CN108453906A - 一种石墨材料断裂韧性测试用开槽刀具、设备及开槽方法 - Google Patents

一种石墨材料断裂韧性测试用开槽刀具、设备及开槽方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种石墨材料断裂韧性测试用开槽刀具、设备及开槽方法，其包括石墨材料断裂韧性测试用开槽刀具，该石墨材料断裂韧性测试用开槽刀具包括刀柄与刀片，刀柄与数控机床的主轴同轴连接，刀片旋转对工作台上夹具夹紧固定的石墨材料样品进行数控开槽，用来替代手工开槽，避免手工开槽带来的对测试结果准确性的影响，解决了手工开槽对于石墨材料断裂韧性测试造成不准确的技术问题，保证石墨样品材料开槽的一致性，提高了石墨材料样品在进行断裂韧性测试时的测试精度，并且数控机床带动特定的开槽刀具对石墨材料样品进行全自动开槽，其开槽的速度与效率远高于人工开槽的速度，提高了测试的效率。

Description

一种石墨材料断裂韧性测试用开槽刀具、设备及开槽方法
技术领域
本发明涉及石墨材料检测用开槽技术领域，具体为一种石墨材料断裂韧性测试用开槽刀具、设备及开槽方法。
背景技术
断裂韧性是表征材料阻止裂纹扩展的能力，是度量材料的韧性好坏的一个定量指标。在加载速度和温度一定的条件下，对某种材料而言它是一个常数。当裂纹尺寸一定时，材料的断裂韧性值愈大，其裂纹失稳扩展所需的临界应力就愈大；当给定外力时，若材料的断裂韧性值愈高，其裂纹达到失稳扩展时的临界尺寸就愈大。且断裂韧性是材料阻止宏观裂纹失稳扩展能力的度量，也是材料抵抗脆性破坏的韧性参数。它和裂纹本身的大小、形状及外加应力大小无关。是材料固有的特性，只与材料本身、热处理及加工工艺有关。是应力强度因子的临界值。常用断裂前物体吸收的能量或外界对物体所作的功表示。韧性材料因具有大的断裂伸长值，所以有较大的断裂韧性，而脆性材料一般断裂韧性较小。
而断裂韧性作为表征石墨材料抵抗裂纹扩展、阻止断裂的一个量度。需要对石墨材料断裂性能进行测试，常用的是在材料上人为地切割出一个凹槽检测槽用以模拟断裂，以计算出材料的抵抗脆性破坏的韧性参数K1c。美国材料试验协会ASTM D7779已对检测方法进行了规范，但现有对石墨材料样品进行凹槽的加工方法均为手工切割，在模拟断裂时，由于手工开槽的检测槽的槽底根部半径过大，以及检测槽本身的大小和形状的一致性无法保证，直接影响测试结果的准确性，从而严重阻碍该方法的应用，对石墨材料的工程应用带来较大可靠性风险。
在专利号为CN103223528A的中国专利中公开了建装板材开槽孔设备、开槽孔方法及锯片、加工所得板材，其公开的锯片的边缘具有20度～80度倾角；其公开的设备包括用于对板材进行切削的切削部分和用于支撑板材的工作台部分；其公开的方法是控制切削部分或工作台部分相对运动从而实现对板材的放置、切削目的，但是该锯片、设备以及方法均无法运用于石墨断裂韧性测试中。
发明内容
针对以上问题，本发明提供了一种石墨材料断裂韧性测试用开槽刀具、设备及开槽方法，通过利用数控机床配合特定的开槽刀具对石墨材料样品进行全自动开槽的方法，替代手工开槽的方法，解决用于测试断裂韧性的样品因凹槽大小、形状不一致造成的实验误差偏大，结果不准确等问题，有效改善因切口大小和形状造成的实验误差。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种石墨材料断裂韧性测试用开槽刀具，包括：
刀柄，所述刀柄为圆柱形设置，其从上至下包括装夹部与连接部,所述装夹部的直径为J，长度为K，所述连接部的直径为U，长度为M,所述装夹部的直径J与连接部的直径U的关系满足：2U≤J≤3U,所述装夹部的长度K与连接部的长度M的关系满足：M/3≤K≤M/2；
刀片，所述刀片同心设置于所述连接部的末端，其与所述连接部一体设置，且其直径为P，厚度为Q，该刀片的工作区的外圆周上等距分部有数量为N的尖端高度为H的齿形的刀刃部，所述刀片的直径P与刀刃部的数量N之间的关系满足：πP/3≤N≤πP/2，且所述刀片；
所述刀柄旋转，带动所述刀片同步旋转，使工作区的外圆周上的刀刃部对石墨材料样品进行切割，使石墨材料样品的长度方向的中部形成深度为a，宽度为d的用于石墨材料断裂韧性测试用的检测槽，且该检测槽的槽底根部半径R<5μm。
