一种碳纤维复合材料切削的实验装置.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 103837422 A (43)申请公布日 2014.06.04 CN 103837422 A (21)申请号 201410071620.4 (22)申请日 2014.02.27 G01N 3/58(2006.01) (71)申请人 大连理工大学 地址 116024 辽宁省大连市凌工路 2 号 (72)发明人 贾振元 王福吉 宿友亮 杨睿 孙士勇 刘巍 (74)专利代理机构 大连理工大学专利中心 21200 代理人 关慧贞 (54) 发明名称 一种碳纤维复合材料切削的实验装置 (57) 摘要 本发明一种碳纤维复合材料切削的实验装置 属于难加工材料切削装置研究领域， 涉。

2、及一种碳 纤维复合材料切削的实验装置。该实验装置以切 削装置为基础结构， 安装了实验功能装置包括工 件快速装夹与温控装置、 高速显微观察装置、 温度 及切削力在线测量装置、 除尘装置。 高速显微观察 装置中， 镜头与高速摄像机相连， 高速摄像机安装 在单轴精密位移平台底座上， 单轴精密位移平台 安装在摄像支架上， 光源对准切削区， 高速摄像机 与计算机系统相连。该实验装置能够有效实现切 削过程观察， 温度及切削力实时准确测量， 样件及 刀具温度控制， 研究不同切削条件下材料断裂形 式， 材料去除机理与刀具磨损机制， 为碳纤维复合 材料切削基础理论的阐述提供实验支撑。 (51)Int.Cl. 权。

3、利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书3页 附图1页 (10)申请公布号 CN 103837422 A CN 103837422 A 1/1 页 2 1. 一种碳纤维复合材料切削的实验装置， 其特征在于， 以切削装置为基础结构， 其上安 装有实验功能装置包括工件快速装夹与加热装置、 高速显微观察装置、 切削温度及切削力 在线测量装置、 除尘装置 ； 在所述的切削装置中 ： XY 直线位移平台 （24） 安装在床身 23 上， 其中， X 轴由直线电机 与直线导轨副组成 ； 主轴箱 （12） 安装在床身立。

4、柱 （15） 上 ； 工件快速装夹与加热组件 （21） 安 装在工作台 （3） 上 ； 刀架 （19） 安装在床身固定尾座 （5） 上 ； 位置可调的刀具快速冷却器 （6） 安装在刀架 （19） 一侧 ； 计算机系统 （1） 、 控制柜 （8） 放置于床身周围 ； 所述的高速显微观察装置， 镜头 （16） 与高速摄像机 （10） 相连， 高速摄像机 （10） 安装在 单轴精密位移平台 （17） 底座上， 单轴精密位移平台 （17） 安装在摄像支架 （7） 上， 光源对准 切削区， 高速摄像机 （10） 与计算机系统 （1） 相连 ； 所述的切削温度及切削力在线测量装置中， 热电偶 （25） 布。

5、置在样件 （22） 及刀具 （20） 上 ； 切削力测量仪 （18） 安装在刀架 （19） 底座上， 安装在工作台 （3） 上的信号调理模块 （2） 和电荷放大器 （4） 与计算机系统 （1） 相连 ； 所述的除尘装置中， 随动除尘罩 （14） 安装在主轴箱 （12） 上， 固定除尘罩安装于刀架 （19） 的一侧， 随动除尘罩 （14） 、 可调除尘罩 （11） 分别与降尘过滤器 （9） 相连， 降尘过滤器 （9） 安装在床身一侧。 权 利 要 求 书 CN 103837422 A 2 1/3 页 3 一种碳纤维复合材料切削的实验装置 技术领域 0001 本发明属于难加工材料切削装置研究领域，。

6、 涉及一种碳纤维复合材料切削的实验 装置。 背景技术 0002 碳纤维复合材料 （CFRP） 具有高比强度、 高比刚度、 抗疲劳性等特点， 能有效降低飞 机结构重量， 在航空航天领域中得到大量应用， 其应用和发展是大幅度提高飞机结构效率、 舒适性和环保性的重要保证。 随着碳纤维复合材料在大型航空航天主承力构件上的大量应 用， 基于大型主承力构件复杂受力环境中高服役可靠性的要求， 对其机械加工的质量要求 也更加严格。在飞机构件中， 大量机械加工被用来保证尺寸精度及连接装配要求。然而， 加工中出现的分层、 撕裂和毛刺等加工损伤以及刀具磨损严重制约飞机构件的高质高效加 工。因此需针对碳纤维复合材料加。

