CN105150273B - 一种碳纤维复合材料钻削无线测温系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种碳纤维复合材料钻削无线测温系统和方法属于机械检测领域，涉及一种碳纤维复合材料钻削无线测温系统和方法。该系统采用无线测温刀柄单元、人机交互参数设置和测量结果显示单元，以及与人机交互参数设置和测量结果显示单元相连接的信号无线接收单元。测温方法是先组装无线测温刀柄单元，将安装好的无线测温刀柄单元与机床主轴连接，设置采样频率，设定所需的工艺参数并启动机床，信号无线发射单元的A/D转换芯片对由热电偶转化的微弱电信号进行数据采集。本发明对机床主轴无损害、且无需特制工件，可获得任意工艺条件下钻削碳纤维复合材料整个过程中瞬时温度变化的全部数据。测温系统简单、可靠，测温方法减少试验周期，降低试验成本。
Description
技术领域
本发明属于机械检测领域，涉及一种碳纤维复合材料钻削无线测温系统和方法。
背景技术
碳纤维复合材料具有轻质高强、耐腐蚀等诸多优点，可以大幅改善有效载荷和燃油消耗，已经广泛用于航空航天、汽车、船舶等领域。然而，由于碳纤维复合材料各部件之间无法通过焊接的方法进行连接，使用螺栓进行机械连接成为碳纤维复合材料装配过程中的唯一选择。为了满足连接装配的尺寸精度要求，对碳纤维复合材料零部件进行切削加工是碳纤维复合材料制造过程中必不可少的环节之一。而钻削加工是碳纤维复合材料最主要的切削加工形式，约占总切削加工量的一半以上。由于碳纤维复合材料细观上呈现纤维、树脂、界面的混合形态，且高强高硬的碳纤维与刀具之间的剧烈摩擦作用会产生大量的热，而树脂基体是一种对温度极其敏感的热固性高分子材料，在高温的影响下极易发生软化、失去强度甚至碳化分解。在对复合材料制件特别是大尺寸、大厚度复材制件加工时，由于尺寸大、厚度大、连续切削时间长、导致产热量大、热易集聚，切削温度一旦超过树脂基体的玻璃转化温度会加剧分层、撕裂等损伤的产生，同时树脂软化后易粘刀，进而加剧刀具磨损。钻削温度的准确测量是切削热分析的前提。目前的测温技术主要包括接触式测温和非接触式测温。非接触式测温技术如红外热成像技术，其工作原理是利用探测仪测定目标的本身与背景之间的红外线差得到不同的红外图像，然而，由于钻削加工过程具有半封闭的特点，红外热成像仪的传感器探头只能得到钻削入口和出口的温度场分布情况，很难获得钻削过程的温度变化情况。
针对复合材料钻削温度的研究大多数采用人工热电偶的方法，2013年朱国平发表的硕士学位论文《单向C/E复合材料钻削温度场研究》一文中采用人工热电偶方法进行钻削温度研究，该方法需要在复合材料工件上开孔以放置热电偶，通常孔的直径都远大于热电偶的丝径，这样不仅会对复合材料结构造成破坏，影响钻削过程温度场分布，进而影响测量结果的准确性。而且，最重要的是这种方法只能获得指定点温度随时间的变化规律，无法捕捉到整个钻削过程中温度变化的瞬间，这对于钻削过程切削热对加工损伤形成及刀具磨损影响的深入分析至关重要。