CN104614270B - 一种单束纤维切削实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种单束纤维切削实验方法属于微观切削领域，涉及一种碳纤维复合材料加工中单束纤维切削细观破坏的实验方法。实验方法利用超景深显微镜观察其切削过程，并测量其毫牛级切削力，利用特定的制作工艺制作单束纤维切削实验样件；采用单向测力仪对细观切削过程进行实时测量和记录；通过微位移执行器的进给运动完成微米级切削运动，调节位移执行器来调节切深，在不同切深下对单束纤维进行细观切削实验。本实验方法将力的测量与切削过程的在线观察集中在一起，功能齐全，效率高；采用的实验装置结构简单，安装和定位方便。
Description
技术领域
本发明属于微观切削领域，涉及一种碳纤维复合材料加工中单束纤维切削细观破坏的实验方法。
背景技术
碳纤维复合材料细观上呈由纤维、树脂、界面组成的混合态。其基体相和界面相相对于纤维相来说，力学性能差，且其力学性能受温度影响程度大。切削过程中，切削力在切断纤维的同时极易导致基体或界面的破坏，而形成加工表面以下的损伤，此损伤在疲劳载荷或冲击载荷下会迅速扩展而导致制件失效。此外，大厚度、大尺寸复材制件切削加工中由于树脂导热性差及摩擦产热多而导致切削温度极易升高，进而降低基体及界面的弹性模量和刚度系数，更易产生损伤。其材料去除实质为组成相的细观破坏至宏观切屑形成的演化过程。因此，需从细观层面入手，考虑基体相及界面相对纤维变形的约束作用，研究碳纤维复合材料加工过程中细观层面的材料破坏及去除过程，揭示材料去除过程中的纤维断裂及基体、界面破坏机理。
针对细观破坏这一问题，国内外开展了许多理论方面的研究，建立了多种梁模型，对单束纤维切断过程切削力进行了数值分析，但均缺乏直观的单束纤维切削实验验证。单束纤维的直径为微米级，切削深度通常为微米级，切削力为毫牛级，因此，对单束纤维的切削实验属于微米级精密切削实验。目前，国内外关于细观微米级切削实验以及对实验中微小切削力的测量极为缺乏，更无法对切削过程中微观层面的单束纤维切断、界面开裂过程等现象进行微视场在线观测。Shuji Usui、Jon Wadell和Troy Marusich发表的《FiniteElement Modeling of Carbon Fiber Composite Orthogonal Cutting and Drilling》一文在《Procedia CIRP》2014年第14期第211到216页中，通过对碳纤维复合材料板进行微观直角切削实验并根据测量到的切削力建立了碳纤维复合材料切削的有限元模型，并分析了不同的纤维角度对切削过程的影响，但，并没有实现仅对单束纤维进行切削，也没有实现对细观切削过程进行在线观察。目前，尚未见关于通过单束纤维切削实验的方式来直观表征碳纤维复合材料切削加工中细观破坏机理的文献。
发明内容
本发明为解决目前尚无直接实现揭示碳纤维复合材料加工中细观破坏机理的单束纤维微米级切削实验方法的问题，发明了一种单束纤维切削实验方法，该方法以超景深显微镜为基础部件，在其载物台上安置切削装置、样件装夹装置、切削力测量装置，通过对单束纤维进行微米级细观切削，利用超景深显微镜观察其切削过程，并测量其毫牛级切削力来为揭示碳纤维复合材料去除机理，并能实现毫牛级切削力准确测量、在线观察细观破坏过程功能的实验方法及装置。
本发明采用的技术方案是一种单束纤维切削实验方法，其特征是，实验方法利用超景深显微镜观察其切削过程，并测量其毫牛级切削力，利用特定的制作工艺制作单束纤维切削实验样件；采用单向测力仪对细观切削过程进行实时测量和记录；通过微位移执行器的进给运动完成微米级切削运动，调节位移执行器来调节切深，在不同切深下对单束纤维进行细观切削实验；实验方法具体步骤如下：
1)制做单束纤维切削实验样件
制作工艺如下：先制作碳纤维复合材料单向板11，并在碳纤维复合材料单向板11上加工两个通孔12，再制作具有两个夹板固定孔14的两个夹板13，将碳纤维复合材料单向板11作为中间件，使用两块夹板13左右夹紧碳纤维复合材料单向板11，将通孔12与夹板固定孔14对齐，通过螺栓18、垫圈19和螺母20将三者固定，形成方槽15；将裁减成特定长度的单束纤维16放置在方槽15中，并与一侧夹板13内表面良好贴合，将树脂17浸渍于方槽15中，保持预浸高度与纤维上表面平齐，涂覆均匀，保持水平放置一定时间后，整体放置于热压罐中，控制固化温度及压力进行固化；固化结束后，将螺栓18、垫圈19和螺母20以及两块夹板13取下，则样件7制备完成；再将样件7通过环氧树脂胶粘结在样件连接板8上；