7、工中存在的问题， 根据树脂的高温软化特性以及增强纤 维的脆断特点， 阐明力热耦合作用下各向异性多相材料细观破坏与宏观材料去除的关联机 理， 同时根据复合材料制件层间突变、 各向异性特征， 建立加工过程中力热耦合作用下纤维 基体界面应力传递规律和宏观损伤生成机制。 因此， 需要通过对不同温度下单根碳纤维丝、 碳纤维束、 碳纤维布、 预浸碳纤维丝、 预浸碳纤维布等的滑切实验和显微观察来揭示加工过 程力热耦合作用下复合材料加工去除与损伤的产生机理。 0003 碳纤维复合材料属于难加工材料， 其细观上呈现由纤维和树脂构成的混合形态， 宏观上呈现各向异性和叠层特征， 细观与宏观上表现出不同的特性。细观上。

8、纤维表现为高 强、 高硬， 导热性较好， 树脂基体表现为强度低、 高粘性， 导热性差， 相间结合强度低 ； 宏观上 不同取向表现为不同的力学性能， 层间剪切强度低、 导热性差异大等。 在研究其切削去除基 础理论时， 除对其宏观切削理论进行研究外， 还需对其细观切削过程及变形区划分进行研 究， 从宏细观角度揭示其切削基础理论。 由于现有的实验装置无法完成单向高速滑切实验， 不具有测力、 测温、 工件加热、 切屑随动收集功能， 因此， 无法安装显微镜头和高速摄像机。 发明内容 0004 本发明的目的是克服现有技术的缺陷， 提供一种具有工件快速装夹与加热、 高速 显微观察、 温度和切削力在线测量以及。

9、除尘功能的碳纤维复合材料切削的实验装置， 实现 工件温度初始温度可控， 快速装夹， 切削力、 热在线测量， 对切削过程高速显微观察功能。 在 实验装置上对碳纤维复合材料进行宏 / 细观切削加工过程观测和研究， 为碳纤维复合材料 基础理论研究提供实验支撑。 0005 本发明采用的技术方案是一种碳纤维复合材料切削的实验装置， 其特征在于， 以 切削装置为基础结构， 安装具有实验功能的装置包括样件快速装夹与加热装置、 高速显微 观察装置、 切削温度及切削力在线测量装置、 除尘装置。 0006 所述的切削装置结构为 ： XY 直线位移平台 24 安装在床身 23 上， 其中 X 轴由直线 电机与直线导。

10、轨副组成 ； 主轴箱 12 安装在床身立柱 15 上 ； 样件快速装夹与加热组件 21 安 说 明 书 CN 103837422 A 3 2/3 页 4 装在工作台 3 上 ； 刀架 19 安装在床身固定尾座 5 上 ； 位置可调的刀具快速冷却器 6 安装在 刀架 19 的一侧 ； 计算机系统 1、 控制柜 8 安装在床身周围。 0007 所述的高速显微观察装置中， 镜头 16 与高速摄像机 10 相连， 高速摄像机 10 安装 在单轴精密位移平台 17 底座上， 单轴精密位移平台 17 安装在摄像支架 7 上， 光源对准切削 区， 高速摄像机 10 与计算机系统 1 相连。 0008 在所述。

11、的温度及切削力在线测量装置中， 信号调理模块 2， 热电偶 25 布置在样件 22 上 ； 切削力测量仪 18 安装在刀架 19 底座上， 安装工作台 3 上的信号调理模块 2 和电荷 放大器 4 分别与计算机系统 1 相连。 0009 所述的除尘装置中， 随动除尘罩14安装在主轴箱12上， 固定除尘罩安装于刀架19 的一侧， 随动除尘罩14、 可调除尘罩11分别与降尘过滤器9相连， 降尘过滤器9安装在床身 的一侧。 0010 本发明的有益效果是 ： 通过对样件及刀具温度的控制， 实现对不同样件、 刀具温度 对切削过程影响的研究 ； 通过宽范围速度的切削实验， 实现不同切削速度对切削过程影响 。

12、的研究。此外， 通过四轴联动还可进行钻、 铣削验证实验。本发明通过合理设计布局， 节约 了空间， 可实现各项实验的有序准确进行。本发明具有加工精度高、 自动化程度高、 加工柔 性好等特点， 可以满足微观切削中对位置精度及运动精度的要求， 有效地观察切削过程。 附图说明 0011 图 1 是原理性实验装置主视图， 图 2 是原理性实验装置俯视图。 0012 其中 ： 1计算机系统， 2信号调理模块， 3工作台， 4电荷放大器， 5床身固 定尾座， 6刀具快速冷却器， 7摄像支架， 8控制柜， 9降尘过滤器， 10高速摄像机， 11可调除尘罩， 12主轴箱， 13高速电主轴， 14随动除尘罩， 1。

