一種制孔加工出口觀測(cè)的實(shí)驗(yàn)裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于制孔加工技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種制孔加工出口觀測(cè)的方法及裝置，特別適合于對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制孔加工過程的研究。
【背景技術(shù)】
[0002]碳纖維復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比剛度高等特點(diǎn)，能有效降低飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量，在航空航天領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用于各種構(gòu)件的制造，然而在這些構(gòu)件以及結(jié)構(gòu)件之間，必須通過機(jī)械加工，制造大量的高質(zhì)量連接孔，才可進(jìn)行裝配。目前，復(fù)合材料制孔是主要通過鉆床、銑床等機(jī)床設(shè)備或人工手鉆在零件的指定位置上進(jìn)行鉆削或銑削加工，獲得符合要求的孔，然而這些方式主要進(jìn)行豎直向下制孔，其制孔的出口端往往緊密貼合工作臺(tái)，無法在線對(duì)制孔出口觀測(cè)測(cè)量。然而，對(duì)于復(fù)合材料，特別是碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，然而其主要由碳纖維增強(qiáng)相以及樹脂基體相組成，其細(xì)觀上呈現(xiàn)由纖維和樹脂構(gòu)成的混合形態(tài)，宏觀上呈現(xiàn)各向異性和疊層特征，細(xì)觀與宏觀上表現(xiàn)出不同的特性，宏觀層間結(jié)合強(qiáng)度遠(yuǎn)低于其他方向。在制孔加工中，由于出口位置約束作用弱，極易由于較大的軸向力，頂開最后幾層材料產(chǎn)生分層損傷，并導(dǎo)致纖維無法被切斷，纖維受到拉擠作用，引發(fā)撕裂和毛刺等損傷；同時(shí)，材料熱導(dǎo)率低，特別由于樹脂玻璃轉(zhuǎn)化溫度低，切削時(shí)的高溫極易影響材料切削性能，進(jìn)一步加劇出口處加工損傷，因此，對(duì)此類材料的制孔加工必須特別關(guān)注其出口處的切削過程和溫度情況。
[0003]目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)復(fù)合材料的制孔出口質(zhì)量的研究多是通過制孔后進(jìn)行離線顯微觀測(cè)，無法獲得動(dòng)態(tài)切削過程的信息。如法國(guó)YosraTurki發(fā)表的論文“Experimentalinvestigat1n of drilling damage and stitching effects on the mechanicalbehav1r of carbon/epoxy composites[J].1nternat1nal Journal of Machine Toolsand Manufacture, 2014, 87:61-72.”中通過某型刀具對(duì)碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料制孔，之后離線通過超景深顯微鏡等設(shè)備觀測(cè)出口質(zhì)量，能夠獲得出口分層、撕裂以及毛刺等損傷的最終狀態(tài)和大小，但是卻無法獲得制孔過程中刀具與材料的相互作用以及損傷的產(chǎn)生過程。國(guó)內(nèi)大連理工大學(xué)朱國(guó)平發(fā)表的碩士論文“單向C/E復(fù)合材料鉆削溫度場(chǎng)研究[D].大連理工大學(xué)，2013.”中通過紅外熱像儀，實(shí)現(xiàn)了制孔過程中對(duì)出口溫度的實(shí)時(shí)測(cè)量，然而由于其設(shè)備為立式加工設(shè)備，制孔出口位置的觀測(cè)角度極小，其觀測(cè)效果有限，且無法實(shí)現(xiàn)出口處切削過程的觀測(cè)。