CN114311044A - 一种碳纤维层合板的自动切割方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及碳纤维板切割技术领域，尤其是一种碳纤维层合板的自动切割方法，使用配置有超声波切割刀具的切割机，经预处理、铺放待切割材料、切入待切割材料内部、沿工件轮廓线切割、完成切割等步骤，通过使用定制超声波切割刀具实现碳纤维层合板厚板切割或斜向切割，并可根据工件轮廓线任意安排切割刀具切入点，切割路径短，效率高，实现工件内腔切割，对超厚板进行分层切割，大大扩展了超厚碳纤维层合板的使用范围，提高了碳纤维产品的结构强度和硬化后加工效率，超声波切割刀具可根据需求随时调换，在切割机上自动对刀，实现精准、快速切割作业。

Description

一种碳纤维层合板的自动切割方法

技术领域

本发明涉及碳纤维板切割技术领域，尤其是一种碳纤维层合板的自动切割方法。

背景技术

目前国内切割碳纤维预浸料的厚度为单层预浸料或多层预浸料堆叠起来的较薄的碳纤维层合板，切割厚度一般不超过6mm，当堆叠厚度加厚如10mm以上且封灌树脂或其他粘合剂后，现有的超声波切割技术很难切割，传统的切割方法是使用铣刀加工，但是碳纤维层合板层与层之间的粘合剂会对铣刀形成粘连，影响切割质量，切割效率较低，需要开发超厚碳纤维层合板的切割技术，以满足现有制造工艺的应用，主要应用在航空航天、风力发电、汽车等行业，有远大的应用发展空间和前途。

现有国内超声波切割刀具，其刀尖处为平底设计，没有刃口，这样导致在切割较厚的碳纤维层合板时，切割刀具必须从待切割材料周边边缘外切入待切割材料内部，再沿设计的轮廓进行切割，增加了切割路径，影响切割效率和待切割材料利用率，尤其在针对待切割材料内部的型腔切割时，不能满足切割工艺要求。在切割过程中，每次更换切割刀具都需要调整切割深度，传统操作方式下需要经验丰富的操作人员手动对刀，对刀过程复杂，而且出错率高。现有切割刀具通过螺栓连接的法兰固定，该安装方式会导致切割刀具在重复安装时其刀刃平面随机不固定，需要对刀以确认刀刃平面。

发明内容

为了克服上述现有问题的不足，本发明提供了一种碳纤维层合板的自动切割方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种碳纤维层合板的自动切割方法，使用配置有超声波切割刀具的切割机，所述切割刀具的刃部的横向剖切面为细长的菱形，所述菱形的尖端形成刀刃，且其较长对角线拟合形成的平面为刀刃平面，所述切割刀具的刃部沿刀刃平面的剖切面为三角形，所述刃部的刀尖处设有刀尖圆弧且开设有刃口，包括下列步骤：

S1，预处理，将碳纤维层合板待切割材料在冷库内取出，待部分解冻后安排切割；

S2，铺放待切割材料，将所述待切割材料平铺在切割机的工作台面上；

S3，切入待切割材料内部，切割刀具根据切割机控制系统内导入的切割文件信息，在指定点按照指定深度切入待切割材料，所述切割刀具的刀刃平面与切入点处工件轮廓线的切线方向一致，直至切入程序指定深度；

S4，沿工件轮廓线切割，切割刀具根据切割机控制系统内导入的切割文件信息，沿工件轮廓线按设定的切割速度v进行待切割材料切割，所述切割刀具的刀刃平面一直与工件轮廓线的切线方向保持一致；

S5，完成切割，各运动轴复位，切割机的刀座带动切割刀具移动至安全位置。

S6，卸料并储存，取下切割成形的工件及剩余待切割材料，并收入冷库内储存。

超声波切割刀具利用超声波能量使待切割材料的局部加热，使材料分子间结构发生变化，使其沿切割刀具的刃口方向裂开，从而达到切割的目的。使用超声波刀具对碳纤维层合板进行切割处理，切割过程无尘无污染，切口整齐、毛刺少，大大提高了切割精度，减少了后续加工余量。

