CN105738240A - 全范围纤维方向角的cfrp切削加工表面质量的评价方法 - Google Patents

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    • G01N3/58—Investigating machinability by cutting tools; Investigating the cutting ability of tools

Abstract

一种全范围纤维方向角的CFRP切削加工表面质量的评价方法，通过环形铣削碳纤维增强复合材料的圆盘工件，获得全范围纤维方向角下的碳纤维增强复合材料切削加工表面，并对碳纤维增强复合材料不同纤维方向角下的切削加工表面进行表面质量评价；铣削加工时刀具路径为以圆盘工件中心为圆心的圆形轨迹，获得切削加工表面后测量其表面粗糙度，通过拍摄光学显微镜照片拼接形成0～180°全范围内纤维方向角的切削加工表面图像，并且测量不同纤维方向角下的切削加工表面毛刺高度，最后获得全范围纤维方向角的表面毛刺高度因子并据以评价所述碳纤维增强复合材料的切削加工表面的质量。本发明只需通过一次铣削加工试验，即可获得0～180°全范围纤维方向角的CFRP切削加工表面并进行质量评价。

Description

全范围纤维方向角的CFRP切削加工表面质量的评价方法
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评价方法，具体涉及一种基于环形铣削试验的全范围纤维方向角的CFRP切削加工表面质量的评价方法，属于机械加工技术领域。
背景技术
碳纤维增强复合材料(CarbonFiberReinforcedPolymer，简称CFRP)以其轻质、高比强度、高比刚度、耐腐蚀、低热膨胀系数等优点在航空航天领域得到了广泛应用。CFRP的物理和力学性质都具有很强的各向异性特征，这使得CFRP成为一种典型的高难度加工材料。不同于各向同性的金属材料，在CFRP的切削加工中极易出现分层、毛刺、树脂烧伤、纤维抽出、表面凹坑等加工缺陷，加工质量难以保证。如图1所示，以转速为n旋转的刀具对CFRP进行切削加工，切削速度为vc，切深为ae，进给速度为vf，碳纤维增强复合材料的纤维方向是影响CFRP切削加工性能和加工质量最重要的因素，纤维切削角θ是指刀具切削刃的切削速度vc方向与纤维方向之间的夹角，纤维方向角β是指刀具进给速度vf方向与纤维方向之间的夹角。
在CFRP的切削加工中，目前针对CFRP加工表面质量的评价主要通过正交切削、直线铣削来获得某单一纤维方向角β下CFRP的切削加工表面，然后对该加工表面的质量进行评价；而要想对不同纤维方向角β的CFRP切削加工表面进行质量评价，就需要制备具有不同纤维方向的CFRP单向层合板试件并进行切削加工试验，从而获得不同纤维方向角β的切削加工表面，然后对其逐一进行质量评价。这种质量评价方式不仅工作量大，而且不能获得纤维方向角连续变化下的切削加工表面，局限性很大。
发明内容
本发明的目的在于，针对目前CFRP切削加工表面质量评价只能依靠多次重复试验来完成，而且只能对单一纤维方向角下的切削加工表面质量进行评价的问题，提出一种全范围纤维方向角的CFRP切削加工表面质量的评价方法，通过创新切削加工试验的方法，能够通过一次铣削加工试验即可获得0～180°全范围纤维方向角的碳纤维增强复合材料切削加工表面并进行质量评价。
本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种全范围纤维方向角的CFRP切削加工表面质量的评价方法，通过环形铣削碳纤维增强复合材料的圆盘工件，获得全范围纤维方向角下的碳纤维增强复合材料切削加工表面，并对碳纤维增强复合材料不同纤维方向角下的切削加工表面进行表面质量评价。
进一步地，所述的环形铣削的加工轨迹为以所述圆盘工件中心为圆心的圆形轨迹，所述的圆盘工件为同向铺层的碳纤维增强复合材料单向层合板。
进一步地，所述的全范围纤维方向角指的是，在0～180°之间连续变化的纤维方向角。
进一步地，所述的表面质量评价包括：测量不同纤维方向角下切削加工表面的表面粗糙度、拍摄不同纤维方向角下切削加工表面的光学显微镜照片并拼接成0～180°范围连续变化纤维方向角下的切削加工表面图像和测量不同纤维方向角下切削加工表面的毛刺高度并计算表面毛刺高度因子。
进一步地，所述评价方法包括如下具体步骤：
步骤1)试样制备，将同向铺层的碳纤维增强复合材料单向层合板制成圆盘工件，并在该圆盘工件的中心加工出通孔；
