内埋热电偶式复合材料加工测温样件制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于切削区温度测量领域，适用于碳纤维增强复合材料钻削、铣削加工等实验中的切削温度的测量。
【背景技术】
[0002]材料切削加工过程中，由于材料自身切削加工性、刀具性能等随温度变化很大，因此，切削区的温度是影响切削加工质量、刀具磨损形式和程度的重要因素。尤其在加工碳纤维增强复合材料中，由于材料本身非均质、低热导性、各向异性明显等特点，导致复材制件加工中极易诱发热损伤。当加工温度高于复材基体玻璃转化温度后，切削热影响加剧，制件损伤突出。复材基体高温下软化粘刀，加工表面质量差。此外切削过程中刀具磨损严重导致频繁换刀，加工效率低下，加工成本偏高。由于复合材料特性的原因很难通过建模仿真的方式研宄复合材料加工温度，实验研宄是最广泛采用的方法。目前，切削实验中测量切削区温度主要通过热电偶、光纤以及红外热像仪测温。上述测温方式，除红外热像仪是非接触式测量，不需要制作测温样件，采用热电偶和光纤测温都是接触式测量，均需根据材料特性等因素制作特殊测温样件，并对测温样件进行切削加工实验，测量实验参数下的切削区温度，指导实际生产。如CN103560204A号专利，清华大学方刚等人发明了“一种金属切削测温用薄膜热电偶及其制备方法”。薄膜热电偶热容量小、反应灵敏。薄膜热电偶往往贴敷于切削样件或者刀具表面，适用于高热导率情况下的金属切削区温度测量实验，由于复合材料热导率低，因而无法应用于碳纤维增强复合材料切削领域。此外采用该发明中的热电偶也只能得到切削刃附近的有效温度数据，而不能精确得到工件与刀尖接触点的可靠温度值。日本东京农工大学的 T.Yashiro 等人在 “Temperature Measurement of Cutting Tool andMachined Surface Layer in Milling of CFRP”一文中采用了内埋热电偶的方式测量铣削碳纤维增强复合材料板切削区温度情况。该方式属于人工热电偶法，直接埋入热电偶获取加工点瞬时温度值，准确度和分辨率高。人工热电偶法的优点在于可以利用标准热电偶，工件材料不同时也不需要进行标定，可获得热电偶与刀尖接触瞬间的温度数据，热电偶切断后测量就停止，但文章中并未提及测温样件制作过程方法和过程。
【发明内容】
[0003]本发明针对现阶段内埋热电偶式测温样件制备方法效果及稳定性差，特别是内埋式热电偶测温仅能获得加工点瞬时温度的不足，发明了一种内埋热电偶式复合材料加工测温样件制备方法。本方法采用将热电偶丝拧转成麻花形式，形成多点接触，且在钻削加工时热电偶露出的金属丝段长度大于加工刀具半径，加工过程中刀具切削刃始终与麻花形热电偶丝保持接触，采用粘接金属与非金属的速干胶针对热电偶丝前端与内埋热电偶的小孔孔底进行预固定，利用高热导率、低导电性胶对热电偶进行二次固定。通过特制热电偶测温样件实现碳纤维增强复合材料加工全过程的温度监测，并获得稳定的温度数据。
[0004]本发明采用的技术方案是一种内埋热电偶式复合材料加工测温样件，其特征是，测温样件制备方法采用先将热电偶丝拧转成麻花形式，采用粘接金属与非金属的速干胶针对热电偶丝前端与内埋热电偶的小孔孔底进行预固定，再利用高热导率、低导电性胶对热电偶进行二次固定工艺；并要求在钻削加工时，热电偶露出的金属丝段长度大于加工刀具半径，制备方法的具体步骤如下:
[0005]I)制作特制热电偶