切割刀具尖做成对称刃口，单刃设计振动不平衡，容易引起切割刀具发热、刃部崩刃。而做成刃口会受超声波振动的影响，超声波刀在振动时有横波和纵波两个方向，在切割时用到的是沿刀刃平面方向的纵波振动切割，而横波对切割有害，它会增加切割刀具发热使整个系统损坏，而且其还会影响切割刀具使用寿命，所以为了消除纵波影响，其切割刀具需要经过有限元仿真分析将超声波切割刀初步尺寸做出来后，再振动切割测试，修改结构，以达到最高使用寿命要求。

S3中，切割直角边的工件时，在直角边处切割刀具的轨迹沿工件的一个直角边过切一定距离，使切割刀具至少一半刃口越过另一直角边，形成十字槽形的切割缝隙。

S4中，切割刀具的刀刃平面一直与工件轮廓线的切线方向保持一致，在切割过程中切割刀具受到的阻力最小，切割边缘最光滑，切割效率最高。需要设置合适的切割速度，切割速度过低，切割刀具与待切割材料接触时间越长，切割刀具温度越高，导致待切割材料烧损、且影响切割刀具寿命。切割速度过高，则切割刀具刃部受力越大，可能导致刀具折断。

根据本发明的另一个实施例，进一步包括，所述切割机的刀座处配置有五轴头，在加工轮廓侧边为斜面的工件时，根据工件轮廓侧边的倾斜角度调整五轴头及切割刀具相对材料表面的角度；

S3中，切入待切割材料内部时，切割刀具切入前其刀刃平面与待切割材料上表面的夹角与工件轮廓侧边的角度一致，切割刀具进给方向包括Z轴方向及垂直于刀刃平面的方向，形成沿切割刀具长度方向的斜向插补进给；

S4中，沿工件轮廓线切割时，使切割刀具的刀刃平面与待切割材料上表面的夹角与工件轮廓侧边的角度保持一致。

通过工件轮廓侧边斜向切割，碳纤维层合板互相粘合时可增大粘接面面积，提高粘接强度，对部分位置可降低成品加工余量，提高碳纤维层合板利用率，提高碳纤维产品生产成本。

切割刀具长度方向的斜向插补进给，保证切入时不会因为阻力过大而导致切割刀具崩刃。

根据本发明的另一个实施例，所述五轴头包括Y轴滑移单元、Z轴滑移单元、C轴旋转单元及A轴旋转单元，所述切割机设有龙门滑架，所述Y轴滑移单元滑动安装在龙门滑架上，所述Z轴滑移单元滑动安装在Y轴滑移单元上，所述C轴旋转单元固定安装在Z轴滑移单元上，所述A轴旋转单元固定在C轴旋转单元的输出端，且设有用于固定切割刀具的刀座。

通过增加两个旋转轴控制结构，实现超声波刀具斜向调整和切割进刀，常规状态下超声波刀具处于竖直状态，根据切割需要调整刀具方向，旋转轴结构与平移结构分离设置，可有效减轻旋转轴结构重量，减轻旋转轴的驱动功率需求，实现超声波刀具姿态快速调整。

根据本发明的另一个实施例，进一步包括，S4中，根据待切割材料的总厚度a1，切割刀具按照相同的工件轮廓线分层多次切割，每次切割深度不大于最佳切割厚度a2，当剩余切割深度a3不大于a2时，以剩余切割深度a3按相同的工件轮廓线进行最后一次切割，且每一次切割的切入点位于工件轮廓线的相同位置。