步骤2)加工切削加工表面，采用刀具对所述圆盘工件的沿厚度方向上的侧面进行侧铣加工，加工轨迹为以所述圆盘工件中心为圆心的圆形轨迹，从而获得在0～180°之间连续变化的纤维方向角下的铣削加工表面，并且标记出所述圆盘工件上对应于不同纤维方向角的位置；
步骤3)测量表面粗糙度，利用所述圆盘工件中心处的通孔将该圆盘工件固定在高度尺平台上，测量不同纤维方向角下切削加工表面的表面粗糙度；
步骤4)拍摄光学显微镜照片，采用光学显微镜获得不同纤维方向角下的切削表面图像，并拼接形成0～180°范围连续变化纤维方向角下的切削加工表面光学显微镜图像。步骤5)测量不同纤维方向角下切削加工表面的毛刺高度，通过光学显微镜测量不同纤维方向角下的切削加工表面的毛刺高度，依据下列公式计算表面毛刺高度因子并据以评价所述碳纤维增强复合材料的切削加工表面的质量：
f d = h 1 + t + h 2 t
其中，fd为毛刺高度因子，h1为上表面毛刺高度，h2为下表面毛刺高度，t为圆盘工件厚度。
与现有技术比较，本发明可以通过一次铣削加工试验即可获得0～180°范围内连续纤维方向角下的CFRP切削加工表面并进行质量评价。
附图说明
图1为碳纤维增强复合材料的切削加工状态示意图。
图2为铣削加工试验装备示意图。
图3为圆盘工件示意图。
图4为铣削加工路径及不同位置的纤维方向角示意图。
图5为切削加工表面质量状态示意图。
图中，1为机床主轴，2为刀柄，3为刀具，4为固定螺栓，5为圆盘工件，6为夹具，7为机床工作台，8为螺栓连接孔，9为通孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步具体描述，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明所述全范围纤维方向角的CFRP切削加工表面质量的评价方法，通过环形铣削碳纤维增强复合材料的圆盘工件，获得全范围纤维方向角下的碳纤维增强复合材料切削加工表面，并对碳纤维增强复合材料不同纤维方向角下的切削加工表面进行表面质量评价。所述的环形铣削的加工轨迹为以所述圆盘工件中心为圆心的圆形轨迹，所述的圆盘工件为同向铺层的碳纤维增强复合材料单向层合板。
所述的全范围纤维方向角指的是，在0～180°之间连续变化的纤维方向角。
所述的表面质量评价包括：测量不同纤维方向角下切削加工表面的表面粗糙度、拍摄不同纤维方向角下切削加工表面的光学显微镜照片并拼接成0～180°范围连续变化纤维方向角下的切削加工表面图像和测量不同纤维方向角下切削加工表面的毛刺高度并计算表面毛刺高度因子。
所述评价方法包括如下具体步骤：
步骤1：试样制备。试样必须为同向铺层的CFRP单向层合板，通过机械加工制成圆盘工件5，请参阅图2，刀具3的刀柄2安装在机床主轴1上，圆盘工件5通过夹具6固定在机床工作台7上。再请结合参阅图3，在圆盘工件5的相应位置上钻制若干螺栓连接孔8，用于与夹具6通过固定螺栓4连接；并在圆盘工件5的中心预制通孔9，为铣削试验后用显微镜等拍摄切削加工表面做准备。
步骤2：铣削加工试验。请参阅图4，采用CFRP铣削加工刀具3铣削加工圆盘工件5的沿厚度方向上的侧面，加工方式为侧铣，刀具3的加工轨迹必须为以圆盘工件5中心为圆心的圆形轨迹，铣削方式为顺铣或逆铣，从而获得0～180°之间连续变化的纤维方向角下的铣削加工表面；采用锥度球头铣刀或刻字铣刀在CFRP圆盘工件5的上表面通过刻线的方式依次标记出对应于不同纤维方向角的位置。
步骤3：测量表面粗糙度。利用CFRP圆盘工件5中心的通孔9，通过与通孔9等大小的螺栓固定在高度尺平台上(CFRP圆盘工件5可自由转动并用螺栓锁紧)，固定好位置后，测量不同纤维方向角位置的切削加工表面的表面粗糙度，或者不同纤维方向角下切削加工表面的表面粗糙度。
步骤4：拍摄光学显微镜照片。与步骤3相同，将圆盘工件5按某一纤维方向角固定，采用光学显微镜获得不同纤维方向角区间范围下的切削加工二维或三维表面，并进行拼接形成0～180°范围中连续变化纤维方向角下的切削加工表面的光学显微镜图像。
步骤5：测量不同纤维方向角下的毛刺高度并计算表面毛刺高度因子。请参阅图5，通过光学显微镜测量不同纤维方向角下的CFRP圆盘工件5切削加工表面的上表面毛刺高度h1和下表面毛刺高度h2，依据下列公式计算表面毛刺高度因子fd并据以评价所述碳纤维增强复合材料的切削加工表面的质量：
f d = h 1 + t + h 2 t
其中，fd为毛刺高度因子，h1为上表面毛刺高度，h2为下表面毛刺高度，t为圆盘工件厚度。
本发明可以通过一次铣削加工试验即可对0～180°连续纤维方向角的CFRP单向层合板切削加工表面质量进行评价。

