CN103837422A - 一种碳纤维复合材料切削的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种碳纤维复合材料切削的实验装置属于难加工材料切削装置研究领域，涉及一种碳纤维复合材料切削的实验装置。该实验装置以切削装置为基础结构，安装了实验功能装置包括工件快速装夹与温控装置、高速显微观察装置、温度及切削力在线测量装置、除尘装置。高速显微观察装置中，镜头与高速摄像机相连，高速摄像机安装在单轴精密位移平台底座上，单轴精密位移平台安装在摄像支架上，光源对准切削区，高速摄像机与计算机系统相连。该实验装置能够有效实现切削过程观察，温度及切削力实时准确测量，样件及刀具温度控制，研究不同切削条件下材料断裂形式，材料去除机理与刀具磨损机制，为碳纤维复合材料切削基础理论的阐述提供实验支撑。

Description

一种碳纤维复合材料切削的实验装置

技术领域

本发明属于难加工材料切削装置研究领域，涉及一种碳纤维复合材料切削的实验装置。

背景技术

碳纤维复合材料（CFRP）具有高比强度、高比刚度、抗疲劳性等特点，能有效降低飞机结构重量，在航空航天领域中得到大量应用，其应用和发展是大幅度提高飞机结构效率、舒适性和环保性的重要保证。随着碳纤维复合材料在大型航空航天主承力构件上的大量应用，基于大型主承力构件复杂受力环境中高服役可靠性的要求，对其机械加工的质量要求也更加严格。在飞机构件中，大量机械加工被用来保证尺寸精度及连接装配要求。然而，加工中出现的分层、撕裂和毛刺等加工损伤以及刀具磨损严重制约飞机构件的高质高效加工。因此需针对碳纤维复合材料加工中存在的问题，根据树脂的高温软化特性以及增强纤维的脆断特点，阐明力热耦合作用下各向异性多相材料细观破坏与宏观材料去除的关联机理，同时根据复合材料制件层间突变、各向异性特征，建立加工过程中力热耦合作用下纤维基体界面应力传递规律和宏观损伤生成机制。因此，需要通过对不同温度下单根碳纤维丝、碳纤维束、碳纤维布、预浸碳纤维丝、预浸碳纤维布等的滑切实验和显微观察来揭示加工过程力热耦合作用下复合材料加工去除与损伤的产生机理。

碳纤维复合材料属于难加工材料，其细观上呈现由纤维和树脂构成的混合形态，宏观上呈现各向异性和叠层特征，细观与宏观上表现出不同的特性。细观上纤维表现为高强、高硬，导热性较好，树脂基体表现为强度低、高粘性，导热性差，相间结合强度低；宏观上不同取向表现为不同的力学性能，层间剪切强度低、导热性差异大等。在研究其切削去除基础理论时，除对其宏观切削理论进行研究外，还需对其细观切削过程及变形区划分进行研究，从宏细观角度揭示其切削基础理论。由于现有的实验装置无法完成单向高速滑切实验，不具有测力、测温、工件加热、切屑随动收集功能，因此，无法安装显微镜头和高速摄像机。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种具有工件快速装夹与加热、高速显微观察、温度和切削力在线测量以及除尘功能的碳纤维复合材料切削的实验装置，实现工件温度初始温度可控，快速装夹，切削力、热在线测量，对切削过程高速显微观察功能。在实验装置上对碳纤维复合材料进行宏/细观切削加工过程观测和研究，为碳纤维复合材料基础理论研究提供实验支撑。

本发明采用的技术方案是一种碳纤维复合材料切削的实验装置，其特征在于，以切削装置为基础结构，安装具有实验功能的装置包括样件快速装夹与加热装置、高速显微观察装置、切削温度及切削力在线测量装置、除尘装置。

所述的切削装置结构为：XY直线位移平台24安装在床身23上，其中X轴由直线电机与直线导轨副组成；主轴箱12安装在床身立柱15上；样件快速装夹与加热组件21安装在工作台3上；刀架19安装在床身固定尾座5上；位置可调的刀具快速冷却器6安装在刀架19的一侧；计算机系统1、控制柜8安装在床身周围。

所述的高速显微观察装置中，镜头16与高速摄像机10相连，高速摄像机10安装在单轴精密位移平台17底座上，单轴精密位移平台17安装在摄像支架7上，光源对准切削区，高速摄像机10与计算机系统1相连。

在所述的温度及切削力在线测量装置中，信号调理模块2，热电偶25布置在样件22上；切削力测量仪18安装在刀架19底座上，安装工作台3上的信号调理模块2和电荷放大器4分别与计算机系统1相连。

所述的除尘装置中，随动除尘罩14安装在主轴箱12上，固定除尘罩安装于刀架19的一侧，随动除尘罩14、可调除尘罩11分别与降尘过滤器9相连，降尘过滤器9安装在床身的一侧。

本发明的有益效果是：通过对样件及刀具温度的控制，实现对不同样件、刀具温度对切削过程影响的研究；通过宽范围速度的切削实验，实现不同切削速度对切削过程影响的研究。此外，通过四轴联动还可进行钻、铣削验证实验。本发明通过合理设计布局，节约了空间，可实现各项实验的有序准确进行。本发明具有加工精度高、自动化程度高、加工柔性好等特点，可以满足微观切削中对位置精度及运动精度的要求，有效地观察切削过程。

