一種單束纖維切削實(shí)驗(yàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微觀切削領(lǐng)域，涉及一種碳纖維復(fù)合材料加工中單束纖維切削細(xì)觀破壞的實(shí)驗(yàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]碳纖維復(fù)合材料細(xì)觀上呈由纖維、樹(shù)脂、界面組成的混合態(tài)。其基體相和界面相相對(duì)于纖維相來(lái)說(shuō)，力學(xué)性能差，且其力學(xué)性能受溫度影響程度大。切削過(guò)程中，切削力在切斷纖維的同時(shí)極易導(dǎo)致基體或界面的破壞，而形成加工表面以下的損傷，此損傷在疲勞載荷或沖擊載荷下會(huì)迅速擴(kuò)展而導(dǎo)致制件失效。此外，大厚度、大尺寸復(fù)材制件切削加工中由于樹(shù)脂導(dǎo)熱性差及摩擦產(chǎn)熱多而導(dǎo)致切削溫度極易升高，進(jìn)而降低基體及界面的彈性模量和剛度系數(shù)，更易產(chǎn)生損傷。其材料去除實(shí)質(zhì)為組成相的細(xì)觀破壞至宏觀切肩形成的演化過(guò)程。因此，需從細(xì)觀層面入手，考慮基體相及界面相對(duì)纖維變形的約束作用，研宄碳纖維復(fù)合材料加工過(guò)程中細(xì)觀層面的材料破壞及去除過(guò)程，揭示材料去除過(guò)程中的纖維斷裂及基體、界面破壞機(jī)理。
[0003]針對(duì)細(xì)觀破壞這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了許多理論方面的研宄，建立了多種梁模型，對(duì)單束纖維切斷過(guò)程切削力進(jìn)行了數(shù)值分析，但均缺乏直觀的單束纖維切削實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。單束纖維的直徑為微米級(jí)，切削深度通常為微米級(jí)，切削力為毫牛級(jí)，因此，對(duì)單束纖維的切削實(shí)驗(yàn)屬于微米級(jí)精密切削實(shí)驗(yàn)。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于細(xì)觀微米級(jí)切削實(shí)驗(yàn)以及對(duì)實(shí)驗(yàn)中微小切削力的測(cè)量極為缺乏，更無(wú)法對(duì)切削過(guò)程中微觀層面的單束纖維切斷、界面開(kāi)裂過(guò)程等現(xiàn)象進(jìn)行微視場(chǎng)在線觀測(cè)。Shuji Usu1、Jon Wadell和Troy Marusich發(fā)表的《FiniteElement Modeling of Carbon Fiber Composite Orthogonal Cutting and Drilling)) 一文在《Procedia CIRP))2014年第14期第211到216頁(yè)中，通過(guò)對(duì)碳纖維復(fù)合材料板進(jìn)行微觀直角切削實(shí)驗(yàn)并根據(jù)測(cè)量到的切削力建立了碳纖維復(fù)合材料切削的有限元模型，并分析了不同的纖維角度對(duì)切削過(guò)程的影響，但，并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)僅對(duì)單束纖維進(jìn)行切削，也沒(méi)有實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)觀切削過(guò)程進(jìn)行在線觀察。目前，尚未見(jiàn)關(guān)于通過(guò)單束纖維切削實(shí)驗(yàn)的方式來(lái)直觀表征碳纖維復(fù)合材料切削加工中細(xì)觀破壞機(jī)理的文獻(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明為解決目前尚無(wú)直接實(shí)現(xiàn)揭示碳纖維復(fù)合材料加工中細(xì)觀破壞機(jī)理的單束纖維微米級(jí)切削實(shí)驗(yàn)方法的問(wèn)題，發(fā)明了一種單束纖維切削實(shí)驗(yàn)方法，該方法以超景深顯微鏡為基礎(chǔ)部件，在其載物臺(tái)上安置切削裝置、樣件裝夾裝置、切削力測(cè)量裝置，通過(guò)對(duì)單束纖維進(jìn)行微米級(jí)細(xì)觀切削，利用超景深顯微鏡觀察其切削過(guò)程，并測(cè)量其毫牛級(jí)切削力來(lái)為揭示碳纖維復(fù)合材料去除機(jī)理，并能實(shí)現(xiàn)毫牛級(jí)切削力準(zhǔn)確測(cè)量、在線觀察細(xì)觀破壞過(guò)程功能的實(shí)驗(yàn)方法及裝置。
[0005]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種單束纖維切削實(shí)驗(yàn)方法，其特征是，實(shí)驗(yàn)方法利用超景深顯微鏡觀察其切削過(guò)程，并測(cè)量其毫牛級(jí)切削力，利用特定的制作工藝制作單束纖維切削實(shí)驗(yàn)樣件；采用單向測(cè)力儀對(duì)細(xì)觀切削過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量和記錄；通過(guò)微位移執(zhí)行器的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)完成微米級(jí)切削運(yùn)動(dòng)，調(diào)節(jié)位移執(zhí)行器來(lái)調(diào)節(jié)切深，在不同切深下對(duì)單束纖維進(jìn)行細(xì)觀切削實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)方法具體步驟如下:
