專利名稱：蜂窩類柔性材料銑削力測定方法及其裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種蜂窩類柔性材料銑削力測定方法及其裝置。
背景技術：
蜂窩芯材料是一種先進的復合材料，具有輕質(zhì)、高強、密度低等優(yōu)點而且根據(jù)需要可以在較大范圍內(nèi)按照密度進行選擇與調(diào)整，以Nomex蜂窩為芯材制成的夾層結(jié)構件，其比強度、比剛度約為鋼材的9倍。同時蜂窩材料具有耐腐蝕、抗沖擊、抗疲勞、吸收振動能量和熱穩(wěn)定性好以及優(yōu)良的絕緣性能和透電磁波等一系列優(yōu)良特性。蜂窩芯材料的應用首先是從航天航空領域開始的，從其投入應用以來有三件標志性的歷史事件。第一件是美國的一架八座商用飛機--里爾芳2100號，這架飛機僅重567kg，它以結(jié)構小巧、重量輕而稱奇于世；第二件是哥倫比亞號航天飛機；第三件是波音-767大型客機。蜂窩芯材料在這幾個飛行器上的成功應用，表明了蜂窩芯材料良好的使用性能和制造技術的成熟，這對于復合材料在重要工程結(jié)構上的應用是一個極大的推動。
伴隨著航空航天等軍事工業(yè)的發(fā)展，以及在航空航天領域所取得的巨大成功，蜂窩芯結(jié)構作為一種新型的結(jié)構復合材料，其應用數(shù)量和應用范圍也日益增加。在建筑行業(yè)，采用蜂窩夾芯結(jié)構做墻體，可以大大減輕地震導致的人員死亡和財產(chǎn)損失；在汽車工業(yè)中，蜂窩芯材料主要應用于車身外蒙皮、車身結(jié)構、車架結(jié)構、保險杠、座椅、車門等處；在船舶工業(yè)中，采用蜂窩芯材料作艙壁以減少船重，改善船的靈活性和穩(wěn)定性；新一代高速火車車廂正在逐步采用蜂窩芯結(jié)構，取代FRP、鋼板、鋁板。意大利新一代ETR460、470、500高速火車，采用Hexcel公司提供的Hexlite310蜂窩芯材料制造車廂的側(cè)板、頂板和行李間等，從而使車廂重量由原來12噸/節(jié)減至4噸/節(jié)，降低了車廂的重心以及車軸、軌道的負荷，使得仍在沿用舊軌道行駛時達到高速目標(ERT500車的速度大于200km/h)，并且有效地減少動力消耗及維修費用。
蜂窩芯材料作為一種新型的復合材料，由于其獨特的外形結(jié)構和特殊的各向異性力學性能，在銑削加工過程中的變形也與普通金屬材料的變形有很大不同，圖1所示為采用傳統(tǒng)四周約束時蜂窩芯零件的銑削變形情況，所以在高速銑削加工成形過程中蜂窩芯材料所采用的固持方法也完全不同于普通的金屬材料，目前國內(nèi)主要采用的方法有以下四種(1)聚7二醇法(2)雙面粘結(jié)帶法
(3)隔膜法(4)浙江大學提出的磁場和摩擦吸附法(發(fā)明專利ZL01135679.0)。采用第一種方法時由于殘留于蜂窩芯材料上的聚乙二醇很難去除，所以在實際使用時應用較少；采用第二種和第三種方法時由于固持力不夠，在高速銑削加工過程中經(jīng)常發(fā)生過切現(xiàn)象，造成加工零件的報廢；采用第四種方法時由于銑削力難以確定，在固持平臺的設計時采用了很大的安全系數(shù)，使得固持平臺的成本居高不下。所以準確的得到蜂窩芯材料在高速銑削時的銑削力大小對于可靠、穩(wěn)定的固持蜂窩芯材料和更加經(jīng)濟的設計固持平臺有重要的意義。
另一方面，由于蜂窩芯材料獨特的外形結(jié)構和力學性能參數(shù)，目前，還很難在計算機上準確地模擬得到蜂窩芯材料在高速銑削時所受到的銑削力。國內(nèi)在進行蜂窩芯材料高速銑削時，加工參數(shù)的制定尚沒有一套確定的依據(jù)標準，只是能夠加工就可以了，沒有進行優(yōu)化，也沒有任何可以進行優(yōu)化的依據(jù)?，F(xiàn)在國內(nèi)蜂窩芯材料的銑削多數(shù)采用進口刀具，每一把刀具的價格在6000元左右，按照目前的加工參數(shù)進行銑削加工時，由于切削用量，進給參數(shù)不合理，刀具磨損非常嚴重，以方向舵零件為例，每加工一個零件至少需要消耗兩把刀具，加工成本非常高。所以準確測定蜂窩芯材料高速銑削時的銑削力對于制定合理的銑削參數(shù)，優(yōu)化銑削加工工藝也有重要的意義。