作为改进，所述石墨材料样品的长L、宽B、厚W之间满足关系：L>B>W，且所述石墨材料样品的宽B与所述检测槽的深度a之间满足关系：a＝0.4B，该检测槽的深度a为0.5mm～15mm；
所述刀片的工作区为环形设置，该工作区的宽度S1与所述连接部的直径U以及所述刀片直径P之间的关系满足：S1＝P-U；且该工作区宽度S1与检测槽的深度a之间满足关系：S1>a；所述工作区的宽度S1为0.8mm～10mm，且所述刀片的厚度Q为0.05mm～1.5mm。
作为改进，所述刀刃部的尖端高度H为0.3mm～3mm，且该刀刃部的上下端面的夹角α为30±2度；且所述连接部位于所述刀片的下方还设置有长度为G的减震部，该减震部的长度G为1mm～4mm。
作为改进，所述连接部的长度M与所述减震部的长度G、所述刀片的厚度Q以及所述石墨材料样品的长度L之间的关系满足：M-G-0.5Q>0.5L。
作为改进，所述装夹部的直径J为12mm～24mm，所述装夹部的长度K为15mm～35mm；所述连接部的直径U为6mm～8mm,所述连接部的长度M为50mm～150mm。
本发明还提供了一种开槽设备，包括数控机床以及工作台，所述数控机床的主轴旋转设置，且该主轴可升降设置，所述工作台设置于所述主轴的下方，其与所述主轴相对运动，且其上端部可拆卸设置有夹具，该夹具上夹持有垂直设置的石墨材料样品，还包括上述的一种石墨材料断裂韧性测试用开槽刀具，其刀柄的装夹部与所述主轴同轴可拆卸连接，且其刀片由所述主轴带动旋转对所述石墨材料样品悬空设置于夹具外的部分进行开槽处理形成检测槽。
作为改机，所述石墨材料样品的长度L与厚度W所在的任一侧面正对所述刀片，且与夹具的上端面垂直设置。
作为改进，所述主轴带动所述刀片旋转的转速为5000-8000RPM，所述刀片每次进刀的距离为0.02mm～10mm。
本发明另外还提供了一种开槽方法，包括以下步骤：
步骤一，选取刀具，依据石墨材料样品的长度L，宽度B以及厚度W从刀库中选取与该石墨材料样品适配的上述的一种石墨材料断裂韧性测试用开槽刀具；
步骤二，上装刀具，将选取的石墨材料断裂韧性测试用开槽刀具的装夹部与数控机床的主轴同轴连接固定，
步骤三，固定样品，将所述石墨材料样品垂直夹持在夹具上，并使石墨材料样品靠近主轴的一侧悬空设置；
步骤四，数控切割，所述主轴带动刀片下降，工作台与所述主轴往复的相对运动，所述主轴带动刀片旋转对所述夹具夹持的所述石墨材料样品进行切割，使所述石墨材料样品的长度与厚度所在的任一侧面上形成深度为a，宽度为d的检测槽；
步骤五，进行对照，释放所述夹具，取下开槽后的所述石墨材料样品与断裂韧性样品加工图纸对照，确认所述石墨材料样品是否满足测试要求。
作为改进，所述石墨材料样品的宽度B>15mm时，所述步骤二与步骤三之间还包设置有预开槽步骤，其通过铣刀对所述石墨材料样品的开槽部位预开出深度为a1，宽度为d1的预开槽，该预开槽的深度a1与所述检测槽的深度a以及刀刃部高度H满足关系：a1<a-H,该预开槽的宽度d1与所述检测槽的宽度d满足关系：1d<d1<1.5d。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明通过利用配合数控机床的高精度，设计一种对石墨材料样品进行数控开槽的特制开槽刀具，利用数控机床带动开槽刀具对石墨材料样品进行检测槽的切割，获得更小的检测槽的槽底根部半径，使模拟断裂的效果更接近真实的断裂效果，进而更加准确的计算出材料的抵抗脆性破坏的韧性参数K1c，提高石墨材料在工程运用中的可靠性；
(2)本发明通过数控开槽获得更小的检测槽的槽底根部半径，可以适用于粒径等级细的石墨材料，与美国美国材料试验协会制定的石墨材料断裂韧性标准检测方法相比，针对细粒径的石墨材料，其检测的结构更加精确；
(3)本发明在设计开槽刀具时，通过调整装夹部与连接部的长度比例，以及装夹部与连接部的直径尺寸，使刀具在数控机床带动旋转的过程中的刀具摆动得以降低，使刀具在对石墨材料样品进行检测槽切割时，可以通过降低刀摆获得一个更小的槽底根部半径；
(4)本发明在设计开槽刀具时，通过在刀片的下方设置减震部，使开槽刀具在旋转的过程中，刀片上下方的应力不会发生单向集中，刀片两侧的应力平均，以降低刀片的摆动，同时使刀片获得更长的使用寿命；
(5)本发明在设计数控开槽设备时，通过利用数控机床带动定制的特制刀具旋转对石墨材料样品进行切割代替手工切割，使石墨材料样品上形成用于进行断裂韧性检测的检测槽，使检测槽的形状、大小的一致性提高，进而提高通过模拟断裂得到的材料的抵抗脆性破坏的韧性参数K1c的一致性，且数控切槽的效率远高于手工切槽。