[0006]在碳纤维增强复合材料样件板I的一侧钻一个内埋热电偶的小孔2 ;将热电偶剥去端部外皮，使剥皮后露出热电偶丝的长度为钻削孔深度的一半以上；将热电偶丝从一端开始拧转，形成多点接触的麻花型，并使最前端金属丝保持接触状态，制成特制热电偶3 ;
[0007]2)在特制热电偶3拧紧的端部涂抹粘接金属与非金属的速干胶4，将特制热电偶3安装到内埋热电偶的小孔2中，使特制热电偶3的端部固定于孔底C处，保证热电偶丝长度A大于孔内外皮长度B;
[0008]3)对内埋热电偶的小孔2内部涂抹高热导率、低导电性胶5，使高热导率、低导电性胶5均匀填充热电偶与孔壁之间的空隙；在内埋热电偶的小孔2热电偶伸出的端面上同样涂抹高热导率、低导电性胶5，进行二次固定；
[0009]4)将测温样件放在室温的环境下，使高热导率、低导电性胶5进行固化，固化8-10小时。
[0010]本发明的效果和益处是:发明了一种内埋热电偶式复合材料加工测温样件制备方法，该方法制作的测温样件热电偶固定效果好，加工过程获得的温度数据稳定，并且通过特制热电偶测温样件可以实现碳纤维增强复合材料加工全过程的温度监测，而不只局限于得到加工点瞬时的温度数据。因此，应用本方法制备的测温样件可测量铣削、钻削等加工实验中切削区的全过程温度。该方法提高了粘接强度，保证在测温加工实验中，获取的温度数据稳定可靠，并提高了刀具使用寿命。
【附图说明】
[0011]图1是复合材料加工测温样件主视图；图2是复合材料加工测温样件剖视图。其中，1-碳纤维增强复合材料样件板，2-内埋热电偶的小孔，3-特制热电偶，4-粘结金属与非金属的速干胶，5-高热导率、低导电性胶，A-端部热电偶丝长度，B-孔内外皮长度，C-孔底。
[0012]图3是钻削碳纤维增强复合材料实验获得的温度数据曲线图，其中，#1、#2、#3、#4、#5分别为第一次、第二次、第三次、第四次、第五次实验温度数据曲线。
【具体实施方式】
[0013]以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的【具体实施方式】。内埋热电偶式复合材料加工样件的制备方法是:首先裁切30mmX 20mm大小的碳纤维增强复合材料样件板1，厚度为3_。在碳纤维增强复合材料样件板I 一侧钻削直径为1.6_、孔深为10_的内埋热电偶的小孔2，小孔中心位于该面正中央处。孔的轴线与上下底面和左右侧面平行。剥去热电偶端部的外皮，露出热电偶金属丝的长度略大于5mm，从金属丝端部开始，将热电偶丝拧紧在一起，使得热电偶丝形成多点接触，并且热电偶丝端部保持接触。同时，满足端部热电偶丝长度A大于孔内外皮长度B，制成特制的热电偶3。
[0014]在距离特制的热电偶3顶端1mm处的塑料外皮上作好标记，在特制的热电偶3的端部涂抹496型速干胶，将特制的热电偶3装入样件板一侧的内埋热电偶的小孔2内，特制的热电偶顶端接触孔底C，进行预固定。为了保证在孔深方向上热电偶丝不打弯，深入小孔的热电偶的长度不应超过标记处长度。利用细针状特殊工具深入小孔涂抹混合好的高热导率、低导电性环氧树脂胶水，使得胶水均匀填充特制的热电偶与孔壁之间的间隙，在特制的热电偶3伸出处端面上同样涂抹环氧树脂胶水，增强热电偶与样件间的粘结强度，保证加工中测温数据的稳定性。在稍高于室温的环境下进行环氧树脂胶水固化，固化时间为10小时。
[0015]热电偶与样件固化粘接好后，进行钻削加工测温实验。当进行钻削加工测温实验，端部热电偶丝长度A要大于所使用钻头刀具直径的1/2 ;钻削实验采用Φ6πιπι麻花钻，钻头中心线对准热电偶最前端位置，通过热电偶测温仪连接PC上位机记录加工温度数据。实验在Mikron HSM500加工中心中进行，主轴转速3000r/min，进给量20mm/min。钻削实验共进行5组，其中，#1、#2、#3曲线为测温样件在制作过程中进行了预固定，做的第一次、第二次、第三次实验数据曲线，#4、#5曲线为测温样件在制作过程中不进行预固定，直接采用普通速干502胶水粘接做的第四次、第五次实验数据曲线，如图3所示。
