一种研究加工碳纤维复合材料去除机理的实验方法与流程

本发明属于微观切削领域，涉及一种碳纤维复合材料加工中受支撑作用单束纤维切削细观形态变化的实验方法。

背景技术：

由于碳纤维复合材料的高强度、高刚度、抗疲劳等优点，使得碳纤维复合材料在航空航天、交通运输等工业领域受到极大的欢迎。虽然碳纤维复合材料等复合材料零件大都采用直接成型法制造，但是为了达到尺寸和装配要求，获得更好的表面质量，还需要采用铣削、磨削、钻削等方法进行加工。在加工过程中，碳纤维复合材料的不均匀性和各向异性使得加工非常困难，会出现毛刺、纤维拔出、分层等加工缺陷。碳纤维复合材料切削的实质是切削刃对纤维、基体及其界面的作用，去除过程表现为组成相的微观破坏至宏观切屑形成的演化过程，因此首先需要从微观层面研究碳纤维在受支撑作用下变形及其断裂形态影响，以及切削刃钝圆半径对切削复合材料中碳纤维断裂形态的影响。

目前，国内还没有人专门研究碳纤维复合材料中受支撑状态下的碳纤维切削变形，以及切削刃钝圆半径大小对碳纤维断裂形态的影响。但是，碳纤维微观断裂形态对碳纤维复合材料加工过程中缺陷形成又至关重要，因此，需要对碳纤维复合材料的微观加工过程进行研究，本发明在微观上，提出可观测的受支撑约束的条形碳纤维切削实验方法，研究切削刃钝圆半径的变化对纤维变形及其断裂机理的影响。

技术实现要素：

本发明为解决目前还不能在切削碳纤维复合材料的过程中微观观测材料去除机理的问题，发明一种研究加工碳纤维复合材料去除机理的实验方法，该发明将复杂的碳纤维复合材料进行简化，采用碳纤维预浸料和树脂固化形成样件进行实验，以工作台为基础部件，在其上安装直线电机装置，样件和磨削装置和观测装置，通过对条形预浸料进行微米级微观切削，利用显微摄像头观察其切削过程，并通过测量其切削力揭示碳纤维复合材料的去除机理。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种研究加工碳纤维复合材料去除机理的实验方法，该实验方法利用特定的制作工艺制作符合实验要求的样件和切削刃钝圆；利用三向测力仪3实时测出切削过程中的力；利用显微摄像头9观察在切削过程中纤维形态的变化；通过微米进给机构15实现微米级切深；通过更换刀柄4上的机夹三角形刀片7，完成不同切削刃钝圆半径的实验；通过控制直线电机14的速度，达到不同切削速度的实验目的；实验方法的具体步骤如下：

第一步，制备碳纤维预浸料切削实验样件10，制作工艺如下：

1.1)先制作用于固化碳纤维预浸料切削样件的模具，所述的模具包含模具框架17和模具底板18，由密封胶粘接；模具框架17的短边两侧各有四条宽度为0.2mm的窄缝，窄缝宽度与碳纤维预浸料厚度相同，且模具框架17两侧的每两条窄缝在同一直线上；

1.2)将碳纤维预浸料裁剪成条形碳纤维预浸料19，在常温下让其固化；所述的条形碳纤维预浸料19长度与模具长边长度相同；条形碳纤维预浸料19厚度与窄缝宽度相同；条形碳纤维预浸料19宽度为1mm。

1.3)将步骤1.2)固化后的条形碳纤维预浸料19放入模具框架17的窄缝中，条形碳纤维预浸料19端部用密封胶与窄缝粘接密封，再将树脂和固化剂按4：1的比例混合搅匀后倒入模具中进行固化，当树脂上表面与模具上表面齐平时停止倒入树脂和固化剂；用超声清洗器除去固化过程中产生的气泡，固化结束后，样件10制备完成，将样件10取出。所述的树脂是环氧树脂，固化剂是环氧树脂固化剂。

第二步，刃磨三角形机夹刀片7，使其切削刃钝圆符合条件

采用万能工具磨床刃磨三角形机夹刀片7，刃磨过程中用超景深显微镜测量三角形机夹刀片7的切削刃钝圆的轮廓，再经过最小二乘圆拟合等数据处理方法得到切削刃钝圆的半径，虽然不能一次达到所需要的切削刃钝圆半径，但是采用刃磨-观测-修磨-再观测的重复刃磨方式，当切削刃钝圆的半径达到5-10微米，停止刃磨。

第三步，在工作台上安装刀具

将三向测力仪3通过压板机构固定在工作台1上，三向测力仪3用于采集切削力；刀柄通过螺栓固定在三向测力仪3上；三角形机夹刀片7通过压紧螺栓5和压板6安装在刀柄4上，三角形机夹刀片7用于切削样件10；