(6)本发明在设计数控开槽的开槽方法时，考虑到当石墨材料样品的切割部位的宽度过大时，切割出的石墨粉尘堆积无法排出，对开槽刀具造成挤压导致变形损坏，通过利用普通铣刀开出预开槽，排放石墨粉尘，达到保护开槽刀具的目的。
综上所述，本发明具有全自动、精度高、可靠性好等优点，尤其适用于石墨材料检测用开槽技术领域。
附图说明
图1为本发明实施例一正视结构示意图；
图2为本发明实施例一纵向剖视结构示意图；
图3为图2中A处放大结构示意图；
图4为本发明实施例一横向剖视结构示意图；
图5为本发明实施例二局部放大结构示意图；
图6为本发明实施例二剖视结构示意图；
图7为本发明石墨材料样品的正视结构示意图；
图8为本发明石墨材料样品的侧视结构示意图；
图9为本发明石墨材料断裂韧性测试的三点弯曲示意图；
图10为本发明石墨材料模拟断裂实验的压力曲线图；
图11为本发明石墨材料检测测槽切割倾斜的光学显微图一；
图12为本发明石墨材料检测测槽切割倾斜的光学显微图二；
图13为本发明石墨材料检测测槽切割倾斜的光学显微图三；
图14为本发明石墨材料样品的数控加工方式检测槽部分光学显微图；
图15为本发明实施例三立体结构示意图；
图16为图15中C处放大结构示意图；
图17为本发明实施例四步骤流程示意图；
图18为石墨材料样品断裂韧性与石墨材料样品缩放因子的拟合曲线图；
图19位本发明实施例五步骤流程示意图；
图20为大尺寸石墨材料样品的数控加工方式检测槽部分光学显微图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
实施例一：
如图1至图4所示，一种石墨材料断裂韧性测试用开槽刀具，包括：
刀柄1，所述刀柄1为圆柱形设置，其从上至下包括装夹部11与连接部12,所述装夹部11的直径为J，长度为K，所述连接部12的直径为U，长度为M；
刀片2，所述刀片2同心设置于所述连接部12的末端，其与所述连接部12一体设置，且其直径为P，厚度为Q，该刀片2的工作区22的外圆周上等距分布有数量为N的尖端高度为H的齿形的刀刃部21，所述刀片2的直径P与刀刃部21的数量N之间的关系满足：πP/3≤N≤πP/2；
所述刀柄1旋转，带动所述刀片2同步旋转，使工作区22的外圆周上的刀刃部21对石墨材料样品3进行切割，使石墨材料样品3的长度方向的中部形成深度为a，宽度为d的用于石墨材料断裂韧性测试用的检测槽31，且该检测槽31的槽底根部半径R<5μm。
如图7与图8所示，进一步的，所述石墨材料样品3的长L、宽B、厚W之间满足关系：L>B>W，且所述石墨材料样品3的宽B与所述检测槽31的深度a之间满足关系：a＝0.4B，该检测槽31的深度a为0.5mm～10mm。
需要说明的是，石墨材料的断裂韧性测试是通过人工在选取的石墨材料样品上开出一道检测槽，再将石墨材料样品开槽的一面朝下，并通过支撑物将石墨材料样品的两端进行支撑，对石墨材料样品开槽部位的背侧施加压力，使石墨材料样品发生三点弯曲以模拟石墨材料自然断裂的情况，在通过测力装置测出石墨材料样品断裂瞬间的最大压力，进而计算出石墨材料抵抗脆性破坏的韧性参数K1c。
在美国材料试验协会规定的ASTM D7779的断裂韧性标准检测方法中规范了石墨材料断裂韧性测试的标准方法，并写明了断裂韧性的计算公式，其公式如下：
其中，(1)式中的g为关于a/W的几何函数，其函数式为：
g＝A0+A1(a/W)+A2(a/W)2+A3(a/W)3+A4(a/W)4+A5(a/W)5 (2)，
(2)式中A0，A1，A2，A3，A4，A5的取值在ASTM D7779的断裂韧性标准检测方法中详细的规定，如表1所示：
表1多项式g(a/W)的各项系数参考表
(1)式中的Pmax表示的是石墨材料样品断裂瞬间的最大压力，石墨材料断裂韧性测试的压力曲线变化如图10所示，S表示的是石墨材料样品下方两个支撑点之间的跨度如图9所示，B表示的是石墨材料样品的宽度，W表示的石墨材料样品的厚度，a表示的是检测槽的深度；而在美国材料试验协会规定的ASTM D7779中，规定了检测槽的深度a为的石墨材料样品宽度B十分之四，因此，石墨材料样的宽度B与厚度W确定的情况下，影响K1c的准确性的是Pmax的值是否接近石墨材料自然断裂时所受的最大压力的值，而Pmax的值是否接近石墨材料自然断裂时所受的最大压力的值，则取决于检测槽的根部半径的大小，而检测槽的根部半径大小可以通过光学显微图进行测量。
