CN105738239B - 一种用于cfrp单向层合板加工缺陷分析的试验方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于CFRP单向层合板加工缺陷分析的试验方法，其特征在于，采用碳纤维预浸布料制成的具有不同纤维方向角的多个试件进行正交飞切试验，然后通过扫描电子显微镜对切削后的试件的材料断口进行摄影观察并获得影像资料，为CFRP的切削去除机理的研究提供实验数据基础。本发明采用单点飞切的方式研究CFRP在切断过程中的材料表面形貌变化规律，主要关注不同纤维方向角条件下碳纤维的切断规律，从宏观、微观形貌两方面解释碳纤维切削加工的断口形成机理，并基于此得到不同纤维方向条件下CFRP单向层合板进出口缺陷的形成机理，从而为在CFRP材料的切削加工过程中减少加工缺陷的产生，避免加工缺陷导致的构件加工质量事故提供了实验和理论基础。
Description
技术领域
本发明涉及碳纤维增强复合材料切削加工质量的分析，具体涉及一种用于CFRP单向层合板加工缺陷分析的试验方法，属于机械切削技术领域。
背景技术
随着全球航空业的快速发展，无论是强调飞行性能的军机，还是强调安全、经济、环保、舒适的民机，更轻、更强的复合材料化的飞机结构已经成为大势所趋。在过去几十年里碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer，简称CFRP)已快速发展成为航空结构件的主流材料。CFRP材料的切削加工过程与传统的单相金属材料有着明显的区别，这主要是由CFRP材料显著的各向异性而造成的。CFRP材料由增强相材料和基体相材料组成，其中增强相材料具有硬脆难加工特性，其切削过程一般为受到刀具的挤压之后发生脆性断裂，因而易造成刀具的恶劣载荷和剧烈磨损；基体相材料具有软塑难加工特性，其切削过程中材料的分离过程则存在有大塑性变形过程，尤其是在切削温度的影响下极易丧失基体材料原有的强度和硬度，并使得增强相材料材料失去应有的保护和支撑，导致分层、毛刺、撕裂等现象的发生，从而产生各种加工缺陷。
CFRP材料的显著各向异性使得切削加工领域必须面对新的挑战，为了在CFRP材料的切削加工过程中消除产生加工缺陷的因素，避免加工缺陷导致的构件加工质量事故，因此，对CFRP加工缺陷进行分析研究，关注不同纤维方向角条件下CFRP的切断规律，从宏观和微观两方面观察CFRP加工切断过程中断口表面形貌变化的规律，并由此得到不同纤维方向条件下CFRP单向层合板加工缺陷的形成机理，从各向异性的角度重新建立CFRP材料切削过程的解释理论体系，对我国航空制造业开展高水平、大用量的CFRP材料应用具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种全用于CFRP单向层合板加工缺陷分析的试验方法，通过创新切削试验的方法，对CFRP单向层合板的加工缺陷进行分析，为CFRP切削加工，包括纤维切断分离方式、纤维断口形貌和缺陷形成机理的研究提供数据基础。
本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种用于CFRP单向层合板加工缺陷分析的试验方法，其特征在于，采用碳纤维预浸布料制成的具有不同纤维方向角的多个试件进行正交飞切试验，然后通过扫描电子显微镜对切削后的试件的材料断口进行摄影观察并获得影像资料，为CFRP的切削去除机理的研究提供实验数据基础。
进一步地，所述的多个试件的纤维方向角的范围为0°～180°，依次相隔15°。
进一步地，所述的碳纤维预浸布料是由碳纤维丝束与树脂浸渍在一起所形成的布料状碳纤维增强复合材料。
进一步地，所述的正交飞切试验是在平面磨床上完成的，包括将飞切刀具安装在该平面磨床的主轴上，所述试件安装在固定不动的工作台上，所述主轴旋转带动飞切刀具做单点飞切运动。
进一步地，所述的飞切刀具包括正交飞刀和飞刀盘，该正交飞刀安装在所述飞刀盘上；所述的正交飞刀为锥形，锥顶角为100°，刀尖的圆半径在60μm以内。
