一种刻划深度可调的硬脆材料表面划痕装置

1.本实用新型涉及硬脆材料加工技术领域，具体为一种刻划深度可调的硬脆材料表面划痕装置。


背景技术：

2.现代工业的产品正不断向着更高的精度，更复杂恶劣的使用环境挑战，这对先进材料提出了更高的要求，以光学玻璃、激光晶体、陶瓷基复合材料为代表的硬脆材料，因具备优异的机械、物理和化学性能，在惯性导航、光学设备、航空航天、信息通讯、交通运输等领域正发挥着越来越重要的作用。
3.硬脆材料高硬度，高耐磨性的特点使其在各个领域得到应用，但也导致其加工工艺性差，采用传统的方法加工硬脆材料易产生微裂纹和边缘崩碎现象，难以保证加工质量。
4.为提高硬脆材料加工过程中的表面质量优化加工工艺，常采用单点划切硬脆材料表面实验，在实验过程中通常使用倾斜装夹工件的方法，达到在同一切削参数下硬脆材料表面划痕与不同的刻划深度的关系，以此实现对于硬脆材料表面质量和损伤机理的研究，但倾斜装夹工件以达到不同刻划深度未有专门设备，且存在装夹工件直径单一，装夹角度固定，刻划深度不可调，精度不高等问题。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于提供一种刻划深度可调的硬脆材料表面划痕装置，以解决上述背景技术中提出的问题。
6.为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种刻划深度可调的硬脆材料表面划痕装置，包括机床、设置在机床上用于夹持待加工材料的夹具以及用于向待加工材料刻划的刀具，所述刀具设置在机床上，所述夹具由外套筒和内套筒构成，所述内套筒的外壁上固定连接有行星环并通过行星环转动连接在外套筒内，所述外套筒内设有用于调整内套筒与外套筒轴线角度的调整机构，所述机床上设有用于测量待加工材料角度的角度测量机构。
7.作为本技术方案的进一步优选的，所述调整机构包括蜗杆和齿轮轴，所述蜗杆和齿轮轴的两端均固定连接有轴承并通过轴承与外套筒转动连接，所述蜗杆的端部插接调整杆，所述齿轮轴的中部固定连接有与蜗杆啮合的蜗轮，所述齿轮轴上位于蜗轮的两侧固定连接有两个对称设置的传动齿，所述内套筒的底部固定连接有与两个传动齿啮合的两个齿板。
8.作为本技术方案的进一步优选的，所述内套筒的顶部固定连接有弹簧夹头，所述弹簧夹头的内壁的底部设有锥度，所述弹簧夹头的上部套接有螺纹卡圈。
9.作为本技术方案的进一步优选的，所述角度测量机构包括三套直线运动模组、激光位移传感器和对刀器，三套所述直线运动模组均滑动连接在机床上，其中一套所述直线运动模组上固定连接有基座，所述基座的侧面上固定连接有底板，所述对刀器固定连接在
底板的侧壁上，所述激光位移传感器固定连接在基座的侧面。
10.本实用新型提供了一种刻划深度可调的硬脆材料表面划痕装置，具备以下有益效果：
11.(1)本实用新型通过设置由内外套筒组成的夹具，利用调整机构和行星环固定，调整机构由蜗轮蜗杆和齿轮组组成二级传动，优化了传动系统的传动比，实现夹具内外套筒倾斜夹角和材料表面刻划深度的准确调整，以蜗杆为主动轮，实现传动系统反行程自锁，提高了倾斜装夹系统运行过程中的稳定，以此满足硬脆材料加工过程中对于不同装夹角度的需求。
12.(2)本实用新型通过夹具的内套筒顶部设有弹簧夹头，夹头尾部套筒内壁设有一定锥度，可使不同直径工件装夹自夹紧，在夹头顶部设有螺纹卡圈对于工件顶部进行夹紧固定，以此设备保证对待加工工件的定位与夹紧，以此来消除因倾斜装夹工件在加工过程中引起的离心力的影响。