进一步说明的是，检测槽的根部半径越小的情况下，石墨材料样品在进行三点弯曲的过程中，只需施加更小的压力就能使石墨材料样品断裂，也就越接近石墨材料自然断裂的情况，而这个施加的压力的最大值即为Pmax，因此，K1c的准确性也就取决于检测槽底部的根部半径的大小；而检测槽底部的根部半径的大小则取决于检测槽切割的方式方法。
在传统的石墨材料断裂韧性测试中，石墨材料样品上的检测槽均是人工切割形成的，检测槽的形状、大小的一致性无法保证，且检测槽根部半径均偏大，因此计算出的K1c的可靠性也无法保证。
本实施例中，公开一种用于数控机床上进行石墨材料上检测槽切割的开槽刀具，刀柄1与刀片2为一体加工成型，形成T形的刀具，装夹部11用于数控机床的装夹固定，而刀片2则用于对石墨材料样品进行切割开槽。
值得注意的是，本实施例中，如图14所示，刀片2对石墨材料样品3切割出的检测槽31的根部半径R<5μm，该根部半径R的值远小于手工切割的检测槽的根部半径10～60μm,也远优于美国材料试验协会在ASTM D7779中规定的根部半径R<0.1mm的标准。
据申请人反应，能达到如此之小的根部半径，是因为经过反复的实验，设计了特定的开槽刀具，同时配合数控机床的高精度，使数控机床带动刀具旋转时的摆动尽可能的减小，保证刀具切割的稳定性，而该开槽刀具的特殊之处在于以下三个方面：
(Ⅰ)在美国材料试验协会在ASTM D7779中规定检测槽的深度a与石墨材料样品宽度B的关系满足：a＝0.4B，又因刀片2的工作区22为环形设置，该工作区22的宽度S1与所述连接部12的直径U以及所述刀片2直径P之间的关系满足：S1＝P-U；且该工作区22宽度S1与检测槽31的深度a之间满足关系：S1>a；因此，P-U>0.4B，且为了保证刀具的稳定性，工作区22的宽度S1在大于检测槽31的深度a的基础上，要使工作区22的宽度S1尽可能的小，因此，依据石墨材料样品规格的尺寸，确定刀片2工作区22的宽度S1与厚度Q的尺寸，具体见表2：
表2断裂韧性测试的各石墨材料的规格尺寸
上述表格中，石墨材料样品的材质相同规格尺寸不同，因此，所述工作区22的宽度S1优选为0.8mm～15mm，而在ASTM D7219，明确的对石墨材料的粒径划分为如下等级，见表3：
表3石墨材料粒径等级
等级 粒径
1(中粒度) <4mm
2(细粒度) <100μm
3(超细晶粒) <50μm
4(超细晶) <10μm
5(微细粒) <5μm
值得注意的是，据申请人反应，美国材料试验协会在ASTM D7779中规定的检测槽31的根部半径R<0.1mm即可进行石墨材料的断裂韧性测试，但该标准是适用于早期的中粒度的石墨材料，随着时代发展，粒径更细的石墨材料已经出现，如果再继续使用根部半径R<0.1mm作为测试细粒径石墨材料的检测标准，精准性与可靠性较差，且据申请人反应，在进行石墨材料的断裂韧性测试时，检测槽的根部半径R与石墨材料的粒径越一致，其模拟的断裂韧性测试的效果越接近石墨材料自然断裂的效果，因此，申请人已经向美国材料试验协会提出修改ASTM D7779中关于检测槽根部半径的请求，建议对粒径更细的石墨材料的检测槽根部半径给予详细的划分。
(Ⅱ)在刀片2的工作区22的宽度S1确定的情况下，经过多次试验，为了将刀片2的稳定性提高的更好，通过不断的实验，得出当装夹部11的直径J与连接部12的直径U的关系满足：2U≤J≤3U,装夹部11的长度K与连接部12的长度M的关系满足：M/3≤K≤M/2，刀片2在切割石墨材料样品3时的稳定性会进一步的提升，并且在连接部12的直径U为6mm～8mm时，刀片2切割时的稳定性最为突出，此时，相应的装夹部11的直径J为12mm～24mm，装夹部11的长度K为20mm～35mm,连接部12的长度M为50mm～150mm。
需要说明的的是，装夹部11的直径J与连接部12的直径U的关系满足：2U≤J≤3U,装夹部11的长度K与连接部12的长度M的关系满足：M/3≤K≤M/2，是为了尽可能保证装夹部11的质量与连接部12的质量相等，避免数控机床带动装夹部11旋转时，装夹部11与连接部12的旋转离心力一致，进而保证连接部12的震荡最小，降低刀摆。