为避免工件预埋热电偶对钻削温度的影响，2014年涂俊翔等人在《福州大学学报》发表的《高速钻削碳纤维复合材料的钻头温度测量研究》一文中，提出采用刀具固定工件旋转的方法来测量钻削温度，热电偶被安装在带有内冷却孔的钻头中，钻头通过三爪卡盘固定在工作台上，特制的圆柱形工件被安装在机床主轴上并随主轴一起运动，该方法虽然可以获得温度变化瞬间的信号，并且避免刀具旋转过程中热电偶信号线发生缠绕造成信号丢失甚至严重机床事故发生，但是，该方法不仅需要特制的圆柱形碳纤维复合材料工件，而且需要将工件装夹在机床主轴上，由于碳纤维复合材料加工过程中会产生大量碳纤维粉尘，这些粉尘具有导电性，一旦进入主轴不仅会堵塞主轴，而且对机床主轴的高精密电气元件造成不可恢复的损坏，从而降低机床主轴的使用寿命，最终导致试验无法正常进行。因此，若能发明一种可以获得常规钻削加工中整个温度变化瞬时的、对机床主轴无损害的测量装置，对碳纤维复合材料钻削过程温度变化瞬间的研究以及减少试验周期、降低试验成本具有积极的推动作用。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺陷，发明一种碳纤维复合材料钻削加工无线测温系统和方法。系统采用无线测温刀柄单元以及与人机交互参数设置和测量结果显示单元相连接的信号无线接收单元，提供一种对机床主轴无损害、且无需特制工件，可以获得任意工艺条件下钻削碳纤维复合材料整个钻削过程中瞬时温度变化的全部数据，测温系统简单、可靠；测温方法减少试验周期，降低试验成本。
本发明采用的技术方案是一种碳纤维复合材料钻削加工无线测温测温系统和方法，测温系统采用无线测温刀柄单元、人机交互参数设置和测量结果显示单元，以及与人机交互参数设置和测量结果显示单元相连接的信号无线接收单元；
无线测温刀柄单元I由锥柄1、信号无线发射单元固定筒2、信号无线发射单元3、固定连接帽4、刀夹5、钻头6、热电偶7构成；锥柄1一端为圆柱形外螺纹与信号无线发射单元固定筒2内螺纹的一端螺纹连接，锥柄1另一端加工有锥度与机床主轴10连接；信号无线发射单元固定筒2的另一端为带外螺纹的凸台结构，且凸台中心开有方形的凹槽，用于固定信号无线发射单元3；固定连接帽4为带有中心通孔圆柱形结构，一端带有内螺纹与信号发射单元固定筒2带外螺纹的凸台端连接，固定连接帽4另一端有外螺纹与刀夹5的内螺纹端连接；具有中心通孔的刀夹5无内螺纹端设有弹簧套筒结构用来装夹刀具；信号无线发射单元3中有无线发射芯片、冷端补偿芯片、A/D转换芯片、信号放大芯片和微型电池；热电偶7的信号输出端与信号无线发射单元3的信号放大芯片输入端连接，另一端穿过固定连接帽4和刀夹5的中心通孔以及钻头6的内冷却孔固定在钻头6的后刀面上；
信号无线接收单元8包括与人机交互参数设置和测量结果显示单元相连接的USB接口以及与USB接口相连的无线接收芯片、D/A转换芯片和稳压芯片；信号无线接收单元的输入端与无线测温刀柄单元I的信号输出端通过无线方式进行通讯；
人机交互参数设置和测量结果显示单元9包括电压‐温度转换单元、控制单元以及与控制单元相连接的显示单元；电压‐温度转换单元的输出端与显示单元相连接，电压‐温度转换单元的输入端与信号无线接收单元的输出端连接。
测温系统采用的测温方法的具体步骤是：
步骤1组装无线测温刀柄单元I
首先将热电偶7信号输出端依次穿过钻头6冷却孔、刀夹5、固定连接帽4，与信号发射单元3连接，另一端通过高温绝缘胶固定在钻头后刀面上；将钻头6放入刀夹5的弹簧套筒中夹紧；信号发射单元3装入信号发射单元固定筒2的方形凹槽中，固定连接帽4带有内螺纹一端与信号发射器容器2带有外螺纹的凸台一端连接；刀夹5带有内螺纹的一端与固定连接帽4的另一端连接固定；信号发射单元固定筒2带有内螺纹一端与锥型刀柄1圆柱形凸台一端连接固定，上述所有元件组成无线测温刀柄单元I；
