本發(fā)明屬于微觀切削領(lǐng)域，涉及一種碳纖維復(fù)合材料加工中受支撐作用單束纖維切削細(xì)觀形態(tài)變化的實(shí)驗(yàn)方法。

背景技術(shù)：

由于碳纖維復(fù)合材料的高強(qiáng)度、高剛度、抗疲勞等優(yōu)點(diǎn)，使得碳纖維復(fù)合材料在航空航天、交通運(yùn)輸?shù)裙I(yè)領(lǐng)域受到極大的歡迎。雖然碳纖維復(fù)合材料等復(fù)合材料零件大都采用直接成型法制造，但是為了達(dá)到尺寸和裝配要求，獲得更好的表面質(zhì)量，還需要采用銑削、磨削、鉆削等方法進(jìn)行加工。在加工過程中，碳纖維復(fù)合材料的不均勻性和各向異性使得加工非常困難，會(huì)出現(xiàn)毛刺、纖維拔出、分層等加工缺陷。碳纖維復(fù)合材料切削的實(shí)質(zhì)是切削刃對(duì)纖維、基體及其界面的作用，去除過程表現(xiàn)為組成相的微觀破壞至宏觀切屑形成的演化過程，因此首先需要從微觀層面研究碳纖維在受支撐作用下變形及其斷裂形態(tài)影響，以及切削刃鈍圓半徑對(duì)切削復(fù)合材料中碳纖維斷裂形態(tài)的影響。

目前，國內(nèi)還沒有人專門研究碳纖維復(fù)合材料中受支撐狀態(tài)下的碳纖維切削變形，以及切削刃鈍圓半徑大小對(duì)碳纖維斷裂形態(tài)的影響。但是，碳纖維微觀斷裂形態(tài)對(duì)碳纖維復(fù)合材料加工過程中缺陷形成又至關(guān)重要，因此，需要對(duì)碳纖維復(fù)合材料的微觀加工過程進(jìn)行研究，本發(fā)明在微觀上，提出可觀測(cè)的受支撐約束的條形碳纖維切削實(shí)驗(yàn)方法，研究切削刃鈍圓半徑的變化對(duì)纖維變形及其斷裂機(jī)理的影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決目前還不能在切削碳纖維復(fù)合材料的過程中微觀觀測(cè)材料去除機(jī)理的問題，發(fā)明一種研究加工碳纖維復(fù)合材料去除機(jī)理的實(shí)驗(yàn)方法，該發(fā)明將復(fù)雜的碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行簡(jiǎn)化，采用碳纖維預(yù)浸料和樹脂固化形成樣件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以工作臺(tái)為基礎(chǔ)部件，在其上安裝直線電機(jī)裝置，樣件和磨削裝置和觀測(cè)裝置，通過對(duì)條形預(yù)浸料進(jìn)行微米級(jí)微觀切削，利用顯微攝像頭觀察其切削過程，并通過測(cè)量其切削力揭示碳纖維復(fù)合材料的去除機(jī)理。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種研究加工碳纖維復(fù)合材料去除機(jī)理的實(shí)驗(yàn)方法，該實(shí)驗(yàn)方法利用特定的制作工藝制作符合實(shí)驗(yàn)要求的樣件和切削刃鈍圓；利用三向測(cè)力儀3實(shí)時(shí)測(cè)出切削過程中的力；利用顯微攝像頭9觀察在切削過程中纖維形態(tài)的變化；通過微米進(jìn)給機(jī)構(gòu)15實(shí)現(xiàn)微米級(jí)切深；通過更換刀柄4上的機(jī)夾三角形刀片7，完成不同切削刃鈍圓半徑的實(shí)驗(yàn)；通過控制直線電機(jī)14的速度，達(dá)到不同切削速度的實(shí)驗(yàn)?zāi)康模粚?shí)驗(yàn)方法的具體步驟如下：