13.(3)本实用新型角度测量机构由激光位移传感器、对刀器和三个直线运动模组实现激光位置传感器自动对焦，并实现对于工件角度和材料表面刻划深度的监测与修正。
附图说明
14.图1为本实用新型的整体结构示意图；
15.图2为本实用新型角度测量机构的结构示意图一；
16.图3为本实用新型角度测量机构的结构示意图二；
17.图4为本实用新型角度测量机构的结构示意图三；
18.图5为本实用新型外套筒的剖视图；
19.图6为本实用新型螺纹卡圈的结构示意图；
20.图7为本实用新型行星环的结构示意图。
21.图中：1、机床；2、夹具；3、待加工材料；4、角度测量机构；5、刀具；6、外套筒；7、蜗杆；8、轴承；9、齿轮轴；10、蜗轮；11、内套筒；12、行星环；13、弹簧夹头；14、调整杆；15、直线运动模组；16、基座；17、对刀器；18、底板；19、激光位移传感器；20、螺纹卡圈；21、齿板；22、传动齿。
具体实施方式
22.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
23.本实用新型提供技术方案：如图1、图5和图7所示，本实施例中，一种刻划深度可调的硬脆材料表面划痕装置，包括机床1、设置在机床1上用于夹持待加工材料3的夹具2以及用于向待加工材料3刻划的刀具5，刀具5设置在机床1上，夹具2由外套筒6和内套筒11构成，内套筒11的外壁上固定连接有行星环12并通过行星环12转动连接在外套筒6内，外套筒6内设有用于调整内套筒11与外套筒6轴线角度的调整机构，机床1上设有用于测量待加工材料3角度的角度测量机构4。
24.内套筒11通过行星环12与外套筒6连接，进而内套筒11能够相对外套筒6转动，从而使得内套筒11与外套筒6的轴线具有一定夹角，使得待加工材料3的角度得到偏转，通过
控制待加工材料3的偏转角度能够使得刻划刀具5对待加工材料3表面的刻划深度得到调整，调整机构能够为内套筒11与外套筒6之间的夹角进行调整，角度测量机构4对待加工材料3的角度进行实时监测与修正。
25.如图5所示，调整机构包括蜗杆7和齿轮轴9，蜗杆7和齿轮轴9的两端均固定连接有轴承8并通过轴承8与外套筒6转动连接，蜗杆7的端部同轴插接有调整杆14，齿轮轴9的中部固定连接有与蜗杆7啮合的蜗轮10，齿轮轴9上位于蜗轮10的两侧固定连接有两个对称设置的传动齿22，内套筒11的底部固定连接有与两个传动齿22啮合的两个齿板21。
26.待加工材料3装夹完成后，调整杆14通过外套筒6底部开设的通孔内，插入蜗杆7尾部槽孔内，扭动调整杆14，此时蜗杆7转动，蜗杆7带动蜗轮10转动，蜗轮10带动齿轮轴9转动，进而齿轮轴9上的传动齿22转动，并带动齿板21摆动，此时内套筒11通过行星环12与外套筒6之间发生相对转动，以改变内套筒11和外套筒6的轴线夹角，以达到调整材料装夹角度和材料表面刻划深度的目的，由于蜗轮10与蜗杆7之间具有自锁功能，进而使得外套筒6与内套筒11之间的相对位置稳定，提高了倾斜装夹系统运行过程中的稳定性。
27.如图5和图6所示，内套筒11的顶部固定连接有弹簧夹头13，弹簧夹头13的内壁的底部设有锥度，弹簧夹头13的上部套接有螺纹卡圈20。
28.内套筒11顶部设有弹簧夹头13，弹簧夹头13尾部套筒内壁设有一定锥度，可使不同直径待加工材料3装夹自夹紧，在弹簧夹头13顶部设有螺纹卡圈20可对待加工材料3顶部进行夹紧固定，以此设备保证对待加工工件的定位与夹紧，以此来消除因倾斜装夹工件在加工过程中引起的离心力的影响。