步骤2：将安装好的无线测温刀柄单元I与机床主轴10连接，复合材料样件11安装固定在样件夹具12上，用T型螺栓将样件夹具12安装在工作台13上；信号无线接收单元8通过USB接口与人机交互参数设置和测量结果显示单元9连接，组成温度测量通信系统；
步骤3：通过人机交互参数设置和测量结果显示单元9输入温度信号采样频率，信号无线接收单元接收设置的采样频率，通过D/A转换芯片控制直流脉冲电压的输出间隔，实现设定的采样频率的直流脉冲电压输出，以满足不同工况下温度信号测量要求；
步骤4：当采样频率设置好后，设定所需的工艺参数并启动机床，机床主轴10按照设定的参数开始运动，信号无线发射单元3的A/D转换芯片对由热电偶7转化的微弱电信号进行数据采集；
步骤5：信号无线发射单元3将A/D转换芯片得到的数字信号加上冷端补偿芯片的数字信号，通过无线发射芯片发射出去；信号无线接收单元8的无线接收芯片与信号无线发射单元3的无线发射芯片进行无线通讯，并通过信号无线接收单元8的D/A转换芯片得到的模拟信号乘以电压‐温度转换单元的系数，得到此时的温度，并将温度测量结果显示在人机交互参数设置和测量结果显示单元9的液晶屏上，读取并记录温度随时间变化曲线。
本发明的有益效果是：可实现任意加工参数下碳纤维复合材料瞬时钻削温度变化的测量，不需要在实验样件开孔，避免了因预钻孔破坏实验样件对测量结果造成影响；同时，无需特制样件，避免了工件安装在主轴上加工时，碳纤维粉尘对机床主轴造成的损坏。。
附图说明
图1.无线测温刀柄单元I示意图，其中1—锥柄，2—信号发射单元固定筒，3—信号发射单元，4—固定连接帽，5—刀夹，6—钻头，7—热电偶
图2.测量系统示意图，其中，I—无线测温刀柄单元，8—信号无线接收单元，9—人机交互参数设置和测量结果显示单元，10—机床主轴，11—复合材料样件，12—样件夹具，13—工作台，图中黑色闪电状图形表示信号发射装置与信号接收装置间的信号通过无线方式传输。
具体实施方式
下面结合技术方案和附图对本发明的具体实施作详细说明。
本实施例针对3mm厚的碳纤维复合材料样件，选用直径为8mm的钻头，直径为0.1mm的热电偶进行钻削温度测量实验。
具体实施步骤如下：
步骤1:将无线测温刀柄单元各组成结构按照各自的配合关系安装，组成无线测温刀柄单元I，如图1所示。
首先将热电偶7信号输出端依次穿过钻头6冷却孔、刀夹5、固定连接帽4，与信号发射单元3连接，另一端通过高温绝缘胶固定在钻头后刀面上。将钻头6放入刀夹5的弹簧套筒结构一端并夹紧。信号发射单元3装入信号发射单元固定腔2的方形凹槽中，固定连接帽4带有内螺纹一端与信号发射器容器2带有外螺纹的凸台一端连接。刀夹5带有内螺纹的一端与固定连接帽另一端连接固定。信号发射单元固定腔2带有内螺纹一端与锥型刀柄1圆柱形凸台一端连接固定，上述元件组成无线测温刀柄单元I。
步骤2：将无线测温刀柄单元I安装在机床主轴10上，复合材料样件11固定在样件夹具12上，样件夹具12通过T型螺栓安装在机床工作台13上，信号无线接收单元8通过USB接口与人机交互参数设置和测量结果显示单元9连接。
步骤3：通过人机交互参数设置和测量结果显示单元9设置温度信号采样频率，实现设定的采样频率的直流脉冲电压输出。
