床上即可使用，适用于直角切削和斜角切削等各种情况，同时测量结果准确可靠。

2.本发明系统能够随着切削进行，实时在线完成剪切角的测量，并且在切削实验过程中即对切屑厚度进行了测量，避免了实验结束后采用游标卡尺测量的读数误差。

3.本发明设置合适的切削参数，避免切屑流出对透光薄片产生过大的挤压力，同时能完整清晰获取切屑外轮廓。

附图说明

图1为本发明实施例剪切角在线测量系统结构示意图；

图2为本发明实施例剪切角在线测量系统实物图；

图3为本发明实施例直角切削工件结构示意图；

图4为切削厚度与剪切角的几何关系示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-工件，2-透光薄片，3-刀具，4-车床滑台，5-磁座，6-夹具，7-激光扫描仪，8-旋转微调平台，9-位移微调平台。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例提供的一种剪切角在线测量系统，如图1和图2所示，包括刀具3、磁座5、透光薄片2、激光扫描仪7、微调平台和车床滑台4，其中：所述刀具3装夹在所述车床滑台4上；磁座5吸附固定在车床滑台4上，且其上有一夹具6，所述透光薄片2位于刀具3上方，并通过紧定螺钉装夹在夹具6上；所述激光扫描仪7位于透光薄片2上方，微调平台包括旋转微调平台8和位移微调平台9，激光扫描仪7安装在旋转微调平台8下端，旋转微调平台8通过位移微调平台9安装在车床滑台4上，位移微调平台9用于调整激光扫描仪7的位置，旋转微调平台8用于调整激光扫描仪7的扫描角度。

具体的，激光扫描仪7发出的可见光波长在透光薄片2能透过的波长范围内，优选的，激光扫描仪7为线激光轮廓扫描仪，透光薄片2为蓝宝石薄片。

进一步的，透光薄片2的厚度为2mm～10mm；切削实验时，透光薄片2下表面与刀具3上表面的距离为5mm～15mm，透光薄片2边缘与待切削工件1表面间的距离为2mm～5mm。

一种剪切角在线测量方法，采用上述系统实现，具体包括如下步骤：

S1刀具3按预定的切削层厚度h_D对工件1进行切削，透光薄片2在工件1的切屑形成时将切屑压在透光薄片2和刀具3之间，使切屑伸展不卷曲且沿导引方向流出；

S2激光扫描仪7向外发射的一定波长的激光，该激光透过透光薄片2扫描切屑厚度方向的外轮廓，从而得到切屑厚度h_ch；进而根据如图4所示的几何关系，得到厚度变形系数ξ：

其中，γ₀是刀具3前角，OM是剪切平面，φ是待求剪切角；进而得到剪切角φ如下式所示，从而完成剪切角在线测量：

具体的，通过磁座5导杆调整透光薄片2的位置，通过微调装置调整激光扫描仪的位置和角度，使其发出激光的长度方向与切屑的宽度方向平行，保证激光透过蓝宝石薄片打在切屑刚刚形成处。

进一步的，切削时，切削速度为30m/min～210m/min，进给量为0.1mm～0.15mm，切削层厚度h_D为2mm～4mm，避免切屑流出对透光薄片产生过大的挤压力。

上述剪切角测量系统和方法，适用于直角切削和斜角切削等各种情况，并可对不同切削参数下的剪切角进行在线测量。

以下为具体实施例：

实施例1

进行直角切削实验：如图3所示，工件为由铝合金1050制成的尺寸100mm×500mm的圆柱件，且在长度方向上每隔4mm切出一个宽度为8mm的环状凹槽，以便于快速落刀。工件通过三爪卡盘装夹在车床主轴上，规格为20mm×15mm×5mm的蓝宝石薄片固定在刀具上方，蓝宝石薄片与刀具表面留有10mm的缝隙，蓝宝石薄片前端距离工件表面2mm；刀具的刀尖距刀具夹具边缘40mm。调整线激光扫描仪的角度，使其线激光的长度方向与切屑的宽度方向平行，保证激光透过蓝宝石薄片打在切屑刚刚形成处，即蓝宝石薄片与工件表面相距2mm的区域。

刀具轴向进给，主轴正转进行切削，切削速度50m/min，进给量0.1mm，切削层厚度3mm；工件切屑形成后，经蓝宝石薄片导出，线激光轮廓扫描仪发射的激光透过蓝宝石薄片实时扫描刚刚形成的切屑厚度，进而实现剪切角在线测量。

实施例2

进行斜角切削实验：工件为由铸铁HT150制成的尺寸50mm×500mm的圆柱件，仍采用实施例1中的刀具和蓝宝石薄片，仅更换工件并调整线激光轮廓扫描仪的角度。

刀具轴向进给，主轴正转进行切削，切削速度30m/min，进给量0.1mm，切削层厚度2mm；工件切屑形成后，经蓝宝石薄片导出，线激光轮廓扫描仪发射的激光透过蓝宝石薄片实时扫描刚刚形成的切屑厚度，进而实现剪切角在线测量。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。