高速切削时刀具表面与木材间的摩擦力的测量设备及方法与流程

本发明涉及一种测量设备，具体涉及一种高速切削时刀具表面与木材间的摩擦力的测量设备，属于木材切削加工设备及方法领域。

背景技术：

摩擦行为在木材切削过程中扮演着重要角色，木材切削中所消耗的能量中有很大部分用于克服木材工件和刀具表面产生的摩擦力。特别是当考虑到刀具前刀面与形成的切屑或后刀面与已加工表面作用时，正确理解摩擦现象是非常必要的。作用在刀具前刀面的摩擦力不仅直接影响到刀具磨损，而且影响加工工件的表面质量，无论是对已加工表面的质量，还是如旋切、刨切等切削方式产生的切屑表面质量。

目前针对摩擦系数和摩擦力的测量装置和方法根据载荷范围可分为:超纳米摩擦磨损试验机，纳米摩擦磨损试验机，微米摩擦磨损试验机(10n)，大载荷摩擦磨损试验机(1000kn)。

根据摩擦运动方式可分为:线性往复摩擦磨损试验机，高速线性往复摩擦磨损试验机(振动摩擦磨损试验机)，旋转摩擦磨损试验机，高速旋转摩擦磨损试验机。根据摩擦副可分为球盘摩擦磨损试验机，销盘摩擦磨损试验机，盘盘摩擦磨损试验机，环块摩擦磨损试验机，四球摩擦磨损试验机，缸套活塞环摩擦磨损试验机，高频摩擦磨损试验机，高温摩擦磨损试验机，真空摩擦磨损试验机，以上摩擦测试方法主要是体现在不同的温度、气氛、载荷、时间以及不同摩擦速度等工况条件下滑动、滚动、自旋这三种基本摩擦形式，

此外还有一种可进行多功能试验测试的摩擦磨损试验机，如美国的falex和retc多功能摩擦试验机增加不同的模块后就可以模拟形成球-平面，四球，板-板(面接触)、针-盘和滚动四球等多种摩擦形式。

以上摩擦方法和装置广泛运用在对设备、冶金、汽车、铁道、宇航以及电子等方面的机械存在的摩擦学问题，如汽车的气缸、轴承、套筒等零部件，还可以对各种刀具切削时的摩擦性能进行分析和评价。

但是，目前现有的摩擦力和摩擦系数测量装置和方法其摩擦速度相对于木材切削速度较低，以目前检索到的最大摩擦速度的销-盘式高速摩擦试验机为例，其主轴转速最高可达3000r/min,根据样品盘的直径(80mm)折算后的线速度最高为4m/s,其速度适用于金属切削速度，但木材切削区别于金属切削的显著特点之一便是切削速度高，如在高速铣削或高速钻削时，其线速度可达10m/s，在如此高的切削速度下准确掌握木材和刀具表面的摩擦力和摩擦系数具有一定难度。而且，物体在爆炸/冲击载荷下的力学响应往往与静载荷下或准静态载荷的有显著不同，这也是准确掌握切削时冲击摩擦状态的关键所在，对于摩擦力学、切削摩擦学和材料学科的教学和科研而言显得意义非常重大。

此外，现有针对摩擦力和摩擦系数的测量装置和方法，虽然也可显示适时测量数据，但其最终值均是在相同运动轨迹上多次运动后对摩擦力累积后的平均值，这一方法更适用于模拟轴承或轨道时的摩擦工况，而木材切削多属于断续式的切入型摩擦运动方式，速度快，切屑和刀具表面接触时间极短，所以摩擦发生在很多的时间内(毫秒甚至微秒)，因此，采用现有测量方法和装置还是具有一定的局限性。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种高速切削时刀具表面与木材间的摩擦力的测量设备，克服现有技术中木材切削属于断续式的切入型摩擦运动方式，特点是速度快，切屑和刀具表面接触时间极短，所以摩擦发生在很多的时间内(毫秒甚至微秒)，缺乏针对上述特点有效进行摩擦力测定的方法和设备的缺陷。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种高速切削时刀具表面与木材间的摩擦力的测量设备，包括依次水平布置的冲击装置、冲击杆、摩擦发生装置、接收杆、缓冲装置及位于所述冲击装置与所述冲击杆之间且偏离轴线布置的速度测量仪，所述冲击装置的壳体前端具有接纳孔，所述接纳孔内安装有冲击锤，所述冲击锤可沿着该轴线方向射出；所述摩擦发生装置内具有上下布置水平方向可相对移动的第一试件和第二试件，所述第一试件上端连接有施压装置；所述冲击锤、冲击杆、第一试件同轴布置，第二试件及接收杆同轴线布置依次进行力传递。

