CN105092590A - 一种制孔加工出口观测的实验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种制孔加工出口观测的实验装置及方法属于制孔加工技术领域，涉及一种制孔加工出口观测的方法及装置，特别适合于对碳纤维增强复合材料制孔加工过程的研究。实验装置具有微机系统、水平钻削试验台、高速显微观察装置、出口温度在线测量装置和除尘装置。实验方法先调整装夹在角度头前端的钻头至待加工位置处，根据钻头轴线与被加工样件出口侧的交点确定预期钻孔出口中心，并做标记。再调整高速相机、红外热像仪确定视场，并准确对焦。本发明是通过角度头实现横向钻削加工，并进行出口温度在线测量，实现对制孔出口切削过程进行稳定、清晰、多角度观测，获得切削过程中切削区域材料被切削形貌和温度的实时情况。

Description

一种制孔加工出口观测的实验装置及方法
技术领域
本发明属于制孔加工技术领域，涉及一种制孔加工出口观测的方法及装置，特别适合于对碳纤维增强复合材料制孔加工过程的研究。
背景技术
碳纤维复合材料具有比强度高、比刚度高等特点，能有效降低飞机结构重量，在航空航天领域中被广泛应用于各种构件的制造，然而在这些构件以及结构件之间，必须通过机械加工，制造大量的高质量连接孔，才可进行装配。目前，复合材料制孔是主要通过钻床、铣床等机床设备或人工手钻在零件的指定位置上进行钻削或铣削加工，获得符合要求的孔，然而这些方式主要进行竖直向下制孔，其制孔的出口端往往紧密贴合工作台，无法在线对制孔出口观测测量。然而，对于复合材料，特别是碳纤维增强树脂基复合材料，然而其主要由碳纤维增强相以及树脂基体相组成，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，宏观层间结合强度远低于其他方向。在制孔加工中，由于出口位置约束作用弱，极易由于较大的轴向力，顶开最后几层材料产生分层损伤，并导致纤维无法被切断，纤维受到拉挤作用，引发撕裂和毛刺等损伤；同时，材料热导率低，特别由于树脂玻璃转化温度低，切削时的高温极易影响材料切削性能，进一步加剧出口处加工损伤，因此，对此类材料的制孔加工必须特别关注其出口处的切削过程和温度情况。
目前，国内外针对复合材料的制孔出口质量的研究多是通过制孔后进行离线显微观测，无法获得动态切削过程的信息。如法国YosraTurki发表的论文“Experimentalinvestigationofdrillingdamageandstitchingeffectsonthemechanicalbehaviorofcarbon/epoxycomposites[J].InternationalJournalofMachineToolsandManufacture,2014,87:61-72.”中通过某型刀具对碳纤维增强树脂基复合材料制孔，之后离线通过超景深显微镜等设备观测出口质量，能够获得出口分层、撕裂以及毛刺等损伤的最终状态和大小，但是却无法获得制孔过程中刀具与材料的相互作用以及损伤的产生过程。国内大连理工大学朱国平发表的硕士论文“单向C/E复合材料钻削温度场研究[D].大连理工大学,2013.”中通过红外热像仪，实现了制孔过程中对出口温度的实时测量，然而由于其设备为立式加工设备，制孔出口位置的观测角度极小，其观测效果有限，且无法实现出口处切削过程的观测。目前已有的文献和专利，都不涉及同时观测力、热共同作用下钻削出口材料的动态切削过程的观测测量。
发明内容
本发明要解决的技术难题是克服现有方法和装置目前无法完成对制孔出口切削过程的观测以及温度的实时测量，发明一种制孔加工出口观测的方法及装置。该方法和装置是通过角度头实现横向钻削加工，并通过所述调节方法和高速显微观察、出口温度在线测量等装置，实现切削加工出口成型过程的在线动态显微观测和温度测量，为研究碳纤维复合材料切削加工机理和刀具设计提供依据。
