CN100349695C - 蜂窝类柔性材料铣削力测定方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蜂窝类柔性材料铣削力测定方法及其装置。方法的步骤为：1)首先将测定平台的n×n个独立测定单元(2)的位移全部归零；2)将待测定板状蜂窝芯材料固持于测定平台中独立测定单元(2)的上表面；3)将固持有板状蜂窝芯材料的测定平台放置于高速铣床工作台面上进行铣削加工；4)利用数据采集卡自带的数据后处理软件，通过计算机显示、读取和存储测定结果。装置具有相连接的铣削力测定平台、数据采集卡；本发明的优点在于：1)可以测定蜂窝类柔性材料在高速铣削过程中整体和局部所受到的铣削力大小；2)可以测定蜂窝类柔性材料在高速铣削过程中特定固持条件下，局部的最大变形量以及变形的区域分布。

Description

蜂窝类柔性材料铣削力测定方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种蜂窝类柔性材料铣削力测定方法及其装置。

背景技术

蜂窝芯材料是一种先进的复合材料，具有轻质、高强、密度低等优点而且根据需要可以在较大范围内按照密度进行选择与调整，以Nomex蜂窝为芯材制成的夹层结构件，其比强度、比刚度约为钢材的9倍。同时蜂窝材料具有耐腐蚀、抗冲击、抗疲劳、吸收振动能量和热稳定性好以及优良的绝缘性能和透电磁波等一系列优良特性。蜂窝芯材料的应用首先是从航天航空领域开始的，从其投入应用以来有三件标志性的历史事件。第一件是美国的一架八座商用飞机—里尔芳2100号，这架飞机仅重567kg，它以结构小巧、重量轻而称奇于世；第二件是哥伦比亚号航天飞机；第三件是波音-767大型客机。蜂窝芯材料在这几个飞行器上的成功应用，表明了蜂窝芯材料良好的使用性能和制造技术的成熟，这对于复合材料在重要工程结构上的应用是一个极大的推动。

伴随着航空航天等军事工业的发展，以及在航空航天领域所取得的巨大成功，蜂窝芯结构作为一种新型的结构复合材料，其应用数量和应用范围也日益增加。在建筑行业，采用蜂窝夹芯结构做墙体，可以大大减轻地震导致的人员死亡和财产损失；在汽车工业中，蜂窝芯材料主要应用于车身外蒙皮、车身结构、车架结构、保险杠、座椅、车门等处；在船舶工业中，采用蜂窝芯材料作舱壁以减少船重，改善船的灵活性和稳定性；新一代高速火车车厢正在逐步采用蜂窝芯结构，取代FRP、钢板、铝板。意大利新一代ETR460、470、500高速火车，采用Hexcel公司提供的Hexlite310蜂窝芯材料制造车厢的侧板、顶板和行李间等，从而使车厢重量由原来12吨/节减至4吨/节，降低了车厢的重心以及车轴、轨道的负荷，使得仍在沿用旧轨道行驶时达到高速目标(ERT500车的速度大于200km/h)，并且有效地减少动力消耗及维修费用。

蜂窝芯材料作为一种新型的复合材料，由于其独特的外形结构和特殊的各向异性力学性能，在铣削加工过程中的变形也与普通金属材料的变形有很大不同，图1所示为采用传统四周约束时蜂窝芯零件的铣削变形情况，所以在高速铣削加工成形过程中蜂窝芯材料所采用的固持方法也完全不同于普通的金属材料，目前国内主要采用的方法有以下四种：(1)聚乙二醇法(2)双面粘结带法(3)隔膜法(4)浙江大学提出的磁场和摩擦吸附法(发明专利ZL 01135679.0)。采用第一种方法时由于残留于蜂窝芯材料上的聚乙二醇很难去除，所以在实际使用时应用较少；采用第二种和第三种方法时由于固持力不够，在高速铣削加工过程中经常发生过切现象，造成加工零件的报废；采用第四种方法时由于铣削力难以确定，在固持平台的设计时采用了很大的安全系数，使得固持平台的成本居高不下。所以准确的得到蜂窝芯材料在高速铣削时的铣削力大小对于可靠、稳定的固持蜂窝芯材料和更加经济的设计固持平台有重要的意义。