29.如图1-图4所示，角度测量机构4包括三套直线运动模组15、激光位移传感器19和对刀器17，三套直线运动模组15均滑动连接在机床1上，其中一套直线运动模组15上固定连接有基座16，基座16的侧面上固定连接有底板18，对刀器17固定连接在底板18的侧壁上，激光位移传感器19固定连接在基座16的侧面。
30.角度测量机构4由激光位移传感器19对刀器17和直线运动模组15组成，其中激光位移传感器19与对刀器17通过连接线与数据处理系统连接，直线运动模组15通过数据处理系统与计算机相连接，以此设备实现激光位移传感器19的自动对焦，对于加工工件倾斜角度的测量；
31.角度测量机构4的具体测量方法包括：
32.s1、启动装置，对刀器17安装的底板18与基座16相互垂直，使得对刀器17的测跕与激光位移传感器19的测量焦点处于同一平面中；
33.s2、系统运行，三个直线运动模组15在电机的驱动下使对刀器17的测砧与待加工材料3接触，完成对刀的同时使得激光位移传感器19测量焦点落待加工工件上；
34.s3、测量焦点定位完成后，通过铰链连接的底板18反转九十度使底板18与基座16相贴合，通过数据处理系统记录待加工材料3的位置信息，机床1启动，激光位移传感器19进行高频采样，记录此过程中工件旋转过程中的位置信息，同步至计算机通过测量位置信息的变化，实现对于工件角度的监测与修正。
35.本实用新型提供一种刻划深度可调的硬脆材料表面划痕装置，具体工作原理如下：
36.内套筒11通过行星环12与外套筒6连接，进而内套筒11能够相对外套筒6转动，从
而使得内套筒11与外套筒6的轴线具有一定夹角，使得待加工材料3的角度得到偏转，通过控制待加工材料3的偏转角度能够使得刻划刀具5对待加工材料3表面的刻划深度得到调整，调整机构能够为内套筒11与外套筒6之间的夹角进行调整，角度测量机构4对待加工材料3的角度进行实时监测与修正；
37.内套筒11顶部设有弹簧夹头13，弹簧夹头13尾部套筒内壁设有一定锥度，可使不同直径待加工材料3装夹自夹紧，在弹簧夹头13顶部设有螺纹卡圈20可对待加工材料3顶部进行夹紧固定，以此设备保证对待加工工件的定位与夹紧，以此来消除因倾斜装夹工件在加工过程中引起的离心力的影响，待加工材料3装夹完成后，调整杆14通过外套筒6底部开设的通孔内，插入蜗杆7尾部槽孔内，扭动调整杆14，此时蜗杆7转动，蜗杆7带动蜗轮10转动，蜗轮10带动齿轮轴9转动，进而齿轮轴9上的传动齿22转动，并带动齿板21摆动，此时内套筒11通过行星环12与外套筒6之间发生相对转动，以改变内套筒11和外套筒6的轴线夹角，以达到调整材料装夹角度和材料表面刻划深度的目的，由于蜗轮10与蜗杆7之间具有自锁功能，进而使得外套筒6与内套筒11之间的相对位置稳定，提高了倾斜装夹系统运行过程中的稳定性；
38.角度测量机构4由激光位移传感器19对刀器17和直线运动模组15组成，其中激光位移传感器19与对刀器17通过连接线与数据处理系统连接，直线运动模组15通过数据处理系统与计算机相连接，以此设备实现激光位移传感器19的自动对焦，对于加工工件倾斜角度的测量；
39.角度测量机构4的具体测量方法包括：
40.s1、启动装置，对刀器17安装的底板18与基座16相互垂直，使得对刀器17的测跕与激光位移传感器19的测量焦点处于同一平面中；
