一种纤维复丝材料切削力的检测装置与方法与流程

本发明属于精密加工技术领域，尤其涉及一种纤维复丝材料切削力的检测装置与方法。

背景技术：

碳纤维具有比强度、比模量高、抗疲劳、耐热性能好等优点，是目前最具价值的工业材料之一。大量研究表明，纤维复合材料结构复杂，切削时纤维排列的角度对切削规律不可忽略的影响。碳纤维丝是碳纤维复合材料的基本组成单元，获得准确的碳纤维丝的切削力对于碳纤维复合材料切削力的预测和分析具有重要意义。

目前，没有有效测量单根纤维丝的切削力的方法，这是由于碳纤维丝直径只有几微米，切断它的力大小只有几微牛，这对测力仪灵敏度要求非常高。为了测量单丝的切削力，往往先测量一束数量已知的复丝的切削力，然后按照统计学的原理求出单丝的切削力。一束丝的直径一般为零点几毫米，肉眼容易看到，并且一束丝切削力的大小约为几牛级，相对容易测量，因而一束丝更容易被制成测量样品。工业上把三千根丝、六千或一万两千根丝集成一束，标记成3k，6k和12k。

从加工工艺的角度看，高速加工可以提高效率和加工精度，并减小切削热和其他加工损伤；超声振动加工是一种精密加工技术，它特别适合加工难加工材料，并且它有利于降低切削力和刀具磨损。对于碳纤维复合材料，有学者研究指出超声振动冲击有利于切断毛刺，降低加工损伤的深度，提高切削质量。所以高速加工和超声振动加工在碳纤维加工领域应用前景巨大。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种针对不同排列角度纤维复丝材料的沿不同方向进行切削时的切削力检测装置与方法，切削方式可以选择高速普通切削和超声振动切削，并且超声振动方向与切削方向之间的角度可以进行调整。旨在获得不同加工条件下纤维复丝材料切削力。

本发明是这样实现的：

本发明提出一种纤维复丝切削力检测装置，包括：刀片（1）、超声刀杆（2）、超声换能器（3）、刀柄（4）、底座（5）、支座（6）、刀柄压板（7）、纤维复丝材料样品（8）、纤维复丝材料夹具（9）、压块（10）、压块固定螺钉（11）、通用测力仪（12）和平面磨床（13）、联接换能器和变幅杆的双头螺柱（14），刀片固定螺钉（15），超声电源（16）。

纤维复丝材料样品（8）、纤维复丝材料夹具（9）、压块（10）、压块固定螺钉（11）构成工件装夹装置，安装在平面磨床（13）的主轴上，所装夹的工件样品可以具有特定的纤维排列角度。

刀片（1）、超声刀杆（2）、超声换能器（3）、刀柄（4）、底座（5）、支座（6）、刀柄压板（7）构成切削装置，安装在平面磨床（13）的工作台上。刀片（1）选用硬质合金涂层刀片或cbn刀片或pcd刀片或nd刀片。通过调整底座（5）与支座（6）的相对角度，可以实现对纤维复丝材料样品（8）的直角切削或不同刃倾角的斜角切削。

超声电源（16）、刀片（1）、超声刀杆（2）、超声换能器（3）构成超声声学系统，可以实现刀片沿刀杆方向的纵向超声振动。超声刀杆（2）有i和ii（竖直或水平）两种安装位置，超声刀杆（2）上的刀片（1）的安装位置可以调节，可以实现振动方向与切削方向的不同角度调节。

本发明提出基于上述装置的纤维复丝材料切削力的检测方法，包括以下步骤：

步骤1：将一定数量的纤维复丝拉直成近似矩形排列的一束，浸入加热至熔化的环氧树脂，纤维处于树脂层厚度的中间，待树脂冷却后，选择均匀没有明显缺陷的材料区域，在树脂板上截取直径略大于20mm，厚度略大于2mm的包含纤维复丝的圆片，进一步对圆形片表面和轮廓进行修磨抛光后，获得直径为20mm，厚度2mm的纤维复丝材料样品（8）。；

步骤2：将抛光后的圆形纤维复丝材料样品（8）放入纤维复丝材料夹具（9）的对应位置，调整好纤维排列角度，沿着燕尾形槽将压块（10）放入纤维复丝材料夹具（9），通过内六方螺钉（11）压紧压块（10），使纤维复丝样品不能转动，夹具（9）通过中间孔和键槽安装在平面磨床（13）的主轴上；

步骤3：调整切削装置中的支座（6）、底座（5）和刀柄（4）的转角和伸长量，通过超声刀杆（2）和超声电源（16）可以实现超声振动加工方式，在超声刀杆（2）上选择合适的位置安装刀片（1）并用螺钉（15）固定，视需要将刀杆（2）的法兰盘安装在刀柄（4）的前端或后端，最终获得需要的切削角度和加工方式；