目前，廣泛應用的銑削力測定儀(如kistler銑削力測定儀)主要適用于金屬材料銑削力的測定，對蜂窩類柔性材料并不適用。因為，采用傳統(tǒng)的銑削力測定儀進行銑削力測定時首先要將蜂窩芯材料剛性的固定于測定平臺上，在這種條件下進行測定時，其實已經(jīng)改變了蜂窩芯材料的力學性能，將蜂窩芯材料的固定面進行了鋼化處理，這時測得的銑削力為蜂窩芯材料銑削時所受到的整體的，總的銑削力，不能得到局部的最大銑削力值，也不能真實的反應蜂窩芯材料的銑削變形。不能為蜂窩芯材料的固持以及加工參數(shù)的制定、優(yōu)化提供準確的依據(jù)，所以尋找一種新的能夠測定出蜂窩芯材料局部銑削力最大值及變形區(qū)域分布的測定方法顯得非常迫切。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種蜂窩類柔性材料銑削力測定方法及其裝置。
蜂窩類柔性材料的銑削力測定方法的步驟為1)首先將測定平臺的n×n個獨立的測定單元(2)位移全部歸零；2)將待測定板狀蜂窩芯材料固持于測定平臺的n×n個獨立的測定單元(2)上表面；3)將固持有待測定板狀蜂窩芯材料的測定平臺放置于高速銑床工作臺面上進行銑削加工；4)利用數(shù)據(jù)采集卡自帶的數(shù)據(jù)存儲和顯示功能，通過計算機顯示、讀取和存儲測定結(jié)果。
蜂窩類柔性材料的銑削力測定裝置具有相連接的銑削力測定平臺、數(shù)據(jù)采集卡；銑削力測定平臺具有底座，在底座上固定有n×n個獨立的測定單元，測定單元具有階梯形支架，階梯形支架的基座上開有PSD光電感應器固定板固定槽，在固定槽上固定有PSD光電感應器固定板，在PSD光電感應器固定板上固定有PSD光電感應器，在階梯形支架上固定有可調(diào)彈簧，在可調(diào)彈簧上端固定有階梯形固持板，在階梯形固持板中心設有待測定蜂窩類柔性材料固持孔，在階梯形固持板上設有激光器固定桿，在激光器固定桿固定有激光器。
本發(fā)明的優(yōu)點1)可以測定蜂窩類柔性材料在高速銑削過程中材料整體所受到的銑削力大小；2)可以測定蜂窩類柔性材料在高速銑削過程中材料局部的最大銑削力值；3)可以測定蜂窩類柔性材料在高速銑削過程中特定固持條件下，材料局部的最大變形量；4)可以測定蜂窩類柔性材料在高速銑削過程中特定固持條件下材料變形的區(qū)域分布；5)可以同時得到蜂窩類柔性材料在高速銑削過程中的變形區(qū)域分布和銑削力的分布；


圖1是蜂窩類柔性材料銑削力影響區(qū)域變形等值線圖；圖2是蜂窩類柔性材料銑削力測定裝置示意圖；圖3是蜂窩類柔性材料銑削力測定裝置測定平臺示意圖；圖4是本發(fā)明測定平臺中測定單元示意圖；圖5是本發(fā)明測定平臺中測定單元剖面示意圖；圖中底座1、測定單元2、蜂窩固持板3、可調(diào)彈簧4、PSD光電感應器5、PSD光電感應器固定板6、支架7、蜂窩固持孔8、激光器9。
具體實施例方式
蜂窩類柔性材料的銑削力測定裝置具有相連接的銑削力測定平臺、數(shù)據(jù)采集卡；銑削力測定平臺具有底座1，在底座上固定有n×n個獨立的測定單元2，測定單元具有階梯形支架7，階梯形支架的基座上開有PSD光電感應器固定板固定槽，在固定槽上固定有PSD光電感應器固定板6，在PSD光電感應器固定板上固定有PSD光電感應器5，在階梯形支架上固定有可調(diào)彈簧4，在可調(diào)彈簧上端固定有階梯形固持板3，在階梯形固持板中心設有待測定蜂窩類柔性材料固持孔8，在階梯形固持板上設有激光器固定桿，在激光器固定桿固定有激光器9。