第一步，制備碳纖維預(yù)浸料切削實(shí)驗(yàn)樣件10，制作工藝如下：

1.1)先制作用于固化碳纖維預(yù)浸料切削樣件的模具，所述的模具包含模具框架17和模具底板18，由密封膠粘接；模具框架17的短邊兩側(cè)各有四條寬度為0.2mm的窄縫，窄縫寬度與碳纖維預(yù)浸料厚度相同，且模具框架17兩側(cè)的每?jī)蓷l窄縫在同一直線上；

1.2)將碳纖維預(yù)浸料裁剪成條形碳纖維預(yù)浸料19，在常溫下讓其固化；所述的條形碳纖維預(yù)浸料19長(zhǎng)度與模具長(zhǎng)邊長(zhǎng)度相同；條形碳纖維預(yù)浸料19厚度與窄縫寬度相同；條形碳纖維預(yù)浸料19寬度為1mm。

1.3)將步驟1.2)固化后的條形碳纖維預(yù)浸料19放入模具框架17的窄縫中，條形碳纖維預(yù)浸料19端部用密封膠與窄縫粘接密封，再將樹脂和固化劑按4：1的比例混合攪勻后倒入模具中進(jìn)行固化，當(dāng)樹脂上表面與模具上表面齊平時(shí)停止倒入樹脂和固化劑；用超聲清洗器除去固化過程中產(chǎn)生的氣泡，固化結(jié)束后，樣件10制備完成，將樣件10取出。所述的樹脂是環(huán)氧樹脂，固化劑是環(huán)氧樹脂固化劑。

第二步，刃磨三角形機(jī)夾刀片7，使其切削刃鈍圓符合條件

采用萬能工具磨床刃磨三角形機(jī)夾刀片7，刃磨過程中用超景深顯微鏡測(cè)量三角形機(jī)夾刀片7的切削刃鈍圓的輪廓，再經(jīng)過最小二乘圓擬合等數(shù)據(jù)處理方法得到切削刃鈍圓的半徑，雖然不能一次達(dá)到所需要的切削刃鈍圓半徑，但是采用刃磨-觀測(cè)-修磨-再觀測(cè)的重復(fù)刃磨方式，當(dāng)切削刃鈍圓的半徑達(dá)到5-10微米，停止刃磨。

第三步，在工作臺(tái)上安裝刀具

將三向測(cè)力儀3通過壓板機(jī)構(gòu)固定在工作臺(tái)1上，三向測(cè)力儀3用于采集切削力；刀柄通過螺栓固定在三向測(cè)力儀3上；三角形機(jī)夾刀片7通過壓緊螺栓5和壓板6安裝在刀柄4上，三角形機(jī)夾刀片7用于切削樣件10；

第四步，在工作臺(tái)上和磨削裝置

將電動(dòng)機(jī)12固定安裝在工作臺(tái)1上，砂輪13安裝在電動(dòng)機(jī)12上，砂輪(13)用于磨削樣件10，保證樣件10端面平整；直線電機(jī)14通過螺栓固定在工作臺(tái)(1)上；所述的砂輪13到直線電機(jī)14的距離與三角形機(jī)夾刀片7的刀尖到直線電機(jī)14的距離相等，且砂輪13和三角形機(jī)夾刀片7的刀尖在同一平面內(nèi)；

第五步，安裝樣件

將樣件10放入工件夾具11中，工件夾具11通過螺栓固定在微米進(jìn)給機(jī)構(gòu)15上，微米進(jìn)給機(jī)構(gòu)15通過螺釘固定在直線電機(jī)工作臺(tái)16上，用于控制切削樣件10的切削深度。

第六步，安裝觀測(cè)裝置

將豎直導(dǎo)軌2和直線電機(jī)14均固定安裝在工作臺(tái)1上，二者位于三向測(cè)力儀3的兩側(cè)，保證三向測(cè)力儀3的端面與直線電機(jī)14的導(dǎo)軌平行，直線電機(jī)14用于帶動(dòng)樣件10沿直線運(yùn)動(dòng)；所述的滑動(dòng)支架8通過兩個(gè)燕尾形導(dǎo)軌與豎直導(dǎo)軌2滑動(dòng)連接，滑動(dòng)支架8能夠固定在豎直導(dǎo)軌2的任一位置；所述的顯微攝像頭9安裝在滑動(dòng)支架8上，顯微攝像頭9與三角形機(jī)夾刀片7的刀尖對(duì)齊，用于觀察切削刃切削樣件10時(shí)碳纖維的形態(tài)變化；