本发明的有益效果是：本发明采用冲击锤撞击冲击杆产生一个应力波，该应力波可以作用在第一试件上，第一试件在应力波的作用下产生高速运动与施加一定压力的第一试件接触面产生摩擦力，摩擦力通过第二试件作用在接收杆上，并在所述接收杆内产生应力波，通过检测冲击杆和接收杆内的应变力，计算摩擦力，本发明结构产生适合测量木材切入型切削摩擦运动方式，可及时，准确的检测短时间、高速运动状态下的摩擦力。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

本发明如上所述一种高速切削时刀具表面与木材间的摩擦力的测量设备，进一步，所述缓冲装置包括缓冲杆和阻尼部，所述接收杆与所述缓冲杆同轴布置，所述缓冲杆穿过所述阻尼部。

本发明如上所述一种高速切削时刀具表面与木材间的摩擦力的测量设备，进一步，所述阻尼部包括壳体和填充在所述壳体内的阻尼材料。

本发明如上所述一种高速切削时刀具表面与木材间的摩擦力的测量设备，进一步，包括机架、固定在机架上的固定架及安装架，所述摩擦发生装置通过固定架固定在机架上，所述冲击杆、接收杆及缓冲杆均可滑动的安装在所述安装架上。

本发明如上所述一种高速切削时刀具表面与木材间的摩擦力的测量设备，进一步，还包括与所述冲击杆同轴布置的输入杆，所述冲击杆产生的应力波通过输入杆传递给所述第一试件。

本发明如上所述一种高速切削时刀具表面与木材间的摩擦力的测量设备，进一步，还包括数据分析处理仪，所述冲击杆和接收杆均安装有应力片，所述应力片连接动态应变仪，所述动态应变仪与所述速度测量仪均与所述数据分析处理仪信号线连接。

本发明如上所述一种高速切削时刀具表面与木材间的摩擦力的测量设备，进一步，所述冲击装置为电磁冲击装置或者空气压力冲击装置。

本发明如上所述一种高速切削时刀具表面与木材间的摩擦力的测量设备，进一步，所述摩擦发生装置内的第一试件和第二试件通过其内的光滑导向轨定位。

本发明还提供一种高速切削时刀具表面与木材间的摩擦力的测量方法，使用上述测量设备进行测量，包括以下步骤：冲击装置射出所述冲击锤，所述冲击锤撞击冲击杆并检测冲击杆的应力；所述冲击杆产生的应力波传输给摩擦装置内的第一试件，第一试件在压力作用下与高速运动的第二试件触碰，第二试件作用在所述接收杆上，并检测冲击杆和接收杆内的应变力，计算摩擦力。

附图说明

图1为本发明一种高速切削时刀具表面与木材间的摩擦力的测量设备的结构示意图；

图2为本发明一种高速切削时刀具表面与木材间的摩擦力的测量设备摩擦发生装置内部发生摩擦过程的结构示意图。

图3为本发明实施时的加载示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、冲击装置，2、冲击锤，3、速度测量仪，4、冲击杆，5、第一应力片，6、第一试件，7、摩擦发生装置，8、接收杆，9、第二应变片，10、缓冲杆，11、阻尼部，12、速度记录仪，13、第二试件，14、动态应变仪，数据分析处理仪，16、安装架，17、机架，18、固定架。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，根据本发明实施例高速切削时刀具表面与木材间的摩擦力的测量设备，包括依次水平布置的冲击装置1、冲击杆4、摩擦发生装置7、接收杆8、缓冲装置及位于冲击装置与冲击杆之间且偏离轴线布置的速度测量仪3，冲击装置1的壳体前端具有接纳孔，接纳孔内安装有冲击锤2，冲击锤可沿着该轴线方向射出；摩擦发生装置7内具有上下布置水平方向可相对移动的第一试件6和第二试件13，第一试件上端连接有施压装置；冲击锤2、冲击杆4、第一试件6同轴布置，第二试件13及接收杆8同轴线布置依次进行力传递。