本发明采用的技术方案是一种制孔加工出口观测的实验装置，其特征是，该装置具有微机系统、水平钻削试验台、高速显微观察装置、出口温度在线测量装置和除尘装置；微机系统1通过相机数据线22与高速相机19相连，又通过热像仪数据线23与热像仪4相连；
在所述的水平钻削试验台中，主轴部件13安装于主轴箱14中，主轴箱14安装在床身立柱15的导轨上，床身立柱15与床身16装配在一起，床身16上装有直线位移工作台6，相机云台底座20，热像仪云台底座5，支架25与夹具8均安装在直线位移工作台6上；主轴部件13的莫氏锥孔内装夹角度头10，角度头10上安装有钻头9，主轴部件13的主轴端盖24与转接环12连接固定，角度头10上的限位块11插入转接环12的限位孔H中，固定角度头10的加工轴的方向与机床钻削进给方向Y平行；
所述的高速显微观察装置中，显微镜头17与高速相机19相连，高速相机19安装在相机云台底座20上，光源21通过光缆18连接于显微镜头17，显微镜头17在制孔出口一侧；
出口温度在线测量装置中，红外热像仪4安装在热像仪云台底座5上，红外热像仪4在制孔出口一侧；
所述的除尘装置的除尘风管3与除尘机2相连，并固定在支架25上，除尘风管3的吸口在制孔出口一侧。
该装置采用的实验方法通过上述装置实时测量的具体步骤如下：
1)调整固定在直线位移工作台6的夹具8的定位面F，使其平行于X、Z方向构成的平面，将被加工样件7装夹在夹具8上；调整装夹在角度头10前端的钻头9至待加工位置处；根据钻头9轴线与被加工样件7出口侧的交点确定预期钻孔出口中心，并做标记G；
2)打开高速相机19和光源21，根据计算机系统1观测标记G的位置，调整相机云台底座20的位置和角度，将标记G调整至观测视场中央，选定高速相机19的拍摄倍率，调节光源21的进光量，保证拍摄视场明亮，微调云台底座20位置至观测的最清晰的焦平面处于出口标记G位置，旋拧显微镜头17的对焦环精确对焦；
3)打开红外热像仪4，调整热像仪云台底座5至样件7处于计算机系统1中红外热像仪4视场观测范围内且图像清晰；
4)调整支架25和除尘风管3的吸口的位置和角度，使除尘风管3前端吸口对准标记G；通过计算机系统1观测，确定高速相机19的显微镜头17，红外热像仪4以及除尘风管3的吸口的位置不能相互遮挡钻削出口；
5)调节机床钻削加工参数，开启除尘装置，开动机床，当机床执行钻削指令控制直线位移工作台沿Y方向进给切削被加工样件7时，开启红外热像仪4和高速相机19，记录整个切削过程以及切削区域的温度数据。
本发明的有益效果是：该发明对于复合材料制孔过程中出口质量的测量，通过角度头将立式制孔转换为卧式制孔，使钻削出口位置具有足够的空间，打破了制孔出口位置的观测角度的限制；高速显微摄像机，红外热像仪和除尘风管固定在云台上，并与工件随动，对复合材料制孔出口切削过程进行稳定、清晰、多角度观测，获得切削过程中切削区域材料被切削形貌和温度的实时情况，为分析复合材料制孔出口分层、撕裂以及毛刺等损伤的成因提供重要依据。
附图说明
图1是具体实施例实验装置的轴测图，图2是具体实施例钻削出口附近A的局部视图。其中，1—计算机系统，2—除尘机，3—除尘风管，4—红外热像仪，5—热像仪云台底座，6—直线位移工作台，7—被加工样件，8—夹具，9—钻头，10—角度头，11—限位块，12—转接环，13—主轴部件，14—主轴箱，15—床身立柱，16—床身，17—镜头，18—光缆，19—高速相机，20—相机云台底座，21—光源，22—相机数据线，23—热像仪数据线，24—主轴端盖，25—支架，H为转接环12的限位孔，F为夹具8的定位面，G为预期钻孔出口中心标记。
图3是实际钻削钻削过程图片，其中，a)、b)、c)图中的B、C、D为钻削出口处毛刺损伤。
图4是钻削出口处温度场图片，E-钻尖位置，Tmax-最高温度，单位度。