第七步，對(duì)樣件10進(jìn)行切削

6.1)每次切削樣件10之前，用砂輪13將樣件10的端部磨削，保證樣件10端面平整；

6.2)通過微米進(jìn)給機(jī)構(gòu)15調(diào)整樣件10與三角形機(jī)夾刀片7的位置，達(dá)到預(yù)定的切削深度；接通顯微攝像頭9和三向測(cè)力儀3的電源，啟動(dòng)直線電機(jī)14開始切削；切削過程中通過顯微攝像頭9觀察條形碳纖維預(yù)浸料19中纖維形態(tài)變化，同時(shí)讀取三向測(cè)力儀3記錄數(shù)據(jù)，完成切削力的采集；

6.3)更換樣件10或者三角形機(jī)夾刀片7的時(shí)候，重復(fù)步驟4.1)和步驟4.2)。

最后通過纖維形態(tài)變化和切削力可以總結(jié)出加工由碳纖維預(yù)浸料和樹脂固化形成的樣件10的去除機(jī)理；由于碳纖維復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，為了更好的觀察切削過程中碳纖維形態(tài)的變化，簡(jiǎn)化成碳纖維預(yù)浸料和樹脂固化形成的樣件10，既可以表征受支撐作用的碳纖維切削狀態(tài)，又同時(shí)解決直接切削單束碳纖維切削力難以觀測(cè)的難題，通過樣件10的去除研究，可以獲得碳纖維受支撐作用下變形方式與破壞模式，進(jìn)而推出碳纖維復(fù)合材料的去除機(jī)理。

本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明將微觀結(jié)構(gòu)復(fù)雜的復(fù)合材料用條形碳纖維預(yù)浸料19和固化劑形成的樣件10來代替，既表征受支撐作用的碳纖維在位切削狀態(tài)，又解決直接切削單束碳纖維切削力難以觀測(cè)的難題；實(shí)現(xiàn)微米級(jí)微觀切削，同時(shí)，借助顯微攝像頭9可直接觀察切削過程中碳纖維的變形和破壞過程，有利于觀察碳纖維在切削過程中的形態(tài)變化和破壞模式，三向測(cè)力儀3測(cè)出力的大小，可以方便的得出復(fù)合材料碳纖維的去除機(jī)理和預(yù)測(cè)微觀切削力。將觀察切削過程中受支撐作用的纖維形態(tài)變化與力的測(cè)量合為一體，效率高，能夠滿足研究切削過程中纖維形態(tài)變化的需求。本發(fā)明實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單，可靠性高，實(shí)驗(yàn)效率高，裝置的安裝和定位方便。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)圖；

圖2為碳纖維預(yù)浸料制作模具示意圖；

圖3刀具部分示意圖；

其中：1工作臺(tái)，2豎直導(dǎo)軌，3三向測(cè)力儀，4刀柄，5壓緊螺栓，6壓板，7三角形機(jī)夾刀片，8滑動(dòng)支架，9顯微攝像頭，10樣件，11工件夾具，12電動(dòng)機(jī)，13砂輪，14直線電機(jī)，15微米進(jìn)給機(jī)構(gòu)，16直線電機(jī)工作臺(tái)，17模具框架，18模具底板，19條形碳纖維預(yù)浸料。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的具體實(shí)施。

實(shí)驗(yàn)方法的具體步驟如下：

第一步制備樣件10

制作工藝如下：先制作用于固化碳纖維預(yù)浸料切削實(shí)驗(yàn)樣件的圖2所示的模具，其包含模具框架17和模具底板18，由密封膠粘接；模具框架的長(zhǎng)是106mm，寬是46mm，壁厚是3mm，模具框架17的短邊兩側(cè)各有四條寬度為0.2mm的窄縫，同一側(cè)每?jī)蓚€(gè)窄縫相距10mm，窄縫寬度與碳纖維預(yù)浸料厚度相同，且模具框架17兩側(cè)的每?jī)蓷l窄縫在同一直線上。