步骤4：设定主轴转速与进给速度，输入M3指令，机床主轴开始旋转，输入坐标指令，使钻头6完成对复合材料样件11的一次完整钻削，热电偶7产生的信号经信号发射单元3传输出去，信号无线接收单元8通过无线通讯方式接收信号发射单元3发出的信号，并将温度测量结果显示在人机交互参数设置和测量结果显示单元9的液晶屏上，读取并记录温度随时间变化曲线。
步骤5：输入坐标指令，机床主轴10做垂直向上运动，使钻头6与复合材料样件11脱离，完成一次钻削温度测量。
步骤6：重复步骤4、5，多次测量获得钻削温度变化曲线。
步骤7：更换复合材料样件，改变钻削参数，重复步骤4、5、6完成不同钻削参数下钻削温度的测量。
Claims (1)
1.一种碳纤维复合材料钻削加工无线测温方法，其特征是，测温方法的具体步骤如下：
步骤1组装无线测温刀柄单元(I )
首先将热电偶(7)信号输出端依次穿过钻头(6)冷却孔、刀夹(5)、固定连接帽(4)，与信号发射单元(3)连接，另一端通过高温绝缘胶固定在钻头后刀面上；将钻头(6)放入刀夹(5)的弹簧套筒中夹紧；信号发射单元(3)装入信号发射单元固定筒(2)的方形凹槽中，固定连接帽(4)带有内螺纹一端与信号发射单元固定筒(2)带有外螺纹的凸台一端连接；刀夹(5)带有内螺纹的一端与固定连接帽(4)的另一端连接固定；信号发射单元固定筒(2)带有内螺纹一端与锥型刀柄(1)圆柱形凸台一端连接固定，上述所有元件组成无线测温刀柄单元(I)；
步骤2：将安装好的无线测温刀柄单元(I)与机床主轴(10)连接，复合材料样件(11)安装固定在样件夹具(12)上，用T型螺栓将样件夹具(12)安装在工作台(13)上；信号无线接收单元(8)通过USB接口与人机交互参数设置和测量结果显示单元(9)连接，组成温度测量通信系统；
步骤3：通过人机交互参数设置和测量结果显示单元(9)输入温度信号采样频率，信号无线接收单元接收设置的采样频率，通过D/A转换芯片控制直流脉冲电压的输出间隔，实现设定的采样频率的直流脉冲电压输出，以满足不同工况下温度信号测量要求；
步骤4：当采样频率设置好后，设定主轴转速与进给速度，输入M3指令，机床主轴(10)开始旋转，输入坐标指令，使钻头(6)完成对复合材料样件(11)的一次完整钻削，热电偶(7)产生的信号经信号发射单元(3)传输出去，信号无线接收单元(8)通过无线通讯方式接收信号发射单元(3)发出的信号，并将温度测量结果显示在人机交互参数设置和测量结果显示单元(9)的液晶屏上，读取并记录温度随时间变化曲线；此时，信号无线发射单元(3)的A/D转换芯片对由热电偶(7)转化的微弱电信号进行数据采集；信号无线发射单元(3)将A/D转换芯片得到的数字信号加上冷端补偿芯片的 数字信号，通过无线发射芯片发射出去；信号无线接收单元(8)的无线接收芯片与信号无线发射单元(3)的无线发射芯片进行无线通讯，并通过信号无线接收单元(8)的D/A转换芯片得到的模拟信号乘以电压-温度转换单元的系数，得到此时的温度，并将温度测量结果显示在人机交互参数设置和测量结果显示单元(9)的液晶屏上，读取并记录温度随时间变化曲线；
步骤5：输入坐标指令，机床主轴(10)做垂直向上运动，使钻头(6)与复合材料样件(11)脱离，完成一次钻削温度测量；
步骤6：重复步骤4、5，多次测量获得钻削温度变化曲线；
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20170322 |