具体实施方式
下面结合附图和技术方案详细说明一种制孔加工出口观测的方法及装置的具体实施过程。在附图1中，实验装置中的床身16是整个钻削过程中的基础支撑部件；床身16上装有直线位移工作台6、床身立柱15；床身立柱15上装有主轴箱14，主轴部件13安装在主轴箱14上，角度头10通过莫式锥孔安装在主轴部件13莫式锥孔内，转接环12与主轴部件13通过螺栓夹紧，角度头10上的限位块11插入转接环12限位孔H内进行定位，固定角度头10的加工轴向方向，使其与机床钻削进给方向Y平行；夹具8固定在直线位移工作台6上，被加工样件7通过夹具8进行装夹。调整装夹在角度头10前端的钻头9至待加工位置处，根据钻头9轴线与被加工样件7出口侧的交点确定预期钻孔出口中心并做标记G。
相机云台底座20安装在直线位移工作台6上，高速相机19安装在相机云台底座20上，显微镜头17安装在高速相机19上，光源21通过光缆18连接于显微镜头17，高速相机19通过相机数据线22与计算机系统1相连，对采集的图像、视频数据进行处理、实时显示和录制。根据计算机系统1观测标记G的位置，调整相机云台底座20的位置和角度，将标记G调整至观测视场中央，选定高速相机19的拍摄倍率，调节光源21的进光量，保证拍摄视场明亮，微调云台底座20位置至观测的最清晰的焦平面处于出口标记G位置，旋拧显微镜头17的对焦环精确对焦。
热像仪云台底座5安装在直线位移工作台6上，红外热像仪4安装在热像仪云台底座5上，红外热像仪4通过热像仪数据线23与计算机系统1相连，可实现对加工过程中温度的实时监控、记录以及对所采集的数据进行处理。调整热像仪云台底座5至样件7处于计算机系统1中红外热像仪4视场观测范围内且图像基本清晰，并按动红外热像仪4对焦按钮，进行精确对焦。
除尘风管3连接在除尘机2上，除尘风管3固定在支架25上，调整除尘风管3前端吸口对正加工出口位置，且不遮挡计算机系统1中高速相机19以及红外热像仪4的观测视场，实现切屑的及时吸除。
本发明的具体实施过程为：
1)开动机床，调整固定在直线位移工作台6的夹具8的定位面F，使其平行于X、Z方向构成的平面，将被加工样件7装夹在夹具8上；调整装夹在角度头10前端的钻头9至待加工位置处；根据钻头9轴线与被加工样件7出口侧的交点确定预期钻孔出口中心并做标记G；
2)打开高速相机19和光源21，根据计算机系统1观测标记G的位置，调整相机云台底座20的位置和角度，将标记G调整至观测视场中央，选定高速相机19的拍摄倍率，调节光源21的进光量，保证拍摄视场明亮，微调云台底座20位置至观测的最清晰的焦平面处于出口标记G位置，旋拧显微镜头17的对焦环精确对焦；
3)打开红外热像仪4，调整热像仪云台底座5至样件7处于计算机系统1中红外热像仪4视场观测范围内且图像基本清晰，并按动红外热像仪4对焦按钮，进行精确对焦；
4)调整支架25和除尘风管3的吸口的位置和角度，使除尘风管3前端吸口对准标记G；通过计算机系统1观测，确定高速相机19的显微镜头17，红外热像仪4以及除尘风管3的吸口的位置不能相互遮挡钻削出口；
5)调节机床钻削加工参数，开启除尘装置，在机床执行钻削指令控制直线位移工作台沿Y方向进给切削被加工样件7时，开启红外热像仪4和高速相机19，记录整个切削过程以及切削区域的温度数据。
通过本发明可完成碳纤维复合材料制孔加工出口观测的原理性实验，对于复合材料制孔过程中出口质量的测量，通过角度头将立式制孔转换为卧式制孔，使钻削出口位置具有足够的空间，打破了制孔出口位置的观测角度的限制；高速显微摄像机，红外热像仪和除尘风管固定在云台上，并与工件随动，对复合材料制孔出口切削过程进行稳定、清晰、多角度观测，获得切削过程中切削区域材料被切削形貌和温度的实时情况，为分析复合材料制孔出口分层、撕裂以及毛刺等损伤的成因提供重要依据。
本发明的具体测试结果如下：
