提高碳纤维复合材料直角切削实验精度的方法

摘要

本发明提高碳纤维复合材料直角切削实验精度的方法属于难加工材料切削加工领域，涉及一种提高碳纤维复合材料直角切削实验精度的方法。该方法先将碳纤维复合材料样件固定在直线电机的动子上，由动子搭载样件经过三轴磨床完成对样件的预处理，去除样件初始面下损伤区域，并使其待加工表面具有高平面度。再利用超景深显微装置进行精确对刀，对实际切深进行精确测量和调整，以保证实际切深与实验预设值相同，提高直角切削实验的精度。该方法通过搭建实验装置和实验设置，采用磨床进行预处理，通过显微对刀、直角切削实验等步骤完成。本发明涉及的装置简单，操作容易，能有效提高碳纤维复合材料直角切削实验的实验精度。

权利要求

1.一种提高碳纤维复合材料直角切削实验精度的方法，其特征是，样件通过直线电机动子搭载，通过三轴磨床进行预处理，去除初始面下损伤区域，并使其待加工表面具有高平面度；利用超景深显微装置进行精确对刀从而保证实际切深与实验预设值相同，提高直角切削实验的精度；实验方法的具体步骤如下：

1)搭建实验装置

将样件(4)通过样件夹具(3)安装在直线电机(2)的动子上，直线电机(2)通过T型螺栓与床身(1)相连；将刀具(9)通过刀具夹具(8)安装在测力仪(7)上，测力仪(7)通过螺栓安装在微位移平台(6)上，微位移平台(6)和超景深显微装置(10)分别通过T型螺栓安装在床身(1)上，将三轴磨床(5)通过T型螺栓与床身(1)相连；

2)实验设置

接通超景深显微装置(10)的电源，使其显微视场对准刀具(9)；接通直线电机(2)的电源，设定直线电机(2)动子的运动速度作为预处理过程的进给速度；调节三轴磨床(5)，使其加工高度与样件(4)的高度相同；

3)采用磨床进行预处理

启动三轴磨床(5)，使其砂轮运转；启动直线电机(2)，使其动子按预设速度经过三轴磨床(5)，完成对样件(4)的磨削预处理；

4)进行显微对刀

当直线电机(2)动子到达刀具(9)附近时停止直线电机(2)，使用超景深显微装置(10)的测量功能测量刀具(9)和预处理后的样件(4)的相对位置，计算出实际切深；通过调节微位移平台(6)对实际切深进行调整，使之与实验设定切深相同；

5)进行直角切削实验

将直线电机(2)反向运行一段距离，使其动子距离刀具(9)的距离超过其动子加速距离；设定直线电机(2)的速度作为直角切削实验的切削速度，启动直线电机，完成直角切削实验。

说明书

提高碳纤维复合材料直角切削实验精度的方法

技术领域

[0001] 本发明属于难加工材料切削加工领域，涉及一种提高碳纤维复合材料直角切削实验精度的方法。

背景技术

[0002] 碳纤维增强树脂基复合材料由于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，加工中极易产生损伤及刀具磨损，制约复材制件的高质高效加工。因此，需通过原理性实验来揭示各向异性多相材料细观破坏与宏观材料去除的关联机理。原理性实验通常通过对碳纤维复合材料进行直角切削，观察其切削层材料形成切屑脱离材料表面的过程，并分析其切削力，从而探究其去除机理。然而，实验样件多由铣削制得，铣削过程易造成面下损伤，其深度通常超过直角切削实验的切深。因此，若使用带有初始面下损伤的实验样件进行直角切削实验，将无法观察到材料在无损状态下的去除过程，也无法获得能真实反映材料与刀具相互作用的切削力数据。同时，实验中实际切深与实验预设值往往存在偏差，若实际切深偏大易因切削力过大导致样件损伤严重，加剧刀具磨损。

[0003] 目前，部分学者针对碳纤维复合材料进行了直角切削实验以研究其切削机理，然未对直角切削实验的精度进行相关探讨，例如G.Venu Gopala Rao等人发表的《Micro-mechanical modeling of machining of FRP composites–Cutting force analysis》一文在《Composites Science and Technology》2007年第67期第579到593页中，研究了直角切削中切深、纤维角度、刀具前角对切削力的影响，然而，未对直角切削实验的精度进行探讨。因此，为提高实验精度，需消除样件初始面下损伤的影响；还需对实验中实际切深进行精确测量及控制，使其与实验预设值相等，从而提高直角切削实验的实验精度。

发明内容

[0004] 本发明为克服现有技术的缺陷，提高碳纤维复合材料直角切削实验精度，发明了一种提高碳纤维复合材料直角切削实验精度的方法，该方法在直角切削之前，先对碳纤维复合材料样件进行磨削预处理，即将碳纤维复合材料样件固定在直线电机的动子上，由动子搭载样件经过三轴磨床完成对样件的预处理，去除样件初始面下损伤区域，并使其待加工表面具有高平面度。再利用超景深显微装置进行精确对刀，对实际切深进行调整和精确测量，以保证实际切深与实验预设值相同，进而提高了直角切削实验的实验精度。

[0005] 本发明采用的技术方案是一种提高碳纤维复合材料直角切削实验精度的方法，其特征是，该方法先将碳纤维复合材料样件固定在直线电机的动子上，由动子搭载样件经过三轴磨床完成对样件的预处理，去除样件初始面下损伤区域，并使其待加工表面具有高平面度；再利用超景深显微装置进行精确对刀，对实际切深进行精确测量和调整，以保证实际切深与实验预设值相同，提高直角切削实验的精度；实验方法具体步骤如下：