根据本发明的另一个实施例，进一步包括，所述切割机配置有激光对刀仪，在切割刀具切入待切割材料内部之前，有如下对刀操作：

S7，切割刀具长度方向对刀，所述切割刀具移动至激光对刀仪的发射器和接收器之间，切割刀具的刀尖竖直向下，切割刀具在水平方向上沿垂直于发射器和接收器连线的方向往复摆动，同时切割刀具向下以等距的快进距离h1间歇移动，直到传感器检测到信号变化，切割刀具来回摆动的同时继续向上以等距的慢退距离h2间歇移动，直到检测不到传感器信号，控制系统记录此时的切割刀具Z轴方向位置值，计算出切割刀具长度方向的补偿量；

S8，切割刀具刀刃平面对刀，所述切割刀具移动至激光对刀仪的发射器和接收器之间，切割刀具的刀尖竖直向下，切割刀具沿C轴方向缓慢旋转，激光对刀仪感应切割刀具转动时其挡住光线强度的变化，当接收器接收到的信号最强时，切割机控制系统识别并记录此时的切割刀具C轴方向为刀刃平面方向。

本发明的有益效果是，通过使用定制超声波切割刀具实现碳纤维层合板厚板切割或斜向切割，并可根据工件轮廓线任意安排切割刀具切入点，切割路径短，效率高，实现工件内腔切割，对超厚板进行分层切割，大大扩展了超厚碳纤维层合板的使用范围，提高了碳纤维产品的结构强度和硬化后加工效率，超声波切割刀具可根据需求随时调换，在切割机上自动对刀，实现精准、快速切割作业。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明中切割机的结构示意图；

图2是图1中X处放大图；

图3是切割刀具对刀时的示意图；

图4是图3中Y处放大图；

图5是切割刀具的局部结构示意图；

图6是五轴头的结构示意图。

图中，切割机1，切割刀具2，待切割材料3，

工作台面11，五轴头12，Y轴滑移单元121，Z轴滑移单元122，C轴旋转单元123，A轴旋转单元124，刀座13，激光对刀仪14，龙门滑架15，

刃部21，刀刃平面22，刀尖圆弧23，

工件轮廓线31。

具体实施方式

如图1-6是本发明的结构示意图，一种碳纤维层合板的自动切割方法，使用配置有超声波切割刀具2的切割机1，所述切割刀具2的刃部21的横向剖切面为细长的菱形，所述菱形的尖端形成刀刃，且其较长对角线拟合形成的平面为刀刃平面22，所述切割刀具2的刃部21沿刀刃平面22的剖切面为三角形，所述刃部21的刀尖处设有刀尖圆弧23且开设有刃口，包括下列步骤：

S1，预处理，将碳纤维层合板待切割材料3在冷库内，待部分解冻后安排切割；在冷库内冷冻至-18℃至-12℃保存，然后切割之前在室温20-25℃下放置1-3h。

S2，铺放待切割材料3，将所述待切割材料3平铺在切割机1的工作台面11上；

S3，切入待切割材料3内部，切割刀具2根据切割机1控制系统内导入的切割文件信息，在指定点按照指定深度切入待切割材料3，所述切割刀具2的刀刃平面22与切入点处工件轮廓线31的切线方向一致，直至切入程序指定深度；

S4，沿工件轮廓线31切割，切割刀具2根据切割机1控制系统内导入的切割文件信息，沿工件轮廓线31按设定的切割速度v进行待切割材料3切割，所述切割刀具2的刀刃平面22一直与工件轮廓线31的切线方向保持一致；