第四步，在工作台上和磨削装置

将电动机12固定安装在工作台1上，砂轮13安装在电动机12上，砂轮(13)用于磨削样件10，保证样件10端面平整；直线电机14通过螺栓固定在工作台(1)上；所述的砂轮13到直线电机14的距离与三角形机夹刀片7的刀尖到直线电机14的距离相等，且砂轮13和三角形机夹刀片7的刀尖在同一平面内；

第五步，安装样件

将样件10放入工件夹具11中，工件夹具11通过螺栓固定在微米进给机构15上，微米进给机构15通过螺钉固定在直线电机工作台16上，用于控制切削样件10的切削深度。

第六步，安装观测装置

将竖直导轨2和直线电机14均固定安装在工作台1上，二者位于三向测力仪3的两侧，保证三向测力仪3的端面与直线电机14的导轨平行，直线电机14用于带动样件10沿直线运动；所述的滑动支架8通过两个燕尾形导轨与竖直导轨2滑动连接，滑动支架8能够固定在竖直导轨2的任一位置；所述的显微摄像头9安装在滑动支架8上，显微摄像头9与三角形机夹刀片7的刀尖对齐，用于观察切削刃切削样件10时碳纤维的形态变化；

第七步，对样件10进行切削

6.1)每次切削样件10之前，用砂轮13将样件10的端部磨削，保证样件10端面平整；

6.2)通过微米进给机构15调整样件10与三角形机夹刀片7的位置，达到预定的切削深度；接通显微摄像头9和三向测力仪3的电源，启动直线电机14开始切削；切削过程中通过显微摄像头9观察条形碳纤维预浸料19中纤维形态变化，同时读取三向测力仪3记录数据，完成切削力的采集；

6.3)更换样件10或者三角形机夹刀片7的时候，重复步骤4.1)和步骤4.2)。

最后通过纤维形态变化和切削力可以总结出加工由碳纤维预浸料和树脂固化形成的样件10的去除机理；由于碳纤维复合材料微观结构很复杂，为了更好的观察切削过程中碳纤维形态的变化，简化成碳纤维预浸料和树脂固化形成的样件10，既可以表征受支撑作用的碳纤维切削状态，又同时解决直接切削单束碳纤维切削力难以观测的难题，通过样件10的去除研究，可以获得碳纤维受支撑作用下变形方式与破坏模式，进而推出碳纤维复合材料的去除机理。

本发明的有益效果为：本发明将微观结构复杂的复合材料用条形碳纤维预浸料19和固化剂形成的样件10来代替，既表征受支撑作用的碳纤维在位切削状态，又解决直接切削单束碳纤维切削力难以观测的难题；实现微米级微观切削，同时，借助显微摄像头9可直接观察切削过程中碳纤维的变形和破坏过程，有利于观察碳纤维在切削过程中的形态变化和破坏模式，三向测力仪3测出力的大小，可以方便的得出复合材料碳纤维的去除机理和预测微观切削力。将观察切削过程中受支撑作用的纤维形态变化与力的测量合为一体，效率高，能够满足研究切削过程中纤维形态变化的需求。本发明实验装置简单，可靠性高，实验效率高，装置的安装和定位方便。

附图说明

图1为本发明的装置结构图；

图2为碳纤维预浸料制作模具示意图；

图3刀具部分示意图；

其中：1工作台，2竖直导轨，3三向测力仪，4刀柄，5压紧螺栓，6压板，7三角形机夹刀片，8滑动支架，9显微摄像头，10样件，11工件夹具，12电动机，13砂轮，14直线电机，15微米进给机构，16直线电机工作台，17模具框架，18模具底板，19条形碳纤维预浸料。

具体实施方式

下面结合技术方案和附图详细说明本发明的具体实施。

实验方法的具体步骤如下：

第一步制备样件10

制作工艺如下：先制作用于固化碳纤维预浸料切削实验样件的图2所示的模具，其包含模具框架17和模具底板18，由密封胶粘接；模具框架的长是106mm，宽是46mm，壁厚是3mm，模具框架17的短边两侧各有四条宽度为0.2mm的窄缝，同一侧每两个窄缝相距10mm，窄缝宽度与碳纤维预浸料厚度相同，且模具框架17两侧的每两条窄缝在同一直线上。

将碳纤维预浸料裁剪成长度为106mm，宽度为1mm的条形碳纤维预浸料19，并在常温下让其固化。所述的条形碳纤维预浸料19长度与模具长边长度相同；条形碳纤维预浸料19厚度与窄缝宽度相同。把固化的条形碳纤维预浸料放入窄缝中，端部用密封胶粘接密封；将树脂和固化剂按4:1的比例混合搅匀后倒入模具中进行固化，当树脂上表面与模具上表面齐平时停止倒入树脂和固化剂；用超声清洗器除去固化过程中产生的气泡，固化结束后，将样件10取出，则样件10制备完成；