另一方面，由于蜂窝芯材料独特的外形结构和力学性能参数，目前，还很难在计算机上准确地模拟得到蜂窝芯材料在高速铣削时所受到的铣削力。国内在进行蜂窝芯材料高速铣削时，加工参数的制定尚没有一套确定的依据标准，只是能够加工就可以了，没有进行优化，也没有任何可以进行优化的依据。现在国内蜂窝芯材料的铣削多数采用进口刀具，每一把刀具的价格在6000元左右，按照目前的加工参数进行铣削加工时，由于切削用量，进给参数不合理，刀具磨损非常严重，以方向舵零件为例，每加工一个零件至少需要消耗两把刀具，加工成本非常高。所以准确测定蜂窝芯材料高速铣削时的铣削力对于制定合理的铣削参数，优化铣削加工工艺也有重要的意义。

目前，广泛应用的铣削力测定仪(如kistler铣削力测定仪)主要适用于金属材料铣削力的测定，对蜂窝类柔性材料并不适用。因为，采用传统的铣削力测定仪进行铣削力测定时首先要将蜂窝芯材料刚性的固定于测定平台上，在这种条件下进行测定时，其实已经改变了蜂窝芯材料的力学性能，将蜂窝芯材料的固定面进行了钢化处理，这时测得的铣削力为蜂窝芯材料铣削时所受到的整体的，总的铣削力，不能得到局部的最大铣削力值，也不能真实的反应蜂窝芯材料的铣削变形。不能为蜂窝芯材料的固持以及加工参数的制定、优化提供准确的依据，所以寻找一种新的能够测定出蜂窝芯材料局部铣削力最大值及变形区域分布的测定方法显得非常迫切。

发明内容

本发明的目的是提供一种蜂窝类柔性材料铣削力测定方法及其装置。

蜂窝类柔性材料的铣削力测定装置具有相连接的铣削力测定平台、数据采集卡；铣削力测定平台具有底座，在底座上固定有n×n个独立的测定单元，测定单元具有阶梯形支架，阶梯形支架的基座上开有光电感应器固定板的固定槽，在固定槽上固定有光电感应器固定板，在光电感应器固定板上固定有光电感应器，在阶梯形支架上固定有可调弹簧，在可调弹簧上端固定有阶梯形固持板，在阶梯形固持板中心设有待测定蜂窝类柔性材料固持孔，在阶梯形固持板上设有激光器固定杆，在激光器固定杆固定有激光器。

当对蜂窝芯材料进行铣削时，所述的待测定蜂窝类柔性材料固持孔(8)内设有聚乙二醇胶，利用聚乙二醇的固化特性将蜂窝芯材料与测定平台联结。

数据采集卡采用通用数据采集卡的型号为DAQ-2010。

蜂窝芯材料的铣削力测定方法的步骤为：

1)首先将测定平台的n×n个独立的测定单元(2)位移全部归零；

2)将待测定板状蜂窝芯材料固持于测定平台的n×n个独立的测定单元(2)上表面；

3)将固持有待测定板状蜂窝芯材料的测定平台放置于高速铣床工作台面上进行铣削加工；

4)利用数据采集卡自带的数据存储和显示功能，通过计算机显示、读取和存储测定结果。

本发明的优点：1)可以测定蜂窝类柔性材料在高速铣削过程中材料整体所受到的铣削力大小；2)可以测定蜂窝类柔性材料在高速铣削过程中材料局部的最大铣削力值；3)可以测定蜂窝类柔性材料在高速铣削过程中特定固持条件下，材料局部的最大变形量；4)可以测定蜂窝类柔性材料在高速铣削过程中特定固持条件下材料变形的区域分布；5)可以同时得到蜂窝类柔性材料在高速铣削过程中的变形区域分布和铣削力的分布；