[0016]对温度数据进行分析，采集到的#1、#2、#3实验数据曲线温度较为稳定，得到了钻削加工中钻头刀刃与测试样件接触点的全过程温度，反映了真实加工情况。在加工中，由于钻削力作用的存在，进行第四次和第五次实验时，由于测温样件在制作过程中不进行预固定，热电偶从小孔中被弹飞，测量得到的#4、#5实验数据曲线温度偏低，无法得到加工刀具接触点实际温度数据。因此，仅使用普通胶作为粘结将无法保证测温样件的稳定性。而本实施例采用496型速干胶预固定、环氧树脂胶粘接的测温样件具有良好的粘结强度。
[0017]实验表明采用本发明方法制作测温样件，热电偶测温稳定性好，粘接可靠度高，可以获得钻削或铣削等加工中全过程的温度数据，而不仅仅局限于刀具刀刃接触点的瞬时温度，扩大了该方式的测温适用范围。特制的热电偶二次固定工艺保证实验获得的数据温度真实、准确，能够对后续科研工作起到指导性作用。
【主权项】
1.一种内埋热电偶式复合材料加工测温样件制备方法，其特征是，测温样件制备方法采用先将热电偶丝拧转成麻花形式，采用粘接金属与非金属的速干胶针对热电偶丝前端与内埋热电偶的小孔孔底进行预固定，再利用高热导率、低导电性胶对热电偶进行二次固定工艺；并要求在钻削加工时，热电偶露出的金属丝段长度大于加工刀具半径，制备方法的具体步骤如下: 1)制作特制热电偶 在碳纤维增强复合材料样件板(I)的一侧钻一个内埋热电偶的小孔(2);将热电偶剥去端部外皮，使剥皮后露出热电偶丝的长度为钻削孔深度的一半以上；将热电偶丝从一端开始拧转，形成多点接触的麻花型，并使最前端金属丝保持接触状态，制成特制热电偶(3)； 2)在特制热电偶(3)拧紧的端部涂抹粘接金属与非金属的速干胶(4)，将特制热电偶(3)安装到内埋热电偶的小孔(2)中，使特制热电偶(3)的端部固定于孔底(C)处，保证热电偶丝长度㈧大于孔内外皮长度⑶； 3)对内埋热电偶的小孔⑵内部涂抹高热导率、低导电性胶(5)，使高热导率、低导电性胶(5)均匀填充热电偶与孔壁之间的空隙；在内埋热电偶的小孔(2)热电偶伸出的端面上同样涂抹高热导率、低导电性胶(5)，进行二次固定； 4)将测温样件放在室温的环境下，使高热导率、低导电性胶(5)进行固化，固化8-10小时。
【专利摘要】本发明内埋热电偶式复合材料加工测温样件制备方法属于切削区温度测量领域，适用于碳纤维增强复合材料钻削、铣削等实验中的切削区温度测量。采用本发明制备的样件由复合材料样件板、拧转成麻花形式的特制热电偶、可粘接金属与非金属的速干胶以及高热导率、低导电性胶组成。样件板的一个侧面上钻有小孔，特制热电偶埋于孔内，通过可粘接金属与非金属的速干胶和高热导率、低导电性胶进行二重固定。本发明的样件中热电偶固定效果好，加工过程获得的温度数据稳定，并且通过特制热电偶，可以实现加工全过程的温度监测。该方法提高了粘接强度，保证在测温加工实验中，获取的温度数据可靠，并提高了刀具使用寿命。
【IPC分类】B23Q17-00
【公开号】CN104608007
【申请号】CN201510042391
【发明人】贾振元, 钱宝伟, 王福吉, 付饶, 何春聆, 宿友亮
【申请人】大连理工大学
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2015年1月28日