第二步，刃磨三角形机夹刀片7，使其切削刃钝圆符合条件，刀具示意图如图3所示

刃磨工艺如下：用万能工具磨床来刃磨三角形机夹刀片7，刃磨过程中用超景深显微镜测量三角形机夹刀片7的切削刃钝圆的轮廓，再经过最小二乘圆拟合等数据处理方法得到切削刃钝圆的半径。由于不能一次达到所需要的切削刃钝圆半径，因此采用刃磨-观测-修磨-再观测的重复刃磨方式，当切削刃钝圆的半径达到5-10微米，停止刃磨。

第三步在工作台上安装刀具部分、磨削装置

将三向测力仪3通过压板机构固定在工作台1上，刀柄通过螺栓固定在三向测力仪3上，三角形机夹刀片7通过压紧螺栓5和压板6安装在刀柄4上，要保证三向测力仪3的端面与直线电机14的导轨平行；通过压板机构把电动机12固定在工作台1上，砂轮13通过螺钉连接在电动机12上，要保证砂轮13和三角形机夹刀片7的刀尖在同一平面内。

第四步安装样件10

直线电机14通过螺栓固定在工作台1上，微米进给机构15通过螺钉固定在直线电机工作台16上，样件10放入工件夹具11中，工件夹具11通过螺栓固定在微米进给机构15上。

第五安装观测装置

竖直导轨2固定安装在工作台1上，位于三向测力仪3一侧；所述的直线电机14位于三向测力仪3另一侧，所述的三向测力仪3的端面与直线电机14的导轨平行；滑动支架8通过两个燕尾形导轨与竖直导轨2滑动连接，滑动支架8能够固定在竖直导轨2的任一位置。显微摄像头9安装在滑动支架8上，显微摄像头9与三角形机夹刀片7的刀尖对齐。

本发明的工作过程为：启动直线电机14，将样件10调整到砂轮13处，用砂轮13将样件10的端部磨削平整，通过微米进给机构15调整样件10与三角形机夹刀片7的位置，达到预定的切削深度；接通显微摄像头9、三向测力仪3和直线电机14的电源，开始切削，通过显微摄像头9可以观察切削过程中纤维的变形和破坏过程，同时可以读取三向测力仪3记录的数据，完成切削力的采集。

上述实验方法基于以下实验装置实现，该实验装置结构图如图1所示，包括工作台1、刀具部分、磨削装置、样件10、观测装置及其他附属机构；所述的样件10由碳纤维预浸料和树脂固化形成。

所述的刀具部分包括刀柄4、压紧螺栓5、压板6和三角形机夹刀片7。所述的三向测力仪3通过压板机构固定在工作台1上，刀柄4通过螺栓固定在三向测力仪3上，三向测力仪3用于采集切削力。所述的三角形机夹刀片7通过压紧螺栓5和压板6安装在刀柄4上，三角形机夹刀片7用于切削样件。

所述的磨削装置包括电动机12和砂轮13。所述的电动机12固定安装在工作台1上，砂轮13通过螺钉安装在电动机12上，电动机12用于给砂轮提供动力，砂轮13用于磨削样件，保证样件端面的平整性；所述的砂轮13到直线电机14的距离与三角形机夹刀片7的刀尖到直线电机14的距离相等，要保证砂轮13和三角形机夹刀片7的刀尖在同一平面内。

所述的观测装置包括竖直导轨2、滑动支架8和显微摄像头9。所述的竖直导轨2固定安装在工作台1上，位于三向测力仪3一侧；所述的直线电机14通过螺栓固定安装在工作台1上，位于三向测力仪3另一侧，所述的三向测力仪3的端面与直线电机14的导轨平行；滑动支架8通过两个燕尾形导轨与竖直导轨2滑动连接，滑动支架8能够固定在竖直导轨2的任一位置。所述的显微摄像头9安装在滑动支架8上，显微摄像头9与三角形机夹刀片7的刀尖对齐，显微摄像头9用于观察切削刃切削样件10时碳纤维的形态变化。

所述的附属机构包括三向测力仪3、工件夹具11、直线电机14、微米进给机构15和直线电机工作台16。所述的微米进给机构15通过螺钉固定在直线电机工作台16上，样件10放入工件夹具11中，工件夹具11通过螺栓固定在微米进给机构15上，微米进给机构15用于控制切削样件10的切削深度，直线电机14用于带动样件10沿直线运动，工件夹具11用于固定样件10。

通过本发明可完成碳纤维预浸料微观切削实验，可完成对碳纤维复合材料微观切削机理的研究。通过微米进给机构15和直线电机14的调节，可实现在不同切削深度、不同切削速度下对碳纤维预浸料的切削实验；通过更换不同的刀具，可探究刀具前角、后角、钝圆半径对切削力的影响；通过对显微摄像头9的合理配置，可实现对微米级切削过程的实时观察；通过读取三向测力仪3的数据，可实现对切削力的准确测量，为理论及模型分析提供充分的实验依据。