进一步地，所述的CFRP的切削去除机理包括各向异性下材料加工断口形貌变化规律、材料切断分离方式和加工缺陷形成机理。
进一步地，所述试验方法包括如下具体步骤：
第一步，准备试验加工试件，试件为正方形，各试件的纤维方向与底边呈不同的角度，即通过切割形成从0°到180°依次相隔15°的不同纤维方向角，并分别在各试件上标明相应的纤维方向角；
第二步，准备飞切刀具，该飞切刀具包括飞刀盘和安装在该飞刀盘上的正交飞刀，该正交飞刀为锥形，锥顶角为100°，刀尖的圆半径在60μm以内；
第三步，将所述飞切刀具固定安装在平面磨床的主轴上，所述试件安装在工作台上，确定好切削参数，然后开启平面磨床，所述主轴旋转带动飞切刀具做单点飞切运动，对试件进行切削完成正交飞切试验，试验过程中所述平面磨床的工作台固定不动；
第四步，通过扫描电子显微镜对切削后的试件的材料断口进行摄影观察并获得影像资料，根据该影像资料显示的材料加工断口形貌分析材料的切断分离方式，进而总结出材料加工缺陷的形成机理。
与现有技术比较，本发明通过切削试验方法的创新，对具有不同纤维方向角的试件进行正交飞切试验，然后通过扫描电子显微镜对切削后的试件的材料断口进行摄影观察并获得影像资料，为CFRP的切削去除机理的研究提供了实验数据基础。为在CFRP材料的切削加工过程中减少加工缺陷的产生，避免加工缺陷导致的构件加工质量事故提供了实验和理论基础。
附图说明
图1为本发明正交飞切试验的示意图。
图中，1为正交飞刀，2为飞刀盘。
具体实施方式
本发明是在不同纤维方向角下对碳纤维预浸布料进行飞切实验，通过研究不同纤维方向角下的碳纤维预浸布料的加工缺陷形成规律，包括纤维切断分离方式和纤维断口形貌，作为实验和理论基础，进一步揭示经过复合之后CFRP材料的各向异性与切削去除机理。
所述用于CFRP单向层合板加工缺陷分析的试验方法采用碳纤维预浸布料制成的具有不同纤维方向角的多个试件进行正交飞切试验，然后通过扫描电子显微镜对切削后的试件的材料断口进行摄影观察并获得影像资料，为CFRP的切削去除机理的研究提供实验数据基础。
所述碳纤维预浸布料是由碳纤维丝束与少量树脂预浸在一起所形成布料状的碳纤维材料，也是CFRP材料制备过程中的一种中间材料形态。在飞切加工中会因为没有足够的树脂支撑保护而易产生加工缺陷，其与CFRP单向层合板进出口的切削加工条件极为相似。因此通过碳纤维预浸布料的飞切试验的断口缺陷分析可以得CFRP单向层合板材料切削加工中的进出口缺陷形成机理。
所述的碳纤维预浸布料正交飞切试验在切削加工过程，其中刀具与材料纤维方向呈不同的夹角θ，分别为0/180°、15/165°、30/150°、45/135°、60/120°、75/105°和90/90°，包括平行切削、垂直切削、顺纤维切削和逆纤维切削。由于飞切过程中飞切刀具是将连续长纤维切断的过程，因此纤维方向角也在一次飞切过程中以180°补角的形式成对出现，即在飞切划痕的上边沿和下边沿各自形成一种不同的纤维方向角，且两者互补。
所述的正交飞切试验是由平面磨床完成的，请参阅图1，将平面磨床的砂轮盘换成专门设计的飞切刀具，将正交飞刀1装在飞刀盘2上，当平面磨床主轴旋转时就可以带动飞切刀具做单点飞切运动。试验过程中平面磨床的工作台固定不动，只让主轴旋转来完成飞切。
所述的正交飞刀为特殊定制的飞切刀，飞切刀具包括正交飞刀1和飞刀盘2，该正交飞刀1安装在所述飞刀盘2上；正交飞刀1刀尖呈锥形，100°顶角，钝圆半径在60μm以内。
本发明包括以下步骤：
第一步，按要求准备好实验加工试件。试件设计成正方形，每个试件的纤维方向被专门设计成与试件底边呈不同的角度，即通过按不同方向切割形成从0°到180°每隔15°一个不同的纤维方向角，并分别在试件上标注好相应的纤维方向角。
第二步，按正交飞切实验要求准备好实验所需的飞切刀具。刀具刀尖设计成锥形，顶角大小为100°，钝圆半径在60μm以内。
第三步，将飞切刀具固定安装到机床上，然后确定好切削参数开启平面磨床进行实验。