目前已有的文獻(xiàn)和專利，都不涉及同時(shí)觀測(cè)力、熱共同作用下鉆削出口材料的動(dòng)態(tài)切削過程的觀測(cè)測(cè)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)難題是克服現(xiàn)有方法和裝置目前無法完成對(duì)制孔出口切削過程的觀測(cè)以及溫度的實(shí)時(shí)測(cè)量，發(fā)明一種制孔加工出口觀測(cè)的方法及裝置。該方法和裝置是通過角度頭實(shí)現(xiàn)橫向鉆削加工，并通過所述調(diào)節(jié)方法和高速顯微觀察、出口溫度在線測(cè)量等裝置，實(shí)現(xiàn)切削加工出口成型過程的在線動(dòng)態(tài)顯微觀測(cè)和溫度測(cè)量，為研究碳纖維復(fù)合材料切削加工機(jī)理和刀具設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
[0005]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種制孔加工出口觀測(cè)的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征是，該裝置具有微機(jī)系統(tǒng)、水平鉆削試驗(yàn)臺(tái)、高速顯微觀察裝置、出口溫度在線測(cè)量裝置和除塵裝置；微機(jī)系統(tǒng)I通過相機(jī)數(shù)據(jù)線22與高速相機(jī)19相連，又通過熱像儀數(shù)據(jù)線23與熱像儀4相連；
[0006]在所述的水平鉆削試驗(yàn)臺(tái)中，主軸部件13安裝于主軸箱14中，主軸箱14安裝在床身立柱15的導(dǎo)軌上，床身立柱15與床身16裝配在一起，床身16上裝有直線位移工作臺(tái)6，相機(jī)云臺(tái)底座20，熱像儀云臺(tái)底座5，支架25與夾具8均安裝在直線位移工作臺(tái)6上；主軸部件13的莫氏錐孔內(nèi)裝夾角度頭10，角度頭10上安裝有鉆頭9，主軸部件13的主軸端蓋24與轉(zhuǎn)接環(huán)12連接固定，角度頭10上的限位塊11插入轉(zhuǎn)接環(huán)12的限位孔H中，固定角度頭10的加工軸的方向與機(jī)床鉆削進(jìn)給方向Y平行；
[0007]所述的高速顯微觀察裝置中，顯微鏡頭17與高速相機(jī)19相連，高速相機(jī)19安裝在相機(jī)云臺(tái)底座20上，光源21通過光纜18連接于顯微鏡頭17，顯微鏡頭17在制孔出口一側(cè)；
[0008]出口溫度在線測(cè)量裝置中，紅外熱像儀4安裝在熱像儀云臺(tái)底座5上，紅外熱像儀4在制孔出口一側(cè)；
[0009]所述的除塵裝置的除塵風(fēng)管3與除塵機(jī)2相連，并固定在支架25上，除塵風(fēng)管3的吸口在制孔出口一側(cè)。
[0010]該裝置采用的實(shí)驗(yàn)方法通過上述裝置實(shí)時(shí)測(cè)量的具體步驟如下:
[0011]I)調(diào)整固定在直線位移工作臺(tái)6的夾具8的定位面F，使其平行于X、Z方向構(gòu)成的平面，將被加工樣件7裝夾在夾具8上；調(diào)整裝夾在角度頭10前端的鉆頭9至待加工位置處；根據(jù)鉆頭9軸線與被加工樣件7出口側(cè)的交點(diǎn)確定預(yù)期鉆孔出口中心，并做標(biāo)記G ;
[0012]2)打開高速相機(jī)19和光源21，根據(jù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)I觀測(cè)標(biāo)記G的位置，調(diào)整相機(jī)云臺(tái)底座20的位置和角度，將標(biāo)記G調(diào)整至觀測(cè)視場(chǎng)中央，選定高速相機(jī)19的拍攝倍率，調(diào)節(jié)光源21的進(jìn)光量，保證拍攝視場(chǎng)明亮，微調(diào)云臺(tái)底座20位置至觀測(cè)的最清晰的焦平面處于出口標(biāo)記G位置，旋擰顯微鏡頭17的對(duì)焦環(huán)精確對(duì)焦；