本發(fā)明利用這種測定方法可以準確測定蜂窩類柔性材料高速銑削時的銑削力合力，銑削力的分布區(qū)域，材料局部所受到的最大銑削力以及材料加工變形的分布區(qū)域。
這種銑削力、銑削變形測定方法與現(xiàn)在常用測定方法的最大不同就是對柔性材料的適應性，可以直接測定出柔性材料在銑削過程中的變形區(qū)域分布，以及銑削加工過程中隨零件厚度(高度)變化時局部最大銑削力的變化情況，可以為固持力的確定和加工工藝參數(shù)的優(yōu)化提供直接的、準確的依據(jù)。
傳統(tǒng)的銑削力測定方法可以滿足金屬等整體剛性較好材料的銑削力測定，而對于蜂窩類柔性材料，由于材料本身具有明顯的各向異性以及材料的不連續(xù)性，使得在與蜂窩孔格軸線垂直的方向，蜂窩芯材料具有很強的能量吸收作用，這就導致蜂窩芯材料局部受到的銑削力無法完全的，準確的傳遞到傳統(tǒng)銑削力測定裝置上，最終導致所檢測到的銑削力數(shù)值遠遠小于實際的銑削力值。
為了適應蜂窩類柔性材料的外形結(jié)構及力學特點，本發(fā)明采用分區(qū)域多點同時采樣的方法確定蜂窩芯材料在高速銑削過程中的銑削力分布和加工變形區(qū)域分布，通過這種方法可以確定蜂窩芯材料局部的最大銑削力值和最大的銑削變形量。采用這種方法可以同時得到所有測量點的變形情況和測量點的銑削力大小，在計算機上以三維圖形的方式顯示。采樣的頻率可以控制。整個測定平臺由N×N個測定單元組成，測定單元與蜂窩芯材料的連接在保證可靠固持的條件下，將接觸面積控制在盡量小的區(qū)域。
在這種測定方法中，材料變形量的測定是通過位置傳感器得到的，位置傳感器采用了PSD光電感應器光電套件，可以精確的測定材料受到銑削力后的位置變化量，即變形量。
在這種測定方法中，銑削力的值是通過彈性測力裝置測得的，彈性測力裝置是由彈性系數(shù)確定的特制彈簧組成，通過位置傳感器得到變形量，然后由虎克定律可以求得銑削力的大小。
蜂窩類柔性材料銑削力測定方法是為了滿足特殊的柔性材料銑削力測定要求而提出的，整個測定系統(tǒng)由測定平臺、數(shù)據(jù)采集卡組成，如圖2所示。數(shù)據(jù)采集卡是對PSD光電感應器光電傳感器所產(chǎn)生的位置電壓信號進行采集，這部分采用通用的PCI數(shù)據(jù)采集卡DAQ-2010，將PSD光電感應器的位置電壓量轉(zhuǎn)化為銑削力數(shù)值和變形量數(shù)值，生成可以讀取的數(shù)據(jù)文件，同時進行屏幕顯示，這部分可以采用PCI數(shù)據(jù)采集卡DAQ-2010自帶的后處理軟件，或者是自編的數(shù)據(jù)接口程序。在整個測定系統(tǒng)中，與傳統(tǒng)測定方法具有明顯不同的是測定平臺的結(jié)構。
測定平臺結(jié)構如圖3所示，圖中的測定平臺由底座和9×9個測定單元組成，在測定過程中可以根據(jù)蜂窩芯零件實際的大小調(diào)整測定單元的數(shù)量。所有的測定單元都安裝在底座上。測定單元結(jié)構如圖4和5所示，由蜂窩固持板和支架兩個獨立的主要部分組成。在支架上安裝有兩個PSD光電感應器光電位移傳感器，在蜂窩固持板上安裝有兩個與PSD光電感應器相對應的激光發(fā)生器。由于每一組PSD光電感應器只能檢測到兩個方向的位移量，其中的一個可以檢測到X向和Z向的位置變化量，另一個可以檢測到Y(jié)向和Z向的位置變化量，通過這兩組PSD光電感應器光電套件完全可以確定測定點在空間X向、Y向和Z向的位置變化量。每一個測定單元的支架都與測定平臺的底座相連。測定單元的支架與蜂窩固持板是通過可調(diào)彈簧聯(lián)結(jié)的。蜂窩固持板通過固持孔與蜂窩芯材料粘結(jié)。在測定過程中，每一個測定單元的支架與底座固定，保持相對靜止，蜂窩芯材料與蜂窩固持板相連，當蜂窩芯材料在高速銑削過程中受到銑削力的作用產(chǎn)生變形時，蜂窩芯材料將帶動蜂窩固持板一起運動，從而帶動激光器隨之運動，這時每組測定單元中固定不動的兩個PSD光電感應器可以確定每個固持點處的位移量，從而達到對整個蜂窩芯材料變形情況的檢測，最終可以得到每一個測定點處的銑削力值。