具体地，缓冲装置包括缓冲杆10和阻尼部11，接收杆8与缓冲杆10同轴布置，缓冲杆10穿过阻尼部11。更具体地，阻尼部包括壳体和填充在壳体内的阻尼材料。

在一些具体实施例中，包括机架17、固定在机架上的固定架18及安装架16，摩擦发生装置通过固定架18固定在机架17上，冲击杆4、接收杆8及缓冲杆10均可滑动的安装在安装架16上，安装架可以为等间距布置的多个。

在另一些具体实施例中，还包括与冲击杆同轴布置的输入杆，冲击杆产生的应力波通过输入杆传递给第一试件。

具体地，还包括数据分析处理仪，冲击杆4和接收杆8均安装有应力片，应力片连接动态应变仪14，动态应变仪14与速度测量仪12均与数据分析处理仪15信号线连接，具体地，速度测量仪3可以通过速度记录仪12与数据分析处理仪15信号线连接。更具体地，冲击装置为电磁冲击装置或者空气压力冲击装置。

在一个具体示例中，摩擦发生装置内的第一试件6和第二试13件通过其内的光滑导向轨定位。

本发明高速切削时刀具表面与木材间的摩擦力的测量设备进行测量过程中，冲击装置1通过空气压力或电磁冲击射出冲击锤2，使冲击锤产生一定速度，高速撞击冲击杆4，冲击锤的最大速度可达10m/s；速度测量仪3可使用激光测速或其他测速原理对冲击锤2的冲击速度进行监测，当冲击锤2以一定速度撞击冲击杆后，会在冲击杆4中产生一个应力波，应力波通过输入杆到达摩擦发生装置7中的第一试件6,第一试件6在应力脉冲的作用下产生高速运动。

如图2所示，摩擦装置原理示意图，第一试件6在一定压力f下与高速运动的第二试件13接触表面产生摩擦力f，摩擦力f通过第二试件13作用在接收杆8，并在接收杆8内产生引力波；第一试件6和第二试件13在摩擦装置7内进行滑动摩擦时，接收杆8在力的作用下会撞击缓冲杆10，缓冲杆10通过阻尼部11中的阻尼材料将缓冲杆的速度降低并最终停止。

其中，冲击杆4和接收杆8上粘贴有应变片，该应力片包括第一应变片5和第二应变片9，可记录冲击杆和接收杆内的应变脉冲可以用来计算材料的动态应力、应变参数。

该测试装置的基本原理建立在二个基本假定的基础上，即一维假定(又称平面假定)和应力均匀假定。一维假定认为应力波在细长杆的传播过程中，弹性杆中的每个横截面始终保持为平面状态；应力均匀假定认为应力波在试件中反复2～3个来回，试件中的应力处处相等。由此可利用一维应力波理论确定试件材料的应变应力σ(t)，图3是系统加载过程的示意图，εi、εr、εt分别表示的是应变片测量到的入射、反射和透射信号。ⅰ、ⅱ分别是试件的两个端面，a0是试件的横截面积，l是试件的长度，a和e分别是压杆的横截面积和弹性模量。根据一维应力波理论，试件的两个端面的位移u1和u2可分别表示为

式中，ε1、ε2分别是试件两个端面的应变，c0是压杆的弹性波速。由于入射波到达杆与试样接触端是立刻会有反射波产生，因此入射杆与试件接触面上的应变ε1既包括了向右传播的应变脉冲εi，又包括向左传播的反射应变脉冲εr，

即：

ε1＝εi+εr(3)

因此界面1上的位移u1就可以表示为：

而界面2处的位移u1只与透射脉冲εt有关，故有：

这里的应变均是压应变。

这样，试验的平均应变就可以表示为：

将(4)式、(5)式代入(6)式可得入射、反射和透射应变脉冲信号表示的试件的平均应变为

由一维弹性波的理论可知1和2处的载荷

p1(t)＝ea[εi(t)+εr(t)](8)

p2(t)＝eaεt(t)(9)

试件的平均应力为：

以上即为接收杆8接收的应力，接收杆8内产生的应力和试件与接收杆的接触面积可计算出接收杆所受的力f’，根据作用力和反作用力原理，接收杆8所受的力即为第一试件6和第二试件13表面产生的摩擦力。利用速度测量仪3可以获得冲击装置中冲击锤的冲击速度，将数据信息储存到速度记录仪12，动态应变仪14可记录粘贴在冲击杆4和接收杆9上应变片的变化数据，并根据一定的算法技术出相应的应变、应力等参数；数据分析处理系统15用于对所检测到的速度、应变、应力等参数进行综合处理，分析得出所需的摩擦力。

以上仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。