进一步说明的是，连接部12的直径U的6mm～8mm的选择范围的确定是基于刀具加工与切割工作的实际情况选定的，从加工方面，据申请人描述，刀具的材料选用的是硬质合金，硬质合金具有硬度高、耐磨、强度和韧性较好、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能，但是能选用的硬质合金棒状料的最大直径为30～40mm，在扣除工作区22的宽度S1后，连接部12的直径U上限只能达到8mm，并且刀片2的直径P过大，在加工刀片2的刀刃部22时，其精度无法保证；在进行切割工作的实际情况上，在连接部12的直径U小于6mm时，连接部12的刚性不足，导致刀片2的工作区22的摆动幅度变大，其切割的检测槽31如图11、图12与图13所示，检测槽31发生倾斜，导致开槽后的石墨材料无法进行断裂韧性检测。
(Ⅲ)在连接部12的直径U确定的情况下，经过多次试验，刀片2的直径P与刀刃部21的数量N之间的关系满足：πP/3≤N≤πP/2，刀刃部21的数量优选为30～50个，刀刃部21的尖端高度H优选为0.3mm～3mm，且该刀刃部21的上下端面的夹角α为30±2度，刀片2切割石墨材料样品3时刀刃部21可以将切下的石墨材料废屑快速的排出，避免石墨材料废屑在开槽部位堆积，影响刀片2稳定性的同时，使刀片2发生变形。
(Ⅳ)在连接部12的直径U与长度M确定的情况下，经过试验，在位于所述刀片2的下方设置长度为G的减震部121可以有效的提高刀片2切割时的稳定性，且该减震部121的长度G优选为1mm～4mm，设置减震部121的刀具较未设置减震部121的刀具，其区别在于刀片2的上部的连接部12与下部的减震部121在刀片2切割的过程中会对刀片2受到的震荡进行传递减弱，而未设置减震部121的刀具在切割过程中受到的震荡只能通过上部的连接部12向上传递减弱，其下部的震荡累积加剧到峰值时，刀片2的震荡加剧，且会因震荡发生变形甚至损坏。
值得注意的是，所述连接部12的长度M与所述减震部121的长度G、所述刀片2的厚度Q以及所述石墨材料样品3的长度L之间的关系满足：M-G-0.5Q>0.5L，如此设置，可以避免装夹部11在刀片2对石墨材料样品3进行切割的过程中产生干涉。
与CN103223528A(以下简称2013年专利)相比，本发明的刀具具有以下区别：
在结构上：本发明刀具的刀片2为一个，且其刀刃部21的数量为30～50个，其刀刃部的上下端面的夹角α为30±2度，该刀片2的下部设置有1～4mm的减震部121，刀片2的连接部12即刀杆的直径U为6～8mm。
在效果上：本发明刀具在石墨材料样品3上切割形成的是与石墨材料样品3的长度方向垂直的，底部为V形的检测槽，且检测槽根部半径R<5μm。
而2013年专利，其结构上采用的是1～100片锯片的组合，且其锯片的边缘与锯片平面之间，或所述锯片边缘的连线与锯片平面之间形成20～80度的倾角；在效果上，其切割出的槽或铣槽为倾斜设置的，且形状为菱形。
若将2013年专利运用于本发明的石墨材料断裂韧性测试开槽中，其在石墨材料样品上切割出的槽根本无法用于石墨材料断裂韧性的测试，因为，菱形且倾斜的槽在石墨材料进行模拟自然断裂的过程中，其断裂产生的裂纹根本不符合自然断裂的特性。
实施例二：
图5为本发明实施例二的一种石墨材料断裂韧性测试用开槽刀具的示意图；如图5所示，其中与实施例二中相同或相应的部件采用与实施例一相应的附图标记，为简便起见，下文仅描述与实施例一的区别点。该实施例二与图3所示的实施例一的不同之处在于：
如图5与图6所示，刀片2的工作区22的刀刃部21位台阶设置，如此设置是在刀片2对石墨材料进行切割时，能及时、快速的将切割过程中产生的石墨粉尘快速的排出。
实施例三：
参考实施例一，描述本发明的一种开槽设备。
如图15与图16所示，一种开槽设备，包括数控机床4以及工作台5，所述数控机床4的主轴41旋转设置，且该主轴41可升降设置，所述工作台5设置于所述主轴41的下方，其与所述主轴41相对运动，且其上端部可拆卸设置有夹具51，该夹具51上夹持有垂直设置的石墨材料样品3，还包括上述实施例一中的一种石墨材料断裂韧性测试用开槽刀具，其刀柄1的装夹部11与所述主轴41同轴可拆卸连接，且其刀片2由所述主轴41带动旋转对所述石墨材料样品3悬空设置于夹具51外的部分进行开槽处理形成检测槽31。