第四步，用扫描电子显微镜对实验后的试件进行拍照观察，根据材料加工断口表面形貌分析其切断机理，进而总结出材料表面加工缺陷的形成机理。
以下结合附图对本发明的实施例作进一步描述，实施例以本发明方法为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
第一步，按要求准备好实验材料。试验中采用T800碳纤维预浸布料作为工件材料，其性能见下表1，尺寸为30mm×30mm的小方块布，工件材料被切割时，纤维方向被专门设计成与小方块布料的底边呈不同的角度，即通过大块预浸布料按不同方向切割形成从0°到180°每隔15°一个不同的纤维方向角，并分别在碳纤维预浸布料上标注好相应的纤维方向角。
表1 T800碳纤维基本物理力学性能
第二步，实验采用刀具为CVD金刚石涂层硬质合金飞刀，其中，刀具刀尖呈锥形，顶角大小是100°，钝圆半径在60μm以内。
第三步，试验中的飞切运动是由KENT-KGS-1020AH平面磨床完成的，用专门设计的飞刀盘取代磨床的砂轮盘，然后将正交飞刀固定在飞刀盘上。当磨床主轴旋转时就可以带动飞切刀具做单点飞切运动。试验中平面磨床的工作台固定不动，只让主轴旋转来完成飞切。
第四步，将碳纤维预浸布料试件装夹固定在磨床工作台上，开动磨床主轴进行飞切实验。其中，切削加工参数如下：切削速度200m/min,切削深度为20μm。
第五步，用扫描电子显微镜对实验后的碳纤维预浸布料试件进行拍照观察，根据影像资料显示的材料加工断口形貌分析CFRP单向层合板材料的切断分离方式，进而总结出材料加工缺陷的形成机理。
Claims (6)
1.一种用于CFRP单向层合板加工缺陷分析的试验方法，其特征在于，采用碳纤维预浸布料制成的具有不同纤维方向角的多个试件进行正交飞切试验，然后通过扫描电子显微镜对切削后的试件的材料断口进行摄影观察并获得影像资料，为CFRP的切削去除机理的研究提供实验数据基础；所述的正交飞切试验是在平面磨床上完成的，包括将飞切刀具安装在该平面磨床的主轴上，所述试件安装在固定不动的工作台上，所述主轴旋转带动飞切刀具做单点飞切运动。
2.根据权利要求1所述的用于CFRP单向层合板加工缺陷分析的试验方法，其特征在于，所述的多个试件的纤维方向角的范围为0°～180°，依次相隔15°。
3.根据权利要求1所述的用于CFRP单向层合板加工缺陷分析的试验方法，其特征在于，所述的碳纤维预浸布料是由碳纤维丝束与树脂浸渍在一起所形成的布料状碳纤维增强复合材料。
4.根据权利要求1所述的用于CFRP单向层合板加工缺陷分析的试验方法，其特征在于，所述的飞切刀具包括正交飞刀和飞刀盘，该正交飞刀安装在所述飞刀盘上；所述的正交飞刀为锥形，锥顶角为100°，刀尖的圆半径在60μm以内。
5.根据权利要求1所述的用于CFRP单向层合板加工缺陷分析的试验方法，其特征在于，所述的CFRP的切削去除机理包括各向异性下材料加工断口形貌变化规律、材料切断分离方式和加工缺陷形成机理。
6.根据权利要求1所述的用于CFRP单向层合板加工缺陷分析的试验方法，其特征在于，所述试验方法包括如下具体步骤：
第一步，准备试验加工试件，试件为正方形，各试件的纤维方向与底边呈不同的角度，即通过切割形成从0°到180°依次相隔15°的不同纤维方向角，并分别在各试件上标明相应的纤维方向角；
第二步，准备飞切刀具，该飞切刀具包括飞刀盘和安装在该飞刀盘上的正交飞刀，该正交飞刀为锥形，锥顶角为100°，刀尖的圆半径在60μm以内；
第三步，将所述飞切刀具固定安装在平面磨床的主轴上，所述试件安装在工作台上，确定好切削参数，然后开启平面磨床，所述主轴旋转带动飞切刀具做单点飞切运动，对试件进行切削完成正交飞切试验，试验过程中所述平面磨床的工作台固定不动；
第四步，通过扫描电子显微镜对切削后的试件的材料断口进行摄影观察并获得影像资料，根据该影像资料显示的材料加工断口形貌分析材料的切断分离方式，进而总结出材料加工缺陷的形成机理。
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