[0013]3)打開紅外熱像儀4，調(diào)整熱像儀云臺(tái)底座5至樣件7處于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)I中紅外熱像儀4視場(chǎng)觀測(cè)范圍內(nèi)且圖像清晰；
[0014]4)調(diào)整支架25和除塵風(fēng)管3的吸口的位置和角度，使除塵風(fēng)管3前端吸口對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記G ;通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)I觀測(cè)，確定高速相機(jī)19的顯微鏡頭17，紅外熱像儀4以及除塵風(fēng)管3的吸口的位置不能相互遮擋鉆削出口 ；
[0015]5)調(diào)節(jié)機(jī)床鉆削加工參數(shù)，開啟除塵裝置，開動(dòng)機(jī)床，當(dāng)機(jī)床執(zhí)行鉆削指令控制直線位移工作臺(tái)沿Y方向進(jìn)給切削被加工樣件7時(shí)，開啟紅外熱像儀4和高速相機(jī)19，記錄整個(gè)切削過程以及切削區(qū)域的溫度數(shù)據(jù)。
[0016]本發(fā)明的有益效果是:該發(fā)明對(duì)于復(fù)合材料制孔過程中出口質(zhì)量的測(cè)量，通過角度頭將立式制孔轉(zhuǎn)換為臥式制孔，使鉆削出口位置具有足夠的空間，打破了制孔出口位置的觀測(cè)角度的限制；高速顯微攝像機(jī)，紅外熱像儀和除塵風(fēng)管固定在云臺(tái)上，并與工件隨動(dòng)，對(duì)復(fù)合材料制孔出口切削過程進(jìn)行穩(wěn)定、清晰、多角度觀測(cè)，獲得切削過程中切削區(qū)域材料被切削形貌和溫度的實(shí)時(shí)情況，為分析復(fù)合材料制孔出口分層、撕裂以及毛刺等損傷的成因提供重要依據(jù)。
【附圖說明】
[0017]圖1是具體實(shí)施例實(shí)驗(yàn)裝置的軸測(cè)圖，圖2是具體實(shí)施例鉆削出口附近A的局部視圖。其中，I一計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，2一除塵機(jī)，3一除塵風(fēng)管，4一紅外熱像儀，5一熱像儀75:臺(tái)底座，6—直線位移工作臺(tái)，7—被加工樣件，8—夾具，9一鉆頭，10一角度頭，11一限位塊，12一轉(zhuǎn)接環(huán)，13—主軸部件，14 一主軸箱，15—床身立柱，16—床身，17—鏡頭，18—光纜，19 一高速相機(jī)，20—相機(jī)云臺(tái)底座，21—光源，22—相機(jī)數(shù)據(jù)線，23—熱像儀數(shù)據(jù)線，24—主軸端蓋，25—支架，H為轉(zhuǎn)接環(huán)12的限位孔，F(xiàn)為夾具8的定位面，G為預(yù)期鉆孔出口中心標(biāo)記。
[0018]圖3是實(shí)際鉆削鉆削過程圖片，其中，a)、b)、c)圖中的B、C、D為鉆削出口處毛刺損傷。
[0019]圖4是鉆削出口處溫度場(chǎng)圖片，E-鉆尖位置，Tmax-最高溫度，單位度。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖和技術(shù)方案詳細(xì)說明一種制孔加工出口觀測(cè)的方法及裝置的具體實(shí)施過程。在附圖1中，實(shí)驗(yàn)裝置中的床身16是整個(gè)鉆削過程中的基礎(chǔ)支撐部件；床身16上裝有直線位移工作臺(tái)6、床身立柱15 ;床身立柱15上裝有主軸箱14，主軸部件13安裝在主軸箱14上，角度頭10通過莫式錐孔安裝在主軸部件13莫式錐孔內(nèi)，轉(zhuǎn)接環(huán)12與主軸部件13通過螺栓夾緊，角度頭10上的限位塊11插入轉(zhuǎn)接環(huán)12限位孔H內(nèi)進(jìn)行定位，固定角度頭10的加工軸向方向，使其與機(jī)床鉆削進(jìn)給方向Y平行；夾具8固定在直線位移工作臺(tái)6上，被加工樣件7通過夾具8進(jìn)行裝夾。調(diào)整裝夾在角度頭10前端的鉆頭9至待加工位置處，根據(jù)鉆頭9軸線與被加工樣件7出口側(cè)的交點(diǎn)確定預(yù)期鉆孔出口中心并做標(biāo)記G。