將碳纖維預(yù)浸料裁剪成長(zhǎng)度為106mm，寬度為1mm的條形碳纖維預(yù)浸料19，并在常溫下讓其固化。所述的條形碳纖維預(yù)浸料19長(zhǎng)度與模具長(zhǎng)邊長(zhǎng)度相同；條形碳纖維預(yù)浸料19厚度與窄縫寬度相同。把固化的條形碳纖維預(yù)浸料放入窄縫中，端部用密封膠粘接密封；將樹脂和固化劑按4:1的比例混合攪勻后倒入模具中進(jìn)行固化，當(dāng)樹脂上表面與模具上表面齊平時(shí)停止倒入樹脂和固化劑；用超聲清洗器除去固化過程中產(chǎn)生的氣泡，固化結(jié)束后，將樣件10取出，則樣件10制備完成；

第二步，刃磨三角形機(jī)夾刀片7，使其切削刃鈍圓符合條件，刀具示意圖如圖3所示

刃磨工藝如下：用萬能工具磨床來刃磨三角形機(jī)夾刀片7，刃磨過程中用超景深顯微鏡測(cè)量三角形機(jī)夾刀片7的切削刃鈍圓的輪廓，再經(jīng)過最小二乘圓擬合等數(shù)據(jù)處理方法得到切削刃鈍圓的半徑。由于不能一次達(dá)到所需要的切削刃鈍圓半徑，因此采用刃磨-觀測(cè)-修磨-再觀測(cè)的重復(fù)刃磨方式，當(dāng)切削刃鈍圓的半徑達(dá)到5-10微米，停止刃磨。

第三步在工作臺(tái)上安裝刀具部分、磨削裝置

將三向測(cè)力儀3通過壓板機(jī)構(gòu)固定在工作臺(tái)1上，刀柄通過螺栓固定在三向測(cè)力儀3上，三角形機(jī)夾刀片7通過壓緊螺栓5和壓板6安裝在刀柄4上，要保證三向測(cè)力儀3的端面與直線電機(jī)14的導(dǎo)軌平行；通過壓板機(jī)構(gòu)把電動(dòng)機(jī)12固定在工作臺(tái)1上，砂輪13通過螺釘連接在電動(dòng)機(jī)12上，要保證砂輪13和三角形機(jī)夾刀片7的刀尖在同一平面內(nèi)。

第四步安裝樣件10

直線電機(jī)14通過螺栓固定在工作臺(tái)1上，微米進(jìn)給機(jī)構(gòu)15通過螺釘固定在直線電機(jī)工作臺(tái)16上，樣件10放入工件夾具11中，工件夾具11通過螺栓固定在微米進(jìn)給機(jī)構(gòu)15上。

第五安裝觀測(cè)裝置

豎直導(dǎo)軌2固定安裝在工作臺(tái)1上，位于三向測(cè)力儀3一側(cè)；所述的直線電機(jī)14位于三向測(cè)力儀3另一側(cè)，所述的三向測(cè)力儀3的端面與直線電機(jī)14的導(dǎo)軌平行；滑動(dòng)支架8通過兩個(gè)燕尾形導(dǎo)軌與豎直導(dǎo)軌2滑動(dòng)連接，滑動(dòng)支架8能夠固定在豎直導(dǎo)軌2的任一位置。顯微攝像頭9安裝在滑動(dòng)支架8上，顯微攝像頭9與三角形機(jī)夾刀片7的刀尖對(duì)齊。

本發(fā)明的工作過程為：?jiǎn)?dòng)直線電機(jī)14，將樣件10調(diào)整到砂輪13處，用砂輪13將樣件10的端部磨削平整，通過微米進(jìn)給機(jī)構(gòu)15調(diào)整樣件10與三角形機(jī)夾刀片7的位置，達(dá)到預(yù)定的切削深度；接通顯微攝像頭9、三向測(cè)力儀3和直線電機(jī)14的電源，開始切削，通過顯微攝像頭9可以觀察切削過程中纖維的變形和破壞過程，同時(shí)可以讀取三向測(cè)力儀3記錄的數(shù)據(jù)，完成切削力的采集。