附图说明

图1是蜂窝类柔性材料铣削力影响区域变形等值线图；

图2是蜂窝类柔性材料铣削力测定装置示意图；

图3是蜂窝类柔性材料铣削力测定装置测定平台示意图；

图4是本发明测定平台中测定单元示意图；

图5是本发明测定平台中测定单元剖面示意图；

图中：底座1、测定单元2、蜂窝固持板3、可调弹簧4、PSD光电感应器5、PSD光电感应器固定板6、支架7、蜂窝固持孔8、激光器9。

具体实施方式

蜂窝类柔性材料的铣削力测定装置具有相连接的铣削力测定平台、数据采集卡；铣削力测定平台具有底座1，在底座上固定有n×n个独立的测定单元2，测定单元具有阶梯形支架7，阶梯形支架的基座上开有PSD光电感应器固定板的固定槽，在固定槽上固定有PSD光电感应器固定板6，在PSD光电感应器固定板上固定有PSD光电感应器5，在阶梯形支架上固定有可调弹簧4，在可调弹簧上端固定有阶梯形固持板3，在阶梯形固持板中心设有待测定蜂窝类柔性材料固持孔8，在阶梯形固持板上设有激光器固定杆，在激光器固定杆固定有激光器9。

本发明利用这种测定方法可以准确测定蜂窝类柔性材料高速铣削时的铣削力合力，铣削力的分布区域，材料局部所受到的最大铣削力以及材料加工变形的分布区域。

这种铣削力、铣削变形测定方法与现在常用测定方法的最大不同就是对柔性材料的适应性，可以直接测定出柔性材料在铣削过程中的变形区域分布，以及铣削加工过程中随零件厚度(高度)变化时局部最大铣削力的变化情况，可以为固持力的确定和加工工艺参数的优化提供直接的、准确的依据。

传统的铣削力测定方法可以满足金属等整体刚性较好材料的铣削力测定，而对于蜂窝类柔性材料，由于材料本身具有明显的各向异性以及材料的不连续性，使得在与蜂窝孔格轴线垂直的方向，蜂窝芯材料具有很强的能量吸收作用，这就导致蜂窝芯材料局部受到的铣削力无法完全的，准确的传递到传统铣削力测定装置上，最终导致所检测到的铣削力数值远远小于实际的铣削力值。

为了适应蜂窝类柔性材料的外形结构及力学特点，本发明采用分区域多点同时采样的方法确定蜂窝芯材料在高速铣削过程中的铣削力分布和加工变形区域分布，通过这种方法可以确定蜂窝芯材料局部的最大铣削力值和最大的铣削变形量。采用这种方法可以同时得到所有测量点的变形情况和测量点的铣削力大小，在计算机上以三维图形的方式显示。采样的频率可以控制。整个测定平台由N×N个测定单元组成，测定单元与蜂窝芯材料的连接在保证可靠固持的条件下，将接触面积控制在尽量小的区域。

在这种测定方法中，材料变形量的测定是通过位置传感器得到的，位置传感器采用了PSD光电感应器光电套件，可以精确的测定材料受到铣削力后的位置变化量，即变形量。

在这种测定方法中，铣削力的值是通过弹性测力装置测得的，弹性测力装置是由弹性系数确定的特制弹簧组成，通过位置传感器得到变形量，然后由虎克定律可以求得铣削力的大小。

蜂窝类柔性材料铣削力测定方法是为了满足特殊的柔性材料铣削力测定要求而提出的，整个测定系统由测定平台、数据采集卡组成，如图2所示。数据采集卡是对PSD光电感应器光电传感器所产生的位置电压信号进行采集，这部分采用通用的PCI数据采集卡DAQ-2010，将PSD光电感应器的位置电压量转化为铣削力数值和变形量数值，生成可以读取的数据文件，同时进行屏幕显示，这部分可以采用PCI数据采集卡DAQ-2010自带的后处理软件，或者是自编的数据接口程序。在整个测定系统中，与传统测定方法具有明显不同的是测定平台的结构。