[0006] 1)搭建实验装置

[0007] 将样件4通过样件夹具3安装在直线电机2的动子上，直线电机2通过T型螺栓与床身1相连；将刀具9通过刀具夹具8安装在测力仪7上，测力仪7通过螺栓安装在微位移平台6上，微位移平台6和超景深显微装置10分别通过T型螺栓安装在床身1上，将三轴磨床5通过T型螺栓与床身1相连。

[0008] 2)实验设置

[0009] 接通超景深显微装置10的电源，使其显微视场对准刀具9；接通直线电机2的电源，设定直线电机2动子的运动速度作为预处理过程的进给速度，调节三轴磨床5，使其加工高度与样件4的高度相同。

[0010] 3)采用磨床进行预处理

[0011] 启动三轴磨床5，使其砂轮运转；启动直线电机2，使其动子按预设速度经过三轴磨床5，完成对样件4的磨削预处理。

[0012] 4)进行显微对刀

[0013] 当直线电机2动子到达刀具9附近时停止直线电机2，使用超景深显微装置10的测量功能测量刀具9和预处理后的样件4的相对位置，计算出实际切深；通过调节微位移平台6对实际切深进行调整，使之与实验设定切深相同。

[0014] 5)进行直角切削实验

[0015] 将直线电机2反向运行一段距离，使其动子距离刀具9的距离超过其动子加速距离；设定直线电机2的速度作为直角切削实验的切削速度，启动直线电机，完成直角切削实验。

[0016] 本发明的有益效果是通过使用三轴磨床对样件进行预处理，去除样件初始面下损伤区域，并使其待加工表面具有高平面度；利用超景深显微装置进行精确对刀从而保证实际切深与实验预设值相同，提高了直角切削实验精度。本发明涉及的装置简单，操作容易。

附图说明

[0017] 图1一种提高碳纤维复合材料直角切削实验精度的方法所使用的装置，其中：1—床身，2—直线电机，3—样件夹具，4—样件，5—三轴磨床，6—微位移平台，7—测力仪，8—刀具夹具，9—刀具，10—超景深显微装置。

具体实施方式

[0018] 下面结合技术方案和附图详细说明本发明的具体实施。

[0019] 在附图1中，床身1上安装有直线电机2、微位移平台6以及超景深显微装置10。样件4通过样件夹具3装夹，安装在直线电机2的动子上。实验时，直线电机2的动子搭载样件4经过三轴磨床5完成预处理，通过超景深显微装置10对实际切深进行测量，通过调节微位移平台6对实际切深进行调节使其与实验预设切深相同。然后重新启动直线电机2，设定其速度作为直角切削速度，完成直角切削实验。直线电机2的速度调节范围是0.1m/s～5m/s，加速度最大为3g，在预处理过程中使用低速用于进给，在直角切削实验中选用高速作为切削速度；三轴磨床5的转速为3000rpm；微位移平台6可沿垂直于直线电机2动子运动的方向调节，用于设定直角切削实验的切深，其行程为0-150μm，开环和闭环的最小分辨率为1μm；测力仪
7安装在刀具夹具8的下方，用于测量直角切削实验中的切削力；超景深显微装置10的视场中心正对刀具9，以便清楚观察直角切削中碳纤维复合材料的成屑过程，其视场大小约为
103μm2。

[0020] 实验方法的具体步骤如下：

[0021] 第一步：搭建实验装置

[0022] 将样件4通过样件夹具3安装在直线电机2的动子上，直线电机2通过T型螺栓与床身1相连；将刀具9通过刀具夹具8安装在测力仪7上，测力仪7通过螺栓安装在微位移平台6上，微位移平台6和超景深显微装置10分别通过T型螺栓安装在床身1上，将三轴磨床5通过T型螺栓与床身1相连。

[0023] 第二步：完成实验设置

[0024] 接通超景深显微装置10的电源，调节其视场使之对准刀具9；接通直线电机2的电源，设定直线电机2动子的运动速度为0.1m/s作为预处理过程的进给速度。调节三轴磨床5，使其加工高度与样件4的高度相同。

[0025] 第三步：采用磨床进行预处理

[0026] 启动三轴磨床5，使其砂轮运转，其转速为3000rpm；启动直线电机2，使其动子以0.1m/s的速度经过三轴磨床5，完成对样件4的磨削预处理。

[0027] 第四步：进行显微对刀

[0028] 当直线电机2动子到达刀具9附近时停止直线电机2，使用超景深显微装置10的测量功能测量刀具9和预处理后的样件4的相对位置，计算出实际切深；通过调节微位移平台6对实际切深进行调整，使之与实验设定切深相同，实验设定的切深为30μm。

[0029] 第五步：进行直角切削实验

[0030] 将直线电机2反向运行一段距离，约150mm，将直线电机2的速度设定为2m/s作为直角切削实验的切削速度，启动直线电机，完成直角切削实验。

[0031] 通过本发明可以提高碳纤维复合材料直角切削实验的实验精度。先通过对碳纤维复合材料样件进行磨削预处理，去除初始面下损伤区域，并使其待加工表面具有高平面度；再通过使用超景深显微装置对实际切深进行测量，并通过调节微位移平台对实际切深进行调整，使之与实验设定切深相同。本发明涉及的装置简单，操作容易，能有效提高碳纤维复合材料直角切削实验的实验精度。