[0006]I)制做單束纖維切削實(shí)驗(yàn)樣件
[0007]制作工藝如下:先制作碳纖維復(fù)合材料單向板11，并在碳纖維復(fù)合材料單向板11上加工兩個(gè)通孔12，再制作具有兩個(gè)夾板固定孔14的兩個(gè)夾板13，將碳纖維復(fù)合材料單向板11作為中間件，使用兩塊夾板13左右?jiàn)A緊碳纖維復(fù)合材料單向板11，將通孔12與夾板固定孔14對(duì)齊，通過(guò)螺栓18、墊圈19和螺母20將三者固定，形成方槽15 ;將裁減成特定長(zhǎng)度的單束纖維16放置在方槽15中，并與一側(cè)夾板13內(nèi)表面良好貼合，將樹(shù)脂17浸漬于方槽15中，保持預(yù)浸高度與纖維上表面平齊，涂覆均勻，保持水平放置一定時(shí)間后，整體放置于熱壓罐中，控制固化溫度及壓力進(jìn)行固化；固化結(jié)束后，將螺栓18、墊圈19和螺母20以及兩塊夾板13取下，則樣件7制備完成；再將樣件7通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂膠粘結(jié)在樣件連接板8上;
[0008]2)在平臺(tái)上安裝切削裝置
[0009]將平臺(tái)2通過(guò)螺栓連接在超景深顯微鏡I的載物臺(tái)上，位移執(zhí)行器3通過(guò)螺栓安裝在安裝平臺(tái)2上，將微位移執(zhí)行器4安裝在位移執(zhí)行器3上，兩者的運(yùn)動(dòng)方向相互垂直；將刀具6裝夾到刀具座5上，刀具座5通過(guò)螺栓安裝在微位移執(zhí)行器4上；
[0010]3)安裝切削力測(cè)量裝置
[0011]將樣件連接板8連接在單向測(cè)力儀10上，單向測(cè)力儀10末端通過(guò)螺紋與測(cè)力儀安裝座9連接，測(cè)力儀安裝座9通過(guò)安裝平臺(tái)2上的螺紋孔與安裝平臺(tái)2連接；
[0012]4)接通微位移執(zhí)行器4和位移執(zhí)行器3的電源；調(diào)節(jié)微位移執(zhí)行器4，使得樣件7與刀具6相接觸作為切削實(shí)驗(yàn)的初始位置；
[0013]5)通過(guò)調(diào)節(jié)位移執(zhí)行器3來(lái)調(diào)節(jié)切削深度，調(diào)節(jié)到預(yù)設(shè)的切削深度；調(diào)節(jié)微位移執(zhí)行器4來(lái)調(diào)節(jié)切削速度，調(diào)節(jié)到設(shè)定的實(shí)驗(yàn)切削速度；
[0014]6)接通超景深顯微鏡I和單向測(cè)力儀10的電源，啟動(dòng)微位移執(zhí)行器4使其自動(dòng)進(jìn)給開(kāi)始切削，通過(guò)超景深顯微鏡I觀察單纖維的切斷過(guò)程，同時(shí)，讀取單向測(cè)力儀10記錄的數(shù)據(jù)，完成對(duì)毫牛級(jí)切削力的測(cè)量；
[0015]7)更換樣件7或者更換刀具6時(shí)，重復(fù)上述步驟。
[0016]本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明可直接用于單束纖維切削實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)微米級(jí)微觀切削以及微小切削力準(zhǔn)確測(cè)量。同時(shí)，借助超景深顯微鏡，可直接對(duì)切削過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)，包括微觀層面的單束纖維切斷、界面開(kāi)裂過(guò)程等，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可直觀表征碳纖維復(fù)合材料切削加工中細(xì)觀破壞機(jī)理；本實(shí)驗(yàn)方法將力的測(cè)量與切削過(guò)程的在線觀察集中在一起，功能齊全，效率高；采用的實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝和定位方便。
【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為一種碳纖維復(fù)合材料加工中細(xì)觀破壞的實(shí)驗(yàn)裝置，圖2為碳纖維復(fù)合材料單向板和夾板裝配示意圖，圖3為制作樣件時(shí)裝配示意圖，圖4為圖3的A-A視圖。
[0018]其中:1 一超景株顯微鏡，2—安裝平臺(tái)，3—位移執(zhí)彳丁器，4一微位移執(zhí)彳丁器，5—刀具座，6—刀具，7—樣件，8—樣件連接板，9一測(cè)力儀安裝座，10—單向測(cè)力儀，11 一碳纖維復(fù)合材料單向板，12—通孔，13—夾板，14一夾板固定孔，15—方槽，16—單束纖維，17—樹(shù)月旨，18一螺檢，19一塾圈，20一螺母。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施。在附圖1中，安裝有超景深顯微鏡I的實(shí)驗(yàn)臺(tái)為本實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)裝置，其他部件均通過(guò)安裝平臺(tái)2安裝在實(shí)驗(yàn)臺(tái)的載物臺(tái)上。實(shí)施例中采用的位移執(zhí)行器能在前后方向調(diào)節(jié)，以調(diào)整樣件位置達(dá)到實(shí)驗(yàn)中規(guī)定的切深，前后方向調(diào)節(jié)范圍是O?100 μ m。微位移執(zhí)行器能左右方向進(jìn)給，以完成切削過(guò)程，水平方向行程為O?38 μ m，開(kāi)環(huán)和閉環(huán)分辨率最小達(dá)0.2nm。單束纖維的直徑為單束纖維的直徑為7?10 μ m，切削深度為30?100 μπι。通過(guò)超景深顯