(1)出口质量
出口处钻削过程的由高速相机记录下来，测试结果如图3、图4所示。出口存在明显的毛刺损伤，见图3中的B、C、D处，可以观察到毛刺损伤在加工过程中不断扩展。利用高速相机可以得到出口质量，从而获得出口毛刺损伤的实时状态和大小，图像可以用来分析钻削制孔过程中刀具与材料的相互作用以及损伤的产生过程。
(2)出口温度
出口处温度场的图片如图4所示，通过红外热像仪，记录下了在制孔过程中出口处温度场瞬时情况，图4中E为钻尖位置，可以观察到钻为位置温度最高，温度场数据结合显微观测结果有助于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。

Claims (2)

1.一种制孔加工出口观测的实验装置，其特征是，该装置具有微机系统、水平钻削试验台、高速显微观察装置、出口温度在线测量装置和除尘装置；微机系统(1)通过相机数据线(22)与高速相机(19)相连，又通过热像仪数据线(23)与热像仪(4)相连；
在所述的水平钻削试验台中，主轴部件(13)安装于主轴箱(14)中，主轴箱(14)安装在床身立柱(15)的导轨上，床身立柱(15)与床身(16)装配在一起，床身(16)上装有直线位移工作台(6)，相机云台底座(20)，热像仪云台底座(5)，支架(25)与夹具(8)均安装在直线位移工作台(6)上；主轴部件(13)的莫氏锥孔内装夹角度头(10)，角度头(10)上安装有钻头(9)，主轴部件(13)的主轴端盖(24)与转接环(12)连接固定，角度头(10)上的限位块(11)插入转接环(12)的限位孔(H)中，固定角度头(10)的加工轴的方向与机床钻削进给方向(Y)平行；
所述的高速显微观察装置中，显微镜头(17)与高速相机(19)相连，高速相机(19)安装在相机云台底座(20)上，光源(21)通过光缆(18)连接于显微镜头(17)，显微镜头(17)在制孔出口一侧；
出口温度在线测量装置中，红外热像仪4安装在热像仪云台底座(5)上，红外热像仪(4)在制孔出口一侧；
所述的除尘装置的除尘风管(3)与除尘机(2)相连，并固定在支架(25)上，除尘风管(3)的吸口在制孔出口一侧。
2.依据权利要求1所述的一种制孔加工出口观测的实验装置，其特征是，该装置采用的实验方法通过上述装置实时测量的具体步骤如下：
1)先调整固定在直线位移工作台(6)的夹具(8)的定位面(F)，使其平行于(X、Z)方向构成的平面，将被加工样件(7)装夹在夹具(8)上；调整装夹在角度头(10)前端的钻头(9)至待加工位置处；根据钻头(9)轴线与被加工样件(7)出口侧的交点确定预期钻孔出口中心，并做标记(G)；
2)打开高速相机(19)和光源(21)，根据计算机系统(1)观测标记(G)的位置，调整相机云台底座(20)的位置和角度，将标记(G)调整至观测视场中央，选定高速相机(19)的拍摄倍率，调节光源(21)的进光量，保证拍摄视场明亮，微调云台底座(20)位置至观测的最清晰的焦平面处于出口标记(G)位置，旋拧显微镜头(17)的对焦环精确对焦；
3)打开红外热像仪(4)，调整热像仪云台底座(5)至样件(7)处于计算机系统(1)中红外热像仪(4)视场观测范围内且图像清晰；
4)调整支架(25)和除尘风管(3)的吸口的位置和角度，使除尘风管(3)前端吸口对准标记(G)；通过计算机系统(1)观测，确定高速相机(19)的显微镜头(17)，红外热像仪(4)以及除尘风管(3)的吸口的位置不能相互遮挡钻削出口；
5)调节机床钻削加工参数，开启除尘装置，开动机床，当机床执行钻削指令控制直线位移工作台沿(Y)方向进给切削被加工样件(7)时，开启红外热像仪(4)和高速相机(19)，记录整个切削过程以及切削区域的温度数据。
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