13、5床身立柱， 16镜 头， 17单轴精密位移平台， 18切削力测量仪， 19刀架， 20刀具， 21样件快速装夹与 加热组件， 22样件， 23床身， 24XY 直线位移平台。 0013 图 3 是热电偶布点位置示意图， 其中 ： 22样件， 25热电偶。 具体实施方式 0014 下面结合技术方案和附图详细说明本发明的具体实施。在附图 1、 2 中， 切削装置 中的床身23是整个切削装置的基础支撑部件 ； 床身上设有XY直线位移平台24， X轴由直线 电机与直线导轨副组合， 实现宽范围速度的直线运动， 最高直线速度可实现 240m/min ； Y 轴 由伺服电机、 滚珠丝杠副与直线导轨副组合实。

14、现直线运动， 最高速度为 20m/min， XY 直线位 移平台24实现加工位置的精确调节及进给切削 ； 床身立柱15设有主轴箱12， Z轴由伺服电 机、 滚珠丝杠副与直线导轨副组合实现主轴箱 12 的上下直线运动， 最高速度为 20m/min， 以 此实现轴向进给 ； 主轴箱 12 设有高速电主轴 13， 实现钻、 铣削验证实验 ； 样件 22 通过样件 快速装夹与温控组件装夹于工作台 3 上， 可对所加工样件 22 进行快速装夹， 并对其初始温 度进行控制 ； 刀架19安装在床身固定尾座5上， 可对刀具位置进行调整， 以便于刀具冷却时 将刀具置于位置可调的刀具快速冷却器 6 的冷却罩内 ；。

15、 刀具快速冷却器 6 安装于床身固定 尾座 5 一侧 ； 通过计算机系统 1、 控制柜 8 对 XY 直线位移工作台 24 及主轴 13 进行控制， 进 行切削实验。 说 明 书 CN 103837422 A 4 3/3 页 5 0015 高速摄像机 10 安装在摄像支架 7 的单轴精密位移平台 17 的底板上， 镜头 16 安装 在高速摄像机 10 上， 通过摄像支架 7 及单轴精密位移平台 7 的调整， 使其置于切削位置正 上方 ； 高速摄像机 10 及、 单轴精密位移平台 17 通过数据线与计算机系统 1 相连， 对采集的 图像数据进行处理、 实时显示及录制， 实现镜头 15 与观察位置。

16、间距离的精确调节 ； 刀具 20 安装于切削力测量仪 18 上， 切削力测量仪 18 侧装在刀架 19 上， 切削力测量仪 18 与信号放 大器 4 相连 ； 信号调理模块 2 与信号放大器 4 与计算机系统 1 相连， 实现对切削温度及切削 力数据的实时采集处理。 0016 可调除尘罩 11 对准切削位置， 与降尘过滤器 9 相连， 实现直线切削实验时切屑的 收集 ； 随动除尘罩 14 安装在主轴箱 12 上， 实现钻、 铣削验证实验时的切屑收集 ； 可调除尘 罩 11 与随动除尘罩 14 均与降尘过滤器 9 相连， 对切屑进行收集处理。降尘过滤器 9， 控制 柜 8， 计算机系统 1， 信。

17、号调理模块 2， 电荷放大器 4， 摄像机架 7 合理布置于床身周围。 0017 如附图 3 所示， 热电偶 25 按实验设定方式布置于样件 22 的合理位置上， 通过连线 与信号调理模块 2 相连。 0018 本发明的工作过程为 ： 启动计算机系统 1 与控制柜 8， 将样件 22 通过样件快速装 夹与加热组件21装夹在工作台3上， 并对其初始温度进行控制 ； 将刀具20调节到刀具快速 冷却器 6 罩口位置， 开启刀具快速冷却器 6， 冷却刀具至设定温度后调回加工位， 实现对样 件温度及刀具温度的调控 ； 调节高速摄像机 10 的位置， 使切削位置位于视场内， 完成对切 削过程的观察记录 ；。

18、 通过计算机系统 1 控制 XY 直线位移平台 24 带动样件 22 进行直线切削 运动 ； 切削过程中， 通过切削力测量仪 18 及样件 22 上的热电偶 25 对切削力及切削温度数 据进行实时采集 ； 切削过程中， 可调除尘罩 11 对准切削位置， 与降尘过滤器 9 相连， 完成切 削实验中切屑的收集处理 ； 随动除尘罩 14 安装在主轴箱 12 上， 完成钻、 铣削验证实验中的 切屑收集处理。 0019 通过本发明可完成碳纤维复合材料切削加工的原理性实验， 可分别进行碳纤维复 合材料样件的宏 / 细观切削实验， 通过镜头合理配置， 有效实现对宏 / 细切削过程的观察， 对切削过程进行图像记录 ； 准确实时测量切削温度和切削力， 为理论及模型分析提供充分 的实验依据。 说 明 书 CN 103837422 A 5 1/1 页 6 图 1 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 103837422 A 6 。