使用這種測定方法的主要步驟為(1)利用可調(diào)彈簧將所有蜂窩固持板調(diào)整到同一水平位置，并將所有PSD光電感應器位置信號歸零；(2)將待測蜂窩芯材料放置在蜂窩固持板上，通過蜂窩固持孔將蜂窩芯材料與固持板相連；(3)將測定平臺放置在高速銑床工作臺上進行銑削加工；(4)對檢測信號進行處理，顯示測定結(jié)果。
權利要求
1.一種蜂窩類柔性材料的銑削力測定方法，其特征在于，它的步驟為1)首先將測定平臺的n×n個獨立的測定單元(2)位移全部歸零；2)將待測定板狀蜂窩芯材料固持于測定平臺的n×n個獨立的測定單元(2)上表面；3)將固持有待測定板狀蜂窩芯材料的測定平臺放置于高速銑床工作臺面上進行銑削加工；4)利用數(shù)據(jù)采集卡自帶的數(shù)據(jù)存儲和顯示功能，通過計算機顯示、讀取和存儲測定結(jié)果。
2.一種蜂窩類柔性材料的銑削力測定裝置，其特征在于，它具有相連接的銑削力測定平臺、數(shù)據(jù)采集卡；銑削力測定平臺具有底座(1)，在底座上固定有n×n個獨立的測定單元(2)，測定單元具有階梯形支架(7)，階梯形支架的基座上開有PSD光電感應器固定板固定槽，在固定槽上固定有PSD光電感應器固定板(6)，在PSD光電感應器固定板上固定有PSD光電感應器(5)，在階梯形支架上固定有可調(diào)彈簧(4)，在可調(diào)彈簧上端固定有階梯形固持板(3)，在階梯形固持板中心設有待測定蜂窩類柔性材料固持孔(8)，在階梯形固持板上設有激光器固定桿，在激光器固定桿固定有激光器(9)。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種蜂窩類柔性材料的銑削力測定裝置，其特征在于，所述的待測定蜂窩類柔性材料固持孔(8)內(nèi)設有聚乙二醇膠，利用聚乙二醇的固化特性將蜂窩芯材料與測定平臺聯(lián)結(jié)。
4.根據(jù)權利要求2所述的一種蜂窩類柔性材料的銑削力測定裝置，其特征在于，所述的數(shù)據(jù)采集卡采用通用PCI數(shù)據(jù)采集卡DAQ-2010。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種蜂窩類柔性材料銑削力測定方法及其裝置。方法的步驟為1)首先將測定平臺的n×n個獨立測定單元(2)的位移全部歸零；2)將待測定板狀蜂窩芯材料固持于測定平臺中獨立測定單元(2)的上表面；3)將固持有板狀蜂窩芯材料的測定平臺放置于高速銑床工作臺面上進行銑削加工；4)利用數(shù)據(jù)采集卡自帶的數(shù)據(jù)后處理軟件，通過計算機顯示、讀取和存儲測定結(jié)果。裝置具有相連接的銑削力測定平臺、數(shù)據(jù)采集卡；本發(fā)明的優(yōu)點在于1)可以測定蜂窩類柔性材料在高速銑削過程中整體和局部所受到的銑削力大小；2)可以測定蜂窩類柔性材料在高速銑削過程中特定固持條件下，局部的最大變形量以及變形的區(qū)域分布。
文檔編號B23Q17/09GK1727115SQ20051005080
公開日2006年2月1日 申請日期2005年7月21日 優(yōu)先權日2005年7月21日
發(fā)明者劉剛, 柯映林 申請人:浙江大學