41.s2、系统运行，三个直线运动模组15在电机的驱动下使对刀器17的测砧与待加工材料3接触，完成对刀的同时使得激光位移传感器19测量焦点落待加工工件上；
42.s3、测量焦点定位完成后，通过铰链连接的底板18反转九十度使底板18与基座16相贴合，通过数据处理系统记录待加工材料3的位置信息，机床1启动，激光位移传感器19进行高频采样，记录此过程中工件旋转过程中的位置信息，同步至计算机通过测量位置信息的变化，实现对于工件角度的监测与修正。
43.尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种刻划深度可调的硬脆材料表面划痕装置，包括机床(1)、设置在机床(1)上用于夹持待加工材料(3)的夹具(2)以及用于向待加工材料(3)刻划的刀具(5)，所述刀具(5)设置在机床(1)上，其特征在于：所述夹具(2)由外套筒(6)和内套筒(11)构成，所述内套筒(11)的外壁上固定连接有行星环(12)并通过行星环(12)转动连接在外套筒(6)内，所述外套筒(6)内设有用于调整内套筒(11)与外套筒(6)轴线角度的调整机构，所述机床(1)上设有用于测量待加工材料(3)角度的角度测量机构(4)。2.根据权利要求1所述的一种刻划深度可调的硬脆材料表面划痕装置，其特征在于：所述调整机构包括蜗杆(7)和齿轮轴(9)，所述蜗杆(7)和齿轮轴(9)的两端均固定连接有轴承(8)并通过轴承(8)与外套筒(6)转动连接，所述蜗杆(7)的端部插接调整杆(14)，所述齿轮轴(9)的中部固定连接有与蜗杆(7)啮合的蜗轮(10)，所述齿轮轴(9)上位于蜗轮(10)的两侧固定连接有两个对称设置的传动齿(22)，所述内套筒(11)的底部固定连接有与两个传动齿(22)啮合的两个齿板(21)。3.根据权利要求1所述的一种刻划深度可调的硬脆材料表面划痕装置，其特征在于：所述内套筒(11)的顶部固定连接有弹簧夹头(13)，所述弹簧夹头(13)的内壁的底部设有锥度，所述弹簧夹头(13)的上部套接有螺纹卡圈(20)。4.根据权利要求1所述的一种刻划深度可调的硬脆材料表面划痕装置，其特征在于：所述角度测量机构(4)包括三套直线运动模组(15)、激光位移传感器(19)和对刀器(17)，三套所述直线运动模组(15)均滑动连接在机床(1)上，其中一套所述直线运动模组(15)上固定连接有基座(16)，所述基座(16)的侧面上固定连接有底板(18)，所述对刀器(17)固定连接在底板(18)的侧壁上，所述激光位移传感器(19)固定连接在基座(16)的侧面。

技术总结
本实用新型公开了一种刻划深度可调的硬脆材料表面划痕装置，属于硬脆材料加工领域，一种刻划深度可调的硬脆材料表面划痕装置，夹具由外套筒和内套筒构成，内套筒的外壁上固定连接有行星环并通过行星环转动连接在外套筒内，外套筒内设有调整机构，机床上设有角度测量机构。本实用新型通过设置由内外套筒组成的夹具，提高了倾斜装夹系统运行过程中的稳定，通过夹具的内套筒顶部设有弹簧夹头，在夹头顶部设有螺纹卡圈对于工件顶部进行夹紧固定，以此设备保证对待加工工件的定位与夹紧，角度测量机构由激光位移传感器、对刀器和三个直线运动模组实现激光位置传感器自动对焦，并实现对于工件角度和材料表面刻划深度的监测与修正。于工件角度和材料表面刻划深度的监测与修正。于工件角度和材料表面刻划深度的监测与修正。


技术研发人员：霍衍浩 牛赢 刘瑜 牛晶晶 张欢 魏攀
受保护的技术使用者：河南理工大学
技术研发日：2023.03.29
技术公布日：2023/7/14