S5，完成切割，各运动轴复位，切割机1的刀座13带动切割刀具2移动至安全位置。

S6，卸料并储存，取下切割成形的工件及剩余待切割材料3，并收入冷库内储存。保存温度-18℃至-12℃。

切割刀具2的刃部21长度最长可至125mm。

所述设定的切割速度v最高可达1200mm/s。

S2中，指定深度一般比待切割材料3厚度大0.2mm，保证切断同时避免对加工台面造成损坏。

优选的，所述切割机1的刀座13处配置有五轴头12，在加工轮廓侧边为斜面的工件时，根据工件轮廓侧边的倾斜角度调整五轴头12及切割刀具2相对材料表面的角度；

S3中，切入待切割材料3内部时，切割刀具2切入前其刀刃平面22与待切割材料3上表面的夹角与工件轮廓侧边的角度一致，切割刀具2进给方向包括Z轴方向及垂直于刀刃平面22的方向，形成沿切割刀具2长度方向的斜向插补进给；

S4中，沿工件轮廓线31切割时，使切割刀具2的刀刃平面22与待切割材料3上表面的夹角与工件轮廓侧边的角度保持一致。

所述五轴头12为五轴切割机1的主轴部件，可实现三个直线坐标方向的直线平移运动及A轴和C轴的旋转运动，实现切割刀具2斜向调整。

优选的，所述五轴头12包括Y轴滑移单元121、Z轴滑移单元122、C轴旋转单元123及A轴旋转单元124，所述切割机1设有龙门滑架15，所述Y轴滑移单元121滑动安装在龙门滑架15上，所述Z轴滑移单元122滑动安装在Y轴滑移单元121上，所述C轴旋转单元123固定安装在Z轴滑移单元122上，所述A轴旋转单元124固定在C轴旋转单元123的输出端，且设有用于固定切割刀具2的刀座13。

所述龙门滑架15沿切割机1的X轴方向滑动，所述Y轴滑移单元121在龙门滑架15上沿Y方向滑动，所述Z轴滑移单元122在Y轴滑移单元121上沿X轴方向滑动，所述C轴旋转单元123的输出端沿C轴方向转动，所述A轴旋转单元124的输出端沿A轴方向转动。

优选的，S4中，根据待切割材料3的总厚度a1，切割刀具2按照相同的工件轮廓线31分层多次切割，每次切割深度不大于最佳切割厚度a2，当剩余切割深度a3不大于a2时，以剩余切割深度a3按相同的工件轮廓线31进行最后一次切割，且每一次切割的切入点位于工件轮廓线31的相同位置。

某实施例中，切割刀具2的最佳切割厚度a2为8mm，若切割总厚度a1为35mm的待切割材料3时，分层多次切割，每次切割刀具2进给深度为8mm，切割四次后还有剩余切割深度a3为3mm，最后一次切割刀具2进给深度为3mm。

优选的，所述切割机1配置有激光对刀仪14，在切割刀具2切入待切割材料3内部之前，有如下对刀操作：

S7，切割刀具2长度方向对刀，所述切割刀具2移动至激光对刀仪14的发射器和接收器之间，切割刀具2的刀尖竖直向下，切割刀具2在水平方向上沿垂直于发射器和接收器连线的方向往复摆动，同时切割刀具2向下以等距的快进距离h1间歇移动，直到传感器检测到信号变化，切割刀具2来回摆动的同时继续向上以等距的慢退距离h2间歇移动，直到检测不到传感器信号，控制系统记录此时的切割刀具2Z轴方向位置值，计算出切割刀具2长度方向的补偿量；

S8，切割刀具2刀刃平面22对刀，所述切割刀具2移动至激光对刀仪14的发射器和接收器之间，切割刀具2的刀尖竖直向下，切割刀具2沿C轴方向缓慢旋转，激光对刀仪14感应切割刀具2转动时其挡住光线强度的变化，当接收器接收到的信号最强时，切割机1控制系统识别并记录此时的切割刀具2C轴方向为刀刃平面22方向。

以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可做出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种碳纤维层合板的自动切割方法，其特征是，使用配置有超声波切割刀具的切割机，所述切割刀具的刃部的横向剖切面为细长的菱形，所述菱形的尖端形成刀刃，且其较长对角线拟合形成的平面为刀刃平面，所述切割刀具的刃部沿刀刃平面的剖切面为三角形，所述刃部的刀尖处设有刀尖圆弧且开设有刃口，包括下列步骤：