2)在平台上安装切削装置
将平台2通过螺栓连接在超景深显微镜1的载物台上，位移执行器3通过螺栓安装在安装平台2上，将微位移执行器4安装在位移执行器3上，两者的运动方向相互垂直；将刀具6装夹到刀具座5上，刀具座5通过螺栓安装在微位移执行器4上；
3)安装切削力测量装置
将样件连接板8连接在单向测力仪10上，单向测力仪10末端通过螺纹与测力仪安装座9连接，测力仪安装座9通过安装平台2上的螺纹孔与安装平台2连接；
4)接通微位移执行器4和位移执行器3的电源；调节微位移执行器4，使得样件7与刀具6相接触作为切削实验的初始位置；
5)通过调节位移执行器3来调节切削深度，调节到预设的切削深度；调节微位移执行器4来调节切削速度，调节到设定的实验切削速度；
6)接通超景深显微镜1和单向测力仪10的电源，启动微位移执行器4使其自动进给开始切削，通过超景深显微镜1观察单纤维的切断过程，同时，读取单向测力仪10记录的数据，完成对毫牛级切削力的测量；
7)更换样件7或者更换刀具6时，重复上述步骤。
本发明的有益效果是本发明可直接用于单束纤维切削实验，实现微米级微观切削以及微小切削力准确测量。同时，借助超景深显微镜，可直接对切削过程进行实时观测，包括微观层面的单束纤维切断、界面开裂过程等，实验结果可直观表征碳纤维复合材料切削加工中细观破坏机理；本实验方法将力的测量与切削过程的在线观察集中在一起，功能齐全，效率高；采用的实验装置结构简单，安装和定位方便。
附图说明
图1为一种碳纤维复合材料加工中细观破坏的实验装置，图2为碳纤维复合材料单向板和夹板装配示意图，图3为制作样件时装配示意图，图4为图3的A-A视图。
其中：1—超景深显微镜，2—安装平台，3—位移执行器，4—微位移执行器，5—刀具座，6—刀具，7—样件，8—样件连接板，9—测力仪安装座，10—单向测力仪，11—碳纤维复合材料单向板，12—通孔，13—夹板，14—夹板固定孔，15—方槽,16—单束纤维，17—树脂，18—螺栓，19—垫圈，20—螺母。
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中，安装有超景深显微镜1的实验台为本实验的基础实验装置，其他部件均通过安装平台2安装在实验台的载物台上。实施例中采用的位移执行器能在前后方向调节，以调整样件位置达到实验中规定的切深，前后方向调节范围是0～100μm。微位移执行器能左右方向进给，以完成切削过程，水平方向行程为0～38μm，开环和闭环分辨率最小达0.2nm。单束纤维的直径为7～10μm，切削深度为30～100μm。通过超景深显微镜观察时，视场大小约为103μm2。
实验方法的具体步骤如下：
第一步制备三角形刀具6
由于实验中要研究刀具前角、后角、圆角半径对切削力的影响，因此，制备刀具前角范围为0～25°、后角范围为5～17°、圆角半径为7～100μm的一系列刀具用于切削实验。将刀具6安装在刀具座5上，刀具座5通过微位移执行器4上的安装位置安装在微位移执行器4上，微位移执行器4安装在位移执行器3上，二者的运动方向相互垂直，微位移执行器4左右运动，用于完成切削，运动行程为0～38μm，开环和闭环分辨率最小达0.2nm。位移执行器3通过螺栓安装在安装平台2上，位移执行器3前后运动，用于调节切削深度，调节范围为0～100μm。
第二步制备单束纤维切削实验样件
样件7的大小为30×10×2mm，如图2、图3所示，首先制备大小为30×10×2mm的碳纤维复合材料单向板11，在碳纤维复合材料单向板11加工两个直径为2mm的通孔12，再制作大小为30×11×2mm的夹板13，在夹板13上加工两个直径为2mm的夹板固定孔14；随后将碳纤维复合材料单向板11夹于两夹板中间，将通孔12与夹板固定孔14对齐，通过螺栓18、垫圈19和螺母20将三者固定，形成如图3所示的所示方槽15，且保证夹板顶面与碳纤维复合材料板件顶面高度差为1±0.1mm，夹持于虎钳中，保持平直。