其中，所述石墨材料样品3的长度L与厚度W所在的任一侧面正对所述刀片2，且刀片2与夹具51的上端面垂直设置，其垂直度需要保证在0.05mm，并且刀片2的上下端面与石墨样品材料3的上下端面的平行度需要保证在0.15mm。
进一步的，所述主轴41带动所述刀片2旋转的转速为5000-8000RPM，所述刀片2每次进刀的距离为0.02mm～10mm。
需要说明的是，所述数控机床4即CNC加工中心，加工精度高、加工质量稳定可靠，数控装置的脉冲当量一般为0.001mm，高精度的数控系统可达0.1μm；通过主轴41上的刀具夹头与石墨材料断裂韧性测试用开槽刀具的刀柄1的装夹部11同轴夹紧，其中用于对石墨材料样品3进行夹紧的夹具51优选为台虎钳。
进一步说明的是，石墨材料样品3通过夹具51夹持的方式是使石墨材料样品3的长度方向竖直设置，其长度L与厚度W所在的任一侧面正对所述刀片2，且与夹具51的上端面垂直设置，此时，刀片2位于石墨材料样品3的一侧且水平设置，主轴41竖直设置，主轴41旋转带动刀片2旋转进行切割。
更进一步说明的是，工作台5与主轴41的相对运动方式为，工作台5运动，主轴41静止，或工作台5静止，主轴41运动，或工作台5与主轴41同步运动。
据申请人提供的依据石墨材料样品规格的尺寸选取对应刀片尺寸，见表4：
表4各规格石墨材料对应检测槽宽、槽深与刀片厚度
由上表可知，针对不同规格尺寸的石墨材料样品，刀具的刀厚Q的范围是0.05～0.25mm，值得说明的是，在对FRT200b与FRT140进行开槽时，由于宽度B的数值过大，直接利用刀具进行开槽，容易在开槽过程中导致石墨废屑在检测槽31内集中难以排除，导致石墨废屑挤压刀片2，使刀片2发生变形，甚至导致产生如图11、图12与图13所示的倾斜的检测槽，导致石墨材料样品进行断裂韧性测试，精度失准，因此，需要通过厚度为1.5mm左右的普通铣刀对石墨材料样品的切割部开出1.0-2.0mm的预开槽，以避免刀片2发生变形。
进一步的是，据申请人提供的实验数据，数控加工方式的石墨开槽检测的检测槽根部半径R与手工加工方式的石墨开槽检测的检测槽根部半径R差别见表5：
表5石墨材料各规格的收到开槽与数控开槽根部半径对比
如上表所示，通过进行多组手工开槽与数控开槽的对比试验，可以得出，数控开槽在对同样材质不同规格的石墨材料进行开槽时，数控开槽得到的根部半径R始终维持在5μm以下，远小于手工开槽得到的根部半径R的10μm～60μm。
实施例四：
参考实施例三，描述本发明的一种开槽方法。
如图17所示，一种开槽方法，包括以下步骤：
步骤一，选取刀具，依据石墨材料样品3的长度L，宽度B以及厚度W从刀库中选取与该石墨材料样品3适配的上述权利要求1-5中的一种石墨材料断裂韧性测试用开槽刀具；
步骤二，上装刀具，将选取的石墨材料断裂韧性测试用开槽刀具的装夹部11与数控机床4的主轴41同轴连接固定，
步骤三，固定样品，将所述石墨材料样品3垂直夹持在夹具51上，并使石墨材料样品3靠近主轴41的一侧悬空设置；
步骤四，数控切割，所述主轴41带动刀片2下降，工作台5与所述主轴41往复的相对运动，所述主轴41带动刀片2旋转对所述夹具51夹持的所述石墨材料样品3进行切割，使所述石墨材料样品3的长度与厚度所在的任一侧面上形成深度为a，宽度为d的检测槽31；
步骤五，进行对照，释放所述夹具51，取下开槽后的所述石墨材料样品3与断裂韧性样品加工图纸对照，确认所述石墨材料样品3是否满足测试要求。
需要说明的是，通过上述的开槽方法对石墨材料样品进行开槽，较手工开槽，其误差小，速度快，且后续通过凹槽检测出的断裂韧性的测试值也更为精确和可靠。
值得注意的是，据申请人提供的实验数据，数控加工方式的石墨开槽检测的断裂韧性值与手工加工方式的石墨开槽检测的断裂韧性值K1C差别见表6：
表6各类石墨材料手工加工与数控加工断裂韧性测试值对照表
如上表所示，材料A～F为不同性能参数的石墨材料，其具体性能参数如表7：
表7各类石墨材料性能参数对照表
由上表6可知，通过标准偏差的对比以及断裂韧性值的对比，数控加工方式得到的凹槽计算获得断裂韧性标准偏差的平均值0.03远小于通过手工加工方式得到的凹槽计算获得断裂韧性标准偏差的平均值0.06，可见利用数控机床和特制的开槽刀具的开槽方式可有效改善因切口大小和形状造成的实验误差；因此，通过数控加工方式得到的凹槽计算断裂韧性值的精度更高，可靠性更好，且数控加工的标准偏差与K1C的变异系数保持在2％～5％之间，且表6中的手工加工方式的各项数据为美国石墨材料试验室在ASTM D7779规定的标准检测方法下获得的实验数据。