Claims (5)

1.一种全范围纤维方向角的CFRP切削加工表面质量的评价方法，其特征在于，通过环形铣削碳纤维增强复合材料的圆盘工件，获得全范围纤维方向角下的碳纤维增强复合材料切削加工表面，并对碳纤维增强复合材料不同纤维方向角下的切削加工表面进行表面质量评价。
2.根据权利要求1所述的全范围纤维方向角的CFRP切削加工表面质量的评价方法，其特征在于，所述的环形铣削的加工轨迹为以所述圆盘工件中心为圆心的圆形轨迹，所述的圆盘工件为同向铺层的碳纤维增强复合材料单向层合板。
3.根据权利要求1所述的全范围纤维方向角的CFRP切削加工表面质量的评价方法，其特征在于，所述的全范围纤维方向角指的是，在0～180°之间连续变化的纤维方向角。
4.根据权利要求1所述的全范围纤维方向角的CFRP切削加工表面质量的评价方法，其特征在于，所述的表面质量评价包括：测量不同纤维方向角下切削加工表面的表面粗糙度、拍摄不同纤维方向角下切削加工表面的光学显微镜照片并拼接成0～180°范围连续变化纤维方向角下的切削加工表面图像和测量不同纤维方向角下切削加工表面的毛刺高度并计算表面毛刺高度因子。
5.根据权利要求1所述的全范围纤维方向角的CFRP切削加工表面质量的评价方法，其特征在于，所述评价方法包括如下具体步骤：
步骤1)试样制备，将同向铺层的碳纤维增强复合材料单向层合板制成圆盘工件，并在该圆盘工件的中心加工出通孔；
步骤2)加工切削加工表面，采用刀具对所述圆盘工件的沿厚度方向上的侧面进行侧铣加工，加工轨迹为以所述圆盘工件中心为圆心的圆形轨迹，从而获得在0～180°之间连续变化的纤维方向角下的铣削加工表面，并且标记出所述圆盘工件上对应于不同纤维方向角的位置；
步骤3)测量表面粗糙度，利用所述圆盘工件中心处的通孔将该圆盘工件固定在高度尺平台上，测量不同纤维方向角下切削加工表面的表面粗糙度；
步骤4)拍摄光学显微镜照片，采用光学显微镜获得不同纤维方向角下的切削表面图像，并拼接形成0～180°范围连续变化纤维方向角下的切削加工表面光学显微镜图像。
步骤5)测量不同纤维方向角下切削加工表面的毛刺高度，通过光学显微镜测量不同纤维方向角下的切削加工表面的毛刺高度，依据下列公式计算表面毛刺高度因子并据以评价所述碳纤维增强复合材料的切削加工表面的质量：
f d = h 1 + t + h 2 t
其中，为毛刺高度因子，为上表面毛刺高度，为下表面毛刺高度，t为圆盘工件厚度。
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