按照对应材料型号碳纤维预浸料制备工艺，选用相应的环氧树脂固化体系，包括固化剂、促进剂及催化剂，充分搅拌后与所调配好的树脂混合均匀。截取长度为20～25mm的单束纤维16，用镊子将单束纤维16铺放与方槽15中，尽量保持纤维一侧夹板贴合，且夹持过程中尽量避免纤维弯曲，快速固定纤维两侧。将树脂17浸渍于方槽15中，如图4所示。尽量保持预浸高度与纤维上表面平齐，涂覆均匀，保持水平放置一定时间后，整体放置于热压罐中，控制固化温度及压力进行固化；固化结束后，将螺栓18、垫圈19和螺母20以及两块夹板13取下，则样件7制备完成。
第三步将样件7用环氧树脂胶粘接到样件连接板8上，样件连接板8连接到单向测力仪10上，将单向测力仪10通过螺纹连接到测力仪安装座9上，将测力仪安装座9通过螺栓连接到安装平台2上。
本发明的工作过程为：接通微位移执行器4和位移执行器3的电源，调节微位移执行器4，使得样件与刀具相接触作为切削实验的初始位置，调节位移执行器3，使达到实验中规定的切深。设定微位移执行器4的进给速度，使之达到实验中规定的切削速度。接通超景深显微镜1和单向测力仪10的电源，启动微位移执行器4使其自动进给以开始切削过程，通过超景深显微镜1观察单纤维的切断过程，实现对微观切削的实时观察；同时读取单向测力仪10记录的数据，完成对切削过程中毫牛级切削力的在线测量。
通过本发明可完成单束纤维细观切削实验，可完成对碳纤维复合材料细观切削机理的研究。通过微位移执行器和位移执行器的调节，可实现在不同切削速度、不同切削深度下对单束纤维的切削实验；通过更换不同的刀具，可探究刀具前角、后角、圆角半径对切削力的影响；通过对超景深显微镜镜头的合理配置，可实现对微米级切削过程的实时观察；通过读取单向测力仪的数据，可实现对毫牛级切削力的准确测量，为理论及模型分析提供充分的实验依据。
Claims (1)
1.一种单束纤维切削实验方法，其特征是，实验方法利用超景深显微镜观察其切削过程，并测量其毫牛级切削力，利用特定的制作工艺制作单束纤维切削实验样件；采用单向测力仪对细观切削过程进行实时测量和记录；通过微位移执行器的进给运动完成微米级切削运动，调节位移执行器来调节切深，在不同切深下对单束纤维进行细观切削实验；实验方法具体步骤如下：
1)制做单束纤维切削实验样件
制作工艺如下：先制作碳纤维复合材料单向板(11)，并在碳纤维复合材料单向板(11)上加工两个通孔(12)，再制作具有两个夹板固定孔(14)的两个夹板(13)，将碳纤维复合材料单向板(11)作为中间件，使用两块夹板(13)左右夹紧碳纤维复合材料单向板(11)，将通孔(12)与夹板固定孔(14)对齐，通过螺栓(18)、垫圈(19)和螺母(20)将三者固定，形成方槽(15)；将裁减成特定长度的单束纤维(16)放置在方槽(15)中，并与一侧夹板(13)内表面良好贴合，将树脂(17)浸渍于方槽(15)中，保持预浸高度与纤维上表面平齐，涂覆均匀，保持水平放置一定时间后，整体放置于热压罐中，控制固化温度及压力进行固化；固化结束后，将螺栓(18)、垫圈(19)和螺母(20)以及两块夹板(13)取下，则样件(7)制备完成；再将样件(7)通过环氧树脂胶粘结在样件连接板(8)上；
2)在平台上安装切削装置
将平台(2)通过螺栓连接在超景深显微镜(1)的载物台上，位移执行器(3)通过螺栓安装在安装平台(2)上，将微位移执行器(4)安装在位移执行器(3)上，两者的运动方向相互垂直；将刀具(6)装夹到刀具座(5)上，刀具座(5)通过螺栓安装在微位移执行器(4)上；
3)安装切削力测量装置
将样件连接板(8)连接在单向测力仪(10)上，单向测力仪(10)末端通过螺纹与测力仪安装座(9)连接，测力仪安装座(9)通过安装平台(2)上的螺纹孔与安装平台(2)连接；
4)接通微位移执行器(4)和位移执行器(3)的电源；调节微位移执行器(4)，使得样件(7)与刀具(6)相接触作为切削实验的初始位置；
5)通过调节位移执行器(3)来调节切削深度，调节到预设的切削深度；调节微位移执行器(4)来调节切削速度，调节到设定的实验切削速度；
6)接通超景深显微镜(1)和单向测力仪(10)的电源，启动微位移执行器(4)使其自动进给开始切削，通过超景深显微镜(1)观察单纤维的切断过程，同时，读取单向测力仪(10)记录的数据，完成对毫牛级切削力的测量；
7)更换样件(7)或者更换刀具(6)时，重复上述步骤。
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| CN104614270A (zh) | 2015-05-13 |
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