进一步的说明的是，由于数控加工方式的标准偏差小，材料A～F之间的断裂韧性值的重叠集合小，从数控加工方式得到的凹槽计算获得断裂韧性值，可以清楚的分析出，断裂韧性值的高低清楚的反应出了材料A～F的功能参数的高低优劣，更利于石墨材料在工程之中的运用。
值得说明的是，针对上述材料，通过对数控开槽后的石墨材料进行断裂韧性的检测，获得对应的K1C，并通过曲线拟合寻找同种石墨材料的K1C与石墨材料缩放因子ff(缩放因子是指石墨材料样品之间的宽度比值)之间的曲线关系，如图18所示，K1C与ff满足曲线方程： 且拟合率(R2)达到99.6％。
本申请中的石墨材料是运用于核反应工程，材料需要进行中子辐照实验，以对比石墨材料经辐照测试后，前后的差别，而对数控切割的方式获得K1C进行曲线拟合的原因在于，用于进行中子辐照的材料试验反应堆的体积十分的小，而运用于核反应工程的石墨材料体积又十分的大，因此通过进行曲线拟合，通过小体积的石墨材料样品的K1C合理的推测出运用于核反应工程的石墨材料的K1C。
实施例五：
图19为本发明实施例四的一种开槽方法的方法示意图；如图19所示，其中与实施例四中相同或相应的部件采用与实施例四相应的附图标记，为简便起见，下文仅描述与实施例四的区别点。该实施例五与图17所示的实施例四的不同之处在于：
如图19所示，一种开槽方法，所述石墨材料样品5的宽度B>20mm时，所述步骤二与步骤三之间还包设置有预开槽步骤，其通过铣刀对所述石墨材料样品3的开槽部位预开出深度为a1，宽度为d1的预开槽32，该预开槽32的深度a1与所述检测槽31的深度a以及刀刃部高度H满足关系：a1<a-H,该预开槽32的宽度d1与所述检测槽31的宽度d满足关系：1d<d1<1.5d。
需要说明的是，当石墨材料样品3的切割部位的宽度B过大时，切割出的石墨粉尘堆积无法排出，对开槽刀具造成挤压导致变形损坏，因此需要通过利用普通铣刀开出预开槽，排放石墨粉尘，达到保护开槽刀具的目的。
如图20所示，进一步说明的是，预开槽32的深度必须小于检测槽31的深度，并且，预开槽32的宽度d1与检测槽31的宽度d优选满足关系：1d<d1<1.5d，即可以使刀片2轻松的进入预开槽32进行检测槽31的切割，又可以尽量降低预开槽32对断裂韧性测试的影响。
工作过程：
依据石墨材料样品3的长度L，宽度B以及厚度W从刀库中选取适配的上述的一种石墨材料断裂韧性测试用开槽刀具；将选取的石墨材料断裂韧性测试用开槽刀具的装夹部11与数控机床4的主轴41同轴连接固定，并将所述石墨材料样品3竖直夹持在夹具51上，并使石墨材料样品3靠近主轴41的一侧悬空设置；
所述主轴41带动刀片2下降，工作台5与所述主轴41往复的相对运动，所述刀片2对所述夹具51夹持的所述石墨材料样品3切割，使所述石墨材料样品3的宽与高分别所在的平面中的任一平面上形成深度为a的检测槽31；释放所述夹具51，取下开槽后的所述石墨材料样品3与断裂韧性样品加工图纸对照，确认所述石墨材料样品3是否满足测试要求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种石墨材料断裂韧性测试用开槽刀具，其特征在于，包括：
刀柄(1)，所述刀柄(1)为圆柱形设置，其从上至下包括装夹部(11)与连接部(12),所述装夹部(11)的直径为J，长度为K，所述连接部(12)的直径为U，长度为M,所述装夹部(11)的直径J与连接部(12)的直径U的关系满足：2U≤J≤3U,所述装夹部(11)的长度K与连接部(12)的长度M的关系满足：M/3≤K≤M/2；
刀片(2)，所述刀片(2)同心设置于所述连接部(12)的末端，其与所述连接部(12)一体设置，且其直径为P，厚度为Q，该刀片(2)的工作区(22)的外圆周上等距分部有数量为N的尖端高度为H的齿形的刀刃部(21)，所述刀片(2)的直径P与刀刃部(21)的数量N之间的关系满足：πP/3≤N≤πP/2；
所述刀柄(1)旋转，带动所述刀片(2)同步旋转，使工作区(22)的外圆周上的刀刃部(21)对石墨材料样品(3)进行切割，使石墨材料样品(3)的长度方向的中部形成深度为a，宽度为d的用于石墨材料断裂韧性测试用的检测槽(31)，且该检测槽(31)的槽底根部半径R<5μm。