测定平台结构如图3所示，图中的测定平台由底座和9×9个测定单元组成，在测定过程中可以根据蜂窝芯零件实际的大小调整测定单元的数量。所有的测定单元都安装在底座上。测定单元结构如图4和5所示，由蜂窝固持板和支架两个独立的主要部分组成。在支架上安装有两个PSD光电感应器光电位移传感器，在蜂窝固持板上安装有两个与PSD光电感应器相对应的激光发生器。由于每一组PSD光电感应器只能检测到两个方向的位移量，其中的一个可以检测到X向和Z向的位置变化量，另一个可以检测到Y向和Z向的位置变化量，通过这两组PSD光电感应器光电套件完全可以确定测定点在空间X向、Y向和Z向的位置变化量。每一个测定单元的支架都与测定平台的底座相连。测定单元的支架与蜂窝固持板是通过可调弹簧联结的。蜂窝固持板通过固持孔与蜂窝芯材料粘结。在测定过程中，每一个测定单元的支架与底座固定，保持相对静止，蜂窝芯材料与蜂窝固持板相连，当蜂窝芯材料在高速铣削过程中受到铣削力的作用产生变形时，蜂窝芯材料将带动蜂窝固持板一起运动，从而带动激光器随之运动，这时每组测定单元中固定不动的两个PSD光电感应器可以确定每个固持点处的位移量，从而达到对整个蜂窝芯材料变形情况的检测，最终可以得到每一个测定点处的铣削力值。

使用这种测定方法的主要步骤为：(1)利用可调弹簧将所有蜂窝固持板调整到同一水平位置，并将所有PSD光电感应器位置信号归零；(2)将待测蜂窝芯材料放置在蜂窝固持板上，通过蜂窝固持孔将蜂窝芯材料与固持板相连；(3)将测定平台放置在高速铣床工作台上进行铣削加工；(4)对检测信号进行处理，显示测定结果。

Claims (4)

1.一种蜂窝类柔性材料的铣削力测定装置，其特征在于，它具有相连接的铣削力测定平台、数据采集卡；铣削力测定平台具有底座(1)，在底座上固定有n×n个独立的测定单元(2)，测定单元具有阶梯形支架(7)，阶梯形支架的基座上开有光电感应器固定板的固定槽，在固定槽上固定有光电感应器固定板(6)，在光电感应器固定板上固定有光电感应器(5)，在阶梯形支架上固定有可调弹簧(4)，在可调弹簧上端固定有阶梯形固持板(3)，在阶梯形固持板中心设有待测定蜂窝类柔性材料固持孔(8)，在阶梯形固持板上设有激光器固定杆，在激光器固定杆固定有激光器(9)。

2.根据权利要求1所述的一种蜂窝类柔性材料的铣削力测定装置，其特征在于，当对蜂窝芯材料进行铣削时，所述的待测定蜂窝类柔性材料固持孔(8)内设有聚乙二醇胶，利用聚乙二醇的固化特性将蜂窝芯材料与测定平台联结。

3.根据权利要求1所述的一种蜂窝类柔性材料的铣削力测定装置，其特征在于，所述的数据采集卡采用通用数据采集卡的型号为DAQ-2010。

4.一种使用如权利要求1所述测定装置的蜂窝芯材料的铣削力测定方法，其特征在于，它的步骤为：

1)首先将测定平台的n×n个独立的测定单元(2)位移全部归零；

2)将待测定板状蜂窝芯材料固持于测定平台的n×n个独立的测定单元(2)上表面；

3)将固持有待测定板状蜂窝芯材料的测定平台放置于高速铣床工作台面上进行铣削加工；

4)利用数据采集卡自带的数据存储和显示功能，通过计算机显示、读取和存储测定结果。

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