S1，预处理，将碳纤维层合板待切割材料在冷库内取出，待部分解冻后安排切割；

S2，铺放待切割材料，将所述待切割材料平铺在切割机的工作台面上；

S3，切入待切割材料内部，切割刀具根据切割机控制系统内导入的切割文件信息，在指定点按照指定深度切入待切割材料，所述切割刀具的刀刃平面与切入点处工件轮廓线的切线方向一致，直至切入程序指定深度；

S4，沿工件轮廓线切割，切割刀具根据切割机控制系统内导入的切割文件信息，沿工件轮廓线按设定的切割速度v进行待切割材料切割，所述切割刀具的刀刃平面一直与工件轮廓线的切线方向保持一致；

S5，完成切割，各运动轴复位，切割机的刀座带动切割刀具移动至安全位置；

S6，卸料并储存，取下切割成形的工件及剩余待切割材料，并收入冷库内储存。

2.根据权利要求1所述的碳纤维层合板的自动切割方法，其特征是，所述切割机的刀座处配置有五轴头，在加工轮廓侧边为斜面的工件时，根据工件轮廓侧边的倾斜角度调整五轴头及切割刀具相对材料表面的角度；

S3中，切入待切割材料内部时，切割刀具切入前其刀刃平面与待切割材料上表面的夹角与工件轮廓侧边的角度一致，切割刀具进给方向包括Z轴方向及垂直于刀刃平面的方向，形成沿切割刀具长度方向的斜向插补进给；

S4中，沿工件轮廓线切割时，使切割刀具的刀刃平面与待切割材料上表面的夹角与工件轮廓侧边的角度保持一致。

3.根据权利要求2所述的碳纤维层合板的自动切割方法，其特征是，所述五轴头包括Y轴滑移单元、Z轴滑移单元、C轴旋转单元及A轴旋转单元，所述切割机设有龙门滑架，所述Y轴滑移单元滑动安装在龙门滑架上，所述Z轴滑移单元滑动安装在Y轴滑移单元上，所述C轴旋转单元固定安装在Z轴滑移单元上，所述A轴旋转单元固定在C轴旋转单元的输出端，且设有用于固定切割刀具的刀座。

4.根据权利要求1所述的碳纤维层合板的自动切割方法，其特征是，S4中，根据待切割材料的总厚度a1，切割刀具按照相同的工件轮廓线分层多次切割，每次切割深度不大于最佳切割厚度a2，当剩余切割深度a3不大于a2时，以剩余切割深度a3按相同的工件轮廓线进行最后一次切割，且每一次切割的切入点位于工件轮廓线的相同位置。

5.根据权利要求1所述的碳纤维层合板的自动切割方法，其特征是，所述切割机配置有激光对刀仪，在切割刀具切入待切割材料内部之前，有如下对刀操作：

S7，切割刀具长度方向对刀，所述切割刀具移动至激光对刀仪的发射器和接收器之间，切割刀具的刀尖竖直向下，切割刀具在水平方向上沿垂直于发射器和接收器连线的方向往复摆动，同时切割刀具向下以等距的快进距离h1间歇移动，直到传感器检测到信号变化，切割刀具来回摆动的同时继续向上以等距的慢退距离h2间歇移动，直到检测不到传感器信号，控制系统记录此时的切割刀具Z轴方向位置值，计算出切割刀具长度方向的补偿量；

S8，切割刀具刀刃平面对刀，所述切割刀具移动至激光对刀仪的发射器和接收器之间，切割刀具的刀尖竖直向下，切割刀具沿C轴方向缓慢旋转，激光对刀仪感应切割刀具转动时其挡住光线强度的变化，当接收器接收到的信号最强时，切割机控制系统识别并记录此时的切割刀具C轴方向为刀刃平面方向。

Images