CN110682131A - 碳纤维复合材料铣削加工支撑夹具 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碳纤维复合材料(CFRP)支撑夹具，包括测力仪、CFRP试验工件、夹具板、支撑板。其特征在于先将测力仪固定在工作台上，然后用定位螺栓将夹具板、支撑板和测力仪连接，将CFRP试验件放入夹具板和支撑板中间，调好需要切削的位置，拧紧螺栓。夹具固定好后启动机床，将铣刀移动到U型槽内，对试验件进行切削，同时记录切削力。有益效果是：被切削的试验件不发生移动，减少碳纤维复合材料撕裂和分层对切削力的影响，能更有效的测量出进行工件加工时所适合的切削力。支撑板能使刀具在切削时不接触测力仪，有效保护测力仪，并能将试验件完全切断，减少毛刺毛边的产生。使用该支撑夹具时试验工件不用直接固定于测力仪上，可保证试验工件完整。

Description

碳纤维复合材料铣削加工支撑夹具
技术领域
本发明涉及机械加工夹具领域，尤其是涉及一种碳纤维复合材料铣削加工支撑夹具。
背景技术
碳纤维复合材料(CFRP)已被广泛用于航空航天和汽车工业等工程应用中，主要利用其高强度和刚度，轻质以及良好的耐腐蚀性的性能。在飞机工业中，复合材料的数量已被视为评估飞机先进水平的关键指标之一。在复合构件制作中无法预留各种用于装配的孔、槽等，为了满足复合构件的加工精度和表面质量要求，往往需要根据零部件的要求进行二次加工。铣削是CFRP零件制造中最常用的材料去除工艺之一，在碳纤维复合材料(CFRP)的铣削加工中，铣削力的大小直接影响加工缺陷、刀具磨损、刀具耐用度等，因此需要在加工前应先对每种碳纤维复合材料能承受的切削力进行试验，夹具的选取对CFRP铣削加工有一定的影响，并且为了防止CFRP撕裂和分层，在切出时采用塑料板或金属板支撑，予以保护。
在进行二次加工之前，有必要先对试验材料进行切削力的测量，而现有的测量切削力的方法是直接将碳纤维复合材料固定在测量仪上，这种有可能导致切削时刀具碰到测力仪，从而损坏测力仪。本发明提出一种用于碳纤维复合材料铣削加工支撑夹具，能在测量仪不被影响的情况下支撑CFRP，并且使用支撑夹具可以完全切断CFRP试验工件，减少CFRP撕裂和分层对实验的影响，提高实验的准确性。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提出一种用于碳纤维复合材料铣削加工支撑夹具，包括测力仪、CFRP试验工件、夹具板、支撑板。其特征在于，进行铣削的试验件下方放支撑板，可以使试验件不与测力仪直接接触，起到保护测力仪的作用；且在加工过程中，利用支撑板使刀具将CFRP完全切断，这样可以避免工件存在没有切断的纤维纱线以及分层现象，在进行工件加工时，有效的减少毛刺毛边的产生。
本发明采用的技术方案是一种用于碳纤维复合材料铣削加工的支撑夹具，测力仪安装在数控机床工作台上，夹具板和支撑板上有定位孔，便于使用螺栓连接。
本发明采用强度等级为4.6级，直径为8mm，材料为Q235钢的螺栓，根据螺栓扭矩表得其扭矩为7.8Nm，由于螺栓材料是塑性的，故可根据第四强度理论，求出螺栓预紧状态下的计算应力为：σca≈1.3σ，
螺栓危险截面的拉伸强度条件可写为：
Figure BSA0000193345100000011
取σs＝240，S＝1.5，得[σ]＝160MPa。
根据许用应力[σ]，以及可以求得螺栓预紧力F0≤6183N。
夹具板的材料为中碳钢，查材料屈服极限表取σs＝235MPa，