2.根据权利要求1所述的一种石墨材料断裂韧性测试用开槽刀具，其特征在于，所述石墨材料样品(3)的长L、宽B、厚W之间满足关系：L>B>W，且所述石墨材料样品(3)的宽B与所述检测槽(31)的深度a之间满足关系：a＝0.4B，该检测槽(31)的深度a为0.5mm～10mm；
所述刀片(2)的工作区(22)为环形设置，该工作区(22)的宽度S1与所述连接部(12)的直径U以及所述刀片(2)直径P之间的关系满足：S1＝P-U；且该工作区(22)宽度S1与检测槽(31)的深度a之间满足关系：S1>a；所述工作区(22)的宽度S1为0.8mm～15mm，且所述刀片(2)的厚度Q为0.05mm～0.25mm。
3.根据权利要求1所述的一种石墨材料断裂韧性测试用开槽刀具，其特征在于，所述刀刃部(21)的尖端高度H为0.3mm～3mm，且该刀刃部(21)的上下端面的夹角α为30±2度；且所述连接部(12)位于所述刀片(2)的下方还设置有长度为G的减震部(121)，该减震部(121)的长度G为1mm～4mm。
4.根据权利要求3所述的一种石墨材料断裂韧性测试用开槽刀具，其特征在于，所述连接部(12)的长度M与所述减震部(121)的长度G、所述刀片(2)的厚度Q以及所述石墨材料样品(3)的长度L之间的关系满足：M-G-0.5Q>0.5L。
5.根据权利要求1所述的一种石墨材料断裂韧性测试用开槽刀具，其特征在于，所述装夹部(11)的直径J为12mm～24mm，所述装夹部(11)的长度K为20mm～35mm；所述连接部(12)的直径U为6mm～8mm,所述连接部(12)的长度M为50mm～150mm。
6.一种开槽设备，包括数控机床(4)以及工作台(5)，所述数控机床(4)的主轴(41)旋转设置，且该主轴(41)可升降设置，所述工作台(5)设置于所述主轴(41)的下方，其与所述主轴(41)相对运动，且其上端部可拆卸设置有夹具(51)，该夹具(51)上夹持有垂直设置的石墨材料样品(3)，其特征在于，还包括上述权利要求1-5中的一种石墨材料断裂韧性测试用开槽刀具，其刀柄(1)的装夹部(11)与所述主轴(41)同轴可拆卸连接，且其刀片(2)由所述主轴(41)带动旋转对所述石墨材料样品(3)悬空设置于夹具(51)外的部分进行开槽处理形成检测槽(31)。
7.据权利要求6所述的一种开槽设备，其特征在于，所述石墨材料样品(3)的长度L与厚度W所在的任一侧面正对所述刀片(2)，且与夹具(51)的上端面垂直设置。
8.据权利要求6所述的一种开槽设备，其特征在于，所述主轴(41)带动所述刀片(2)旋转的转速为5000-8000RPM，所述刀片(2)每次进刀的距离为0.02mm～10mm。
9.一种开槽方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，选取刀具，依据石墨材料样品(3)的长度L，宽度B以及厚度W从刀库中选取与该石墨材料样品(3)适配的上述权利要求1-5中的一种石墨材料断裂韧性测试用开槽刀具；
步骤二，上装刀具，将选取的石墨材料断裂韧性测试用开槽刀具的装夹部(11)与数控机床(4)的主轴(41)同轴连接固定，
步骤三，固定样品，将所述石墨材料样品(3)垂直夹持在夹具(51)上，并使石墨材料样品(3)靠近主轴(41)的一侧悬空设置；
步骤四，数控切割，所述主轴(41)带动刀片(2)下降，工作台(5)与所述主轴(41)往复的相对运动，所述主轴(41)带动刀片(2)旋转对所述夹具(51)夹持的所述石墨材料样品(3)进行切割，使所述石墨材料样品(3)的长度与厚度所在的任一侧面上形成深度为a，宽度为d的检测槽(31)；
步骤五，进行对照，释放所述夹具(51)，取下开槽后的所述石墨材料样品(3)与断裂韧性样品加工图纸对照，确认所述石墨材料样品(3)是否满足测试要求。
10.据权利要求9所述的一种开槽方法，其特征在于，所述石墨材料样品(3)的宽度B>20mm时，所述步骤二与步骤三之间还包设置有预开槽步骤，其通过铣刀对所述石墨材料样品(3)的开槽部位预开出深度为a1，宽度为d1的预开槽(32)，该预开槽(32)的深度a1与所述检测槽(31)的深度a以及刀刃部高度H满足关系：a1<a-H,该预开槽(32)的宽度d1与所述检测槽(31)的宽度d满足关系：1d<d1<1.5d。
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