附图说明

图1是原理性实验装置主视图，图2是原理性实验装置俯视图。

其中：1—计算机系统，2—信号调理模块，3—工作台，4—电荷放大器，5—床身固定尾座，6—刀具快速冷却器，7—摄像支架，8—控制柜，9—降尘过滤器，10—高速摄像机，11—可调除尘罩，12—主轴箱，13—高速电主轴，14—随动除尘罩，15—床身立柱，16—镜头，17—单轴精密位移平台，18—切削力测量仪，19—刀架，20—刀具，21—样件快速装夹与加热组件，22—样件，23—床身，24—XY直线位移平台。

图3是热电偶布点位置示意图，其中：22—样件，25—热电偶。

具体实施方式

下面结合技术方案和附图详细说明本发明的具体实施。在附图1、2中，切削装置中的床身23是整个切削装置的基础支撑部件；床身上设有XY直线位移平台24，X轴由直线电机与直线导轨副组合，实现宽范围速度的直线运动，最高直线速度可实现240m/min；Y轴由伺服电机、滚珠丝杠副与直线导轨副组合实现直线运动，最高速度为20m/min，XY直线位移平台24实现加工位置的精确调节及进给切削；床身立柱15设有主轴箱12，Z轴由伺服电机、滚珠丝杠副与直线导轨副组合实现主轴箱12的上下直线运动，最高速度为20m/min，以此实现轴向进给；主轴箱12设有高速电主轴13，实现钻、铣削验证实验；样件22通过样件快速装夹与温控组件装夹于工作台3上，可对所加工样件22进行快速装夹，并对其初始温度进行控制；刀架19安装在床身固定尾座5上，可对刀具位置进行调整，以便于刀具冷却时将刀具置于位置可调的刀具快速冷却器6的冷却罩内；刀具快速冷却器6安装于床身固定尾座5一侧；通过计算机系统1、控制柜8对XY直线位移工作台24及主轴13进行控制，进行切削实验。

高速摄像机10安装在摄像支架7的单轴精密位移平台17的底板上，镜头16安装在高速摄像机10上，通过摄像支架7及单轴精密位移平台7的调整，使其置于切削位置正上方；高速摄像机10及、单轴精密位移平台17通过数据线与计算机系统1相连，对采集的图像数据进行处理、实时显示及录制，实现镜头15与观察位置间距离的精确调节；刀具20安装于切削力测量仪18上，切削力测量仪18侧装在刀架19上，切削力测量仪18与信号放大器4相连；信号调理模块2与信号放大器4与计算机系统1相连，实现对切削温度及切削力数据的实时采集处理。

可调除尘罩11对准切削位置，与降尘过滤器9相连，实现直线切削实验时切屑的收集；随动除尘罩14安装在主轴箱12上，实现钻、铣削验证实验时的切屑收集；可调除尘罩11与随动除尘罩14均与降尘过滤器9相连，对切屑进行收集处理。降尘过滤器9，控制柜8，计算机系统1，信号调理模块2，电荷放大器4，摄像机架7合理布置于床身周围。

如附图3所示，热电偶25按实验设定方式布置于样件22的合理位置上，通过连线与信号调理模块2相连。

本发明的工作过程为：启动计算机系统1与控制柜8，将样件22通过样件快速装夹与加热组件21装夹在工作台3上，并对其初始温度进行控制；将刀具20调节到刀具快速冷却器6罩口位置，开启刀具快速冷却器6，冷却刀具至设定温度后调回加工位，实现对样件温度及刀具温度的调控；调节高速摄像机10的位置，使切削位置位于视场内，完成对切削过程的观察记录；通过计算机系统1控制XY直线位移平台24带动样件22进行直线切削运动；切削过程中，通过切削力测量仪18及样件22上的热电偶25对切削力及切削温度数据进行实时采集；切削过程中，可调除尘罩11对准切削位置，与降尘过滤器9相连，完成切削实验中切屑的收集处理；随动除尘罩14安装在主轴箱12上，完成钻、铣削验证实验中的切屑收集处理。

通过本发明可完成碳纤维复合材料切削加工的原理性实验，可分别进行碳纤维复合材料样件的宏/细观切削实验，通过镜头合理配置，有效实现对宏/细切削过程的观察，对切削过程进行图像记录；准确实时测量切削温度和切削力，为理论及模型分析提供充分的实验依据。

Claims (1)

1.一种碳纤维复合材料切削的实验装置，其特征在于，以切削装置为基础结构，其上安装有实验功能装置包括工件快速装夹与加热装置、高速显微观察装置、切削温度及切削力在线测量装置、除尘装置；

在所述的切削装置中：XY直线位移平台（24）安装在床身23上，其中，X轴由直线电机与直线导轨副组成；主轴箱（12）安装在床身立柱（15）上；工件快速装夹与加热组件（21）安装在工作台（3）上；刀架（19）安装在床身固定尾座（5）上；位置可调的刀具快速冷却器（6）安装在刀架（19）一侧；计算机系统（1）、控制柜（8）放置于床身周围；

所述的高速显微观察装置，镜头（16）与高速摄像机（10）相连，高速摄像机（10）安装在单轴精密位移平台（17）底座上，单轴精密位移平台（17）安装在摄像支架（7）上，光源对准切削区，高速摄像机（10）与计算机系统（1）相连；

所述的切削温度及切削力在线测量装置中，热电偶（25）布置在样件（22）及刀具（20）上；切削力测量仪（18）安装在刀架（19）底座上，安装在工作台（3）上的信号调理模块（2）和电荷放大器（4）与计算机系统（1）相连；

所述的除尘装置中，随动除尘罩（14）安装在主轴箱（12）上，固定除尘罩安装于刀架（19）的一侧，随动除尘罩（14）、可调除尘罩（11）分别与降尘过滤器（9）相连，降尘过滤器（9）安装在床身一侧。

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