根据连接结合面材料的许用挤压应力为[σp]＝0.8σs＝0.8×235＝188MPa，
连接结合面的接触面积A＝2πrh＝2π×4×12＝96π，
计算得夹具板的许用应力为
Figure BSA0000193345100000021
选用的夹具板材料强度满足。
在夹具板定位孔下方增加固定台阶，这个台阶一方面可以防止螺栓在拧紧过程中由于夹具板受力过大而压弯夹具板，减小夹具板的变形；另一方面可以在夹具板变形量很小的情况下固定试验板，根据螺栓的预紧力为F0＝6183N，拧紧力矩为M＝7.8Nm。
根据公式T≈0.2F0d，L≈15d，T＝FL，
得螺栓的拧紧力
Figure BSA0000193345100000022
查常用材料摩擦系数表得纤维复合材料与钢的摩擦系数为0.1，
根据公式f＝μFN＝μF0＝618.3N，所以CFRP板受到的摩擦力为618.3N，参考相关测量铣削力的文献，当改变铣削参数，如进给速率和切削速度等，所测得的切削力低于100N，因此CFRP板在有压力的作用下，所得到的摩擦力远大于切削力，因此CFRP试验板在加工过程中不会移动。
更进一步，夹具板上设计一个U型槽，铣刀的直径一般有1、2、3、4、6、8、10、12mm，可以根据不同刀具的直径设置多个夹具板，夹具板的长为170mm，宽为100mm；因为要进行铣削的CFRP板的长度为50mm，这里设置5mm×60mm，10mm×70mm，15mm×80mm的U型槽，U型槽的作用是如果将试验件需要切削的位置在U型槽内切削，当刀具将试验件切断后切除的材料也会被固定在支撑板上，而且这样能使材料在切削过程中一直处于压紧状态，降低材料分层现象发生，有利于在进行铣削加工时得到高精度材料。
更进一步，将夹具板和支撑板与测力仪通过螺栓连接在一起，碳纤维复合材料处于夹具板与支撑板中间，螺栓的厚度可以调节，可以对不同厚度的碳纤维复合材料样件固定并进行实验；
更进一步，夹具固定好之后，启动机床，将铣刀移动到U型槽内，对试验件进行切削，同时测量切削力，得到所需要的结果。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：被切削的试验件不发生移动，减少碳纤维复合材料撕裂和分层对切削力的影响，能更有效的测量出进行工件加工时所适合的切削力；在测力仪上增加支撑板，刀具在切削时不接触测力仪，可以有效保护测力仪；使用支撑板可以直接将试验件完全切断，减少毛刺毛边的产生；使用支撑夹具实验时，试验材料不用直接固定于测力仪上，可保证试验工件完整。
附图说明
图1是测力仪；
图2是碳纤维复合材料加工试验件；
图3是夹具板；其中1、定位孔；2、U型槽；3、固定台阶
图4是不同U型槽尺寸的夹具板；其中1、5×60mm的U型槽；2、10×70mm的U型槽；3、15×80mm的U型槽
图5是U型槽尺寸为10×70mm的夹具板三视图；
图6是不同U型槽尺寸所对应的支撑板；
图7是装配图正视图；其中1、夹具板；2、螺栓；3、碳纤维复合材料加工试验件；4、固定台阶；5、支撑板；6、测力仪
图8是装配图直观图；其中1、夹具板；2、螺栓；3、U型槽；4、碳纤维复合材料加工试验件；5、支撑板；6、测力仪
具体实施方式
参考附图描述本发明的实施方式，下面结合附图对本发明进行具体说明。
夹具的安装过程是先将测力仪固定在工作台上，然后用定位螺栓一次性将夹具板、支撑板和测力仪连接，螺栓的厚度可以调节，可以对不同厚度的碳纤维复合材料样件固定，将碳纤维复合材料加工试验件放于夹具板和支撑板中间，调好需要切削的位置，拧紧螺栓以固定试验板。