步骤4：对刀，然后调整机床（13）的工作台与主轴相对高度，获得需要的切深，调整机床（13）的主轴转速用以获得需要的纤维复丝材料样品（8）最外处的切向切削速度；

步骤5：打开测力仪（12），运行机床，进行切削，并检测切削力。

本发明弥补现有纤维复丝材料切削力检测技术的空白，提供一种纤维复丝材料的切削力检测装置和方法，考虑超声振动加工和高速切削在碳纤维复合材料领域的应用前景，本装置可以采用多种切削刀片和多种超声振动切削模式，对任意可以制成样片的各类纤维材料进行切削力检测，设备简单功能多样。

附图说明

图1是本发明的纤维复丝材料样品（8）的制备示意图；

图2是本发明的纤维复丝材料样品（8）角度调整示的意图；

图3是本发明的纤维复丝材料样品（8）的夹具（9）的拆装示意图；

图4是本发明的切削装置的第一种组合方式的的示意图；

图5是本发明的切削装置的第一种组合方式的分解示意图；

图6是本发明的两种超声刀杆（2）和刀片（1）安装位置的示意图；

图7是本发明的切削装置的第二种组合方式的示意图；

图8是本发明的纤维复丝材料切削力检测装置的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种针对纤维复丝材料的切削力检测方法，包括以下步骤：

（1）如图1所示，纤维复丝材料样品的制备：将一定数量的碳纤维复丝，不妨设为3000根丝，拉直成近似矩形排列的一束，浸入加热至熔化的环氧树脂，纤维处于树脂层厚度的中间，树脂厚度略大于2毫米。待树脂冷却后，选择均匀没有明显缺陷的材料区域，在树脂板上截取直径略大于20mm的包含纤维复丝材料的圆片。对圆形片表面和轮廓进行修磨和抛光，最终获得直径20mm，厚度2mm的纤维复丝材料样品（8）。

（2）如图2，其中截切的圆形树脂片中纤维复丝与树脂片圆心的距离为h，h和r的比值就是切削时纤维的排列角度θ的正弦，当θ为0和45度时，如图2右侧所示，加工时可以通过h来求得排列角度θ。如图3所示，将制备好的的纤维复丝样品（8）放入夹具（9）的圆形凹槽内，凹槽的深度为1.5mm，将压块（10），顺着燕尾槽装入夹具（9），利用沉头内六方螺钉（11），通过夹具（9）上的螺纹孔，把压块（10）压紧。燕尾槽目的是为了卡住压块（10），使之在高速转动时不至于飞出。夹具（9）中间有键槽，可以将夹具（9）装到通用磨床（13）的主轴上。为了转动平衡，夹具（9）同时对称安装两个样品。

（3）切削装置如图4所示，超声轴向振动变幅杆也即刀杆（2）和超声换能器（3）各自中间攻有的螺纹孔，超声刀杆（2）和超声换能器（3）通过双头螺柱（14）连接在一起。刀柄（4）前端的法兰盘有螺纹孔，后端带有空腔，腔壁上也有螺纹孔，腔体足够容纳换能器。超声刀杆（2）的法兰盘通过螺钉固定在圆柱形的刀柄（4）的前端如图4或后部如图7所示，刀柄（4）的支座（6）和刀柄压板（7）共同组成了刀柄（4）的固定装置，支座（6）下方带有孔，可以和底座5的圆柱凸台嵌套连接，支座（6）和底座（5）可以相互转动。支座（6）侧部带有螺纹通孔，可以用螺钉通过通孔顶紧底座（5）的凸台，从而固定转动角度。底座（5）上带有阶梯孔，通过阶梯孔，底座（5）可以和市面上通用的高精度测力仪（12）相连。超声刀杆（2）、刀柄（4）、支座（6）、刀柄压板（7）、底座（5）共同组成刀架，刀架中的刀柄（4）有三个自由度，可以绕x和y轴转动，以及沿x轴移动。刀架的分解图如图5和图7所示。

（4）通过选择刀片（1）和超声刀杆（2）的安装的位置，可以实现切削方式的选择：刀片（1）可以安装在1-1、1-2和1-3三个位置，通过螺钉（15）固定，实现刀片不同方向的超声振动。刀柄（4）有两种安装方式，如图4和图7所示，合理选择安装的部位也可以获得更多的加工方向和形式。

（5）如摘要附图1所示，当上述工作完成后，选择合适的转速，通过移动磨床(13)的工作台对刀，对刀完成后，调整刀片（1）的刀尖和被加工材料之间的相对距离，设置需要的切削深度。启动磨床，等待转速稳定后打开测力仪（12），视需要，选择是否启动超声电源（16），然后控制磨床（13）的工作台作进给运动，开始切削和切削力的检测。

相比现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明主要对纤维类材料的切削力进行检测，特别适合对纤维复丝材料的切削力进行检测，并且本装置对纤维材料的类型没有限制。

（2）由于纤维导向角度对切削力有明显影响，本装置采用圆形纤维样品和圆形凹槽相配合，并采用可以调节的刀架，可以对从多种切削角度对多种排列角度的纤维进行切削进行检测其切削力。

（3）考虑到高速切削和超声振动切削的应用前景，本发明可以通过调整夹具半径和主轴转速获得极高的相对切削速度。

（4）本发明可以沿不同方向对具有不同排列角度的纤维复丝材料进行超声或普通切削并对切削力进行检测。

（5）本发明设备简便，易于操作。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。