上述實(shí)驗(yàn)方法基于以下實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)，該實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，包括工作臺(tái)1、刀具部分、磨削裝置、樣件10、觀測(cè)裝置及其他附屬機(jī)構(gòu)；所述的樣件10由碳纖維預(yù)浸料和樹脂固化形成。

所述的刀具部分包括刀柄4、壓緊螺栓5、壓板6和三角形機(jī)夾刀片7。所述的三向測(cè)力儀3通過壓板機(jī)構(gòu)固定在工作臺(tái)1上，刀柄4通過螺栓固定在三向測(cè)力儀3上，三向測(cè)力儀3用于采集切削力。所述的三角形機(jī)夾刀片7通過壓緊螺栓5和壓板6安裝在刀柄4上，三角形機(jī)夾刀片7用于切削樣件。

所述的磨削裝置包括電動(dòng)機(jī)12和砂輪13。所述的電動(dòng)機(jī)12固定安裝在工作臺(tái)1上，砂輪13通過螺釘安裝在電動(dòng)機(jī)12上，電動(dòng)機(jī)12用于給砂輪提供動(dòng)力，砂輪13用于磨削樣件，保證樣件端面的平整性；所述的砂輪13到直線電機(jī)14的距離與三角形機(jī)夾刀片7的刀尖到直線電機(jī)14的距離相等，要保證砂輪13和三角形機(jī)夾刀片7的刀尖在同一平面內(nèi)。

所述的觀測(cè)裝置包括豎直導(dǎo)軌2、滑動(dòng)支架8和顯微攝像頭9。所述的豎直導(dǎo)軌2固定安裝在工作臺(tái)1上，位于三向測(cè)力儀3一側(cè)；所述的直線電機(jī)14通過螺栓固定安裝在工作臺(tái)1上，位于三向測(cè)力儀3另一側(cè)，所述的三向測(cè)力儀3的端面與直線電機(jī)14的導(dǎo)軌平行；滑動(dòng)支架8通過兩個(gè)燕尾形導(dǎo)軌與豎直導(dǎo)軌2滑動(dòng)連接，滑動(dòng)支架8能夠固定在豎直導(dǎo)軌2的任一位置。所述的顯微攝像頭9安裝在滑動(dòng)支架8上，顯微攝像頭9與三角形機(jī)夾刀片7的刀尖對(duì)齊，顯微攝像頭9用于觀察切削刃切削樣件10時(shí)碳纖維的形態(tài)變化。

所述的附屬機(jī)構(gòu)包括三向測(cè)力儀3、工件夾具11、直線電機(jī)14、微米進(jìn)給機(jī)構(gòu)15和直線電機(jī)工作臺(tái)16。所述的微米進(jìn)給機(jī)構(gòu)15通過螺釘固定在直線電機(jī)工作臺(tái)16上，樣件10放入工件夾具11中，工件夾具11通過螺栓固定在微米進(jìn)給機(jī)構(gòu)15上，微米進(jìn)給機(jī)構(gòu)15用于控制切削樣件10的切削深度，直線電機(jī)14用于帶動(dòng)樣件10沿直線運(yùn)動(dòng)，工件夾具11用于固定樣件10。

通過本發(fā)明可完成碳纖維預(yù)浸料微觀切削實(shí)驗(yàn)，可完成對(duì)碳纖維復(fù)合材料微觀切削機(jī)理的研究。通過微米進(jìn)給機(jī)構(gòu)15和直線電機(jī)14的調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)在不同切削深度、不同切削速度下對(duì)碳纖維預(yù)浸料的切削實(shí)驗(yàn)；通過更換不同的刀具，可探究刀具前角、后角、鈍圓半徑對(duì)切削力的影響；通過對(duì)顯微攝像頭9的合理配置，可實(shí)現(xiàn)對(duì)微米級(jí)切削過程的實(shí)時(shí)觀察；通過讀取三向測(cè)力儀3的數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)切削力的準(zhǔn)確測(cè)量，為理論及模型分析提供充分的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。