本发明采用的夹具板如图3所示，定位孔用于螺栓连接；U型槽用于刀具铣削加工，U型槽可以设置多个不同尺寸的，可以适合放入不同的刀具。这里设置5mm×60mm，10mm×70mm，15mm×80mm的U型槽，如图4，可以根据不同的刀具直径选择U型槽；固定台阶一方面可以使螺栓在拧紧力矩大的情况下夹具板的变形量不会大，起保护夹具板的作用，另一方面可以在夹具板稍微变形的情况下压紧碳纤维复合材料试验件，使试验件在压力作用下产生的摩擦力足够大，便于在切削时试验板不发生移动。夹具板的几何结构尺寸如图5所示。
支撑板如图6所示，其表面结构与夹具板表面一致，支撑板的作用可以使试验件不与测力仪直接接触，起到保护测力仪的作用；且在加工过程中，利用支撑板使刀具将CFRP完全切断，这样可以避免工件存在没有切断的纤维纱线以及分层现象，在进行工件加工时，有效的减少毛刺毛边的产生。
铣削加工时，具体操作步骤如下：
将需要铣削加工的试验件3如图7放入夹具板1和支撑板5中间的相应位置，使需要切削的位置对应到U型槽中，拧紧螺栓以固定试样件，然后将铣刀移动到U型槽内，对试样件进行铣削加工，并记录切削力。
本发明通过使用一种简单的支撑夹具，完成对碳纤维复合材料的铣削加工，本支撑夹具与传统夹具相比，不用在试验件上打定位孔，便于操作；在测力仪上方增加支撑板，既保护了测力仪又能将试验件完全切断，减少了毛刺毛边的产生；在夹具板下端增加两个固定台阶，可以防止螺栓在拧紧时由于力过大而造成夹具板变形，能在夹具板变形很小的情况下压紧试验件。

Claims (4)

1.一种用于碳纤维复合材料铣削加工的支撑夹具，包括测力仪、CFRP试验工件、夹具板、支撑板，其特征在于先将测力仪固定在工作台上，然后用定位螺栓一次性将夹具板、支撑板和测力仪连接，螺栓的厚度可以调节，可以对不同厚度的碳纤维复合材料样件固定并进行实验，将碳纤维复合材料加工试验件放入夹具板和支撑板中间，拧紧螺栓，夹具固定好之后，启动机床，将铣刀移动到U型槽内，对试验件进行切削，同时记录切削力。
2.根据权利要求1所述的一种用于碳纤维复合材料铣削加工的支撑夹具，其特征在于进行铣削的试验件下方放一块支撑板，可以使试验件不与测力仪直接接触，起到保护测力仪的作用；且在加工过程中，运用支撑板能使刀具将CFRP完全切断，这样可以避免工件存在没切断的纤维纱线以及分层现象，在进行工件加工时，有效的减少毛刺毛边的产生。
3.根据权利要求1所述的一种用于碳纤维复合材料铣削加工的支撑夹具，其特征在于夹具板定位孔下方设计固定台阶，固定台阶一方面可以防止螺栓在拧紧过程中由于夹具板受力过大而压弯夹具板，减小夹具板的变形；另一方面可以在夹具板变形量很小的情况下压紧试验板，使试验板在压力作用下产生摩擦力，切削时CFRP板不发生移动。
4.根据权利要求1所述的一种用于碳纤维复合材料铣削加工的支撑夹具，其特征在于夹具板上设计一个U型槽，可以根据不同刀具的直径设置多个夹具板，夹具板的长为170mm，宽为100mm；因为要进行铣削的CFRP板的长度为50mm，这里设置5mm×60mm，10mm×70mm，15mm×80mm的U型槽，U型槽的作用是如果将试验件需要切削的位置在U型槽内切削，当刀具将试验件切断后切除的材料也会被固定在支撑板上，而且这样能使材料在切削过程中一直处于压紧状态，降低材料分层现象发生，有利于在进行铣削加工时得到高精度材料。
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