[发明专利]一种制孔加工出口观测的实验装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于制孔加工技术领域，涉及一种制孔加工出口观测的方法及装置，特别适合于对碳纤维增强复合材料制孔加工过程的研究。

背景技术

碳纤维复合材料具有比强度高、比刚度高等特点，能有效降低飞机结构重量，在航空航天领域中被广泛应用于各种构件的制造，然而在这些构件以及结构件之间，必须通过机械加工，制造大量的高质量连接孔，才可进行装配。目前，复合材料制孔是主要通过钻床、铣床等机床设备或人工手钻在零件的指定位置上进行钻削或铣削加工，获得符合要求的孔，然而这些方式主要进行竖直向下制孔，其制孔的出口端往往紧密贴合工作台，无法在线对制孔出口观测测量。然而，对于复合材料，特别是碳纤维增强树脂基复合材料，然而其主要由碳纤维增强相以及树脂基体相组成，其细观上呈现由纤维和树脂构成的混合形态，宏观上呈现各向异性和叠层特征，细观与宏观上表现出不同的特性，宏观层间结合强度远低于其他方向。在制孔加工中，由于出口位置约束作用弱，极易由于较大的轴向力，顶开最后几层材料产生分层损伤，并导致纤维无法被切断，纤维受到拉挤作用，引发撕裂和毛刺等损伤；同时，材料热导率低，特别由于树脂玻璃转化温度低，切削时的高温极易影响材料切削性能，进一步加剧出口处加工损伤，因此，对此类材料的制孔加工必须特别关注其出口处的切削过程和温度情况。

目前，国内外针对复合材料的制孔出口质量的研究多是通过制孔后进行离线显微观测，无法获得动态切削过程的信息。如法国YosraTurki发表的论文“Experimental investigation of drilling damage and stitching effects on the mechanical behavior of carbon/epoxy composites[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture,2014,87:61-72.”中通过某型刀具对碳纤维增强树脂基复合材料制孔，之后离线通过超景深显微镜等设备观测出口质量，能够获得出口分层、撕裂以及毛刺等损伤的最终状态和大小，但是却无法获得制孔过程中刀具与材料的相互作用以及损伤的产生过程。国内大连理工大学朱国平发表的硕士论文“单向C/E复合材料钻削温度场研究[D].大连理工大学,2013.”中通过红外热像仪，实现了制孔过程中对出口温度的实时测量，然而由于其设备为立式加工设备，制孔出口位置的观测角度极小，其观测效果有限，且无法实现出口处切削过程的观测。目前已有的文献和专利，都不涉及同时观测力、热共同作用下钻削出口材料的动态切削过程的观测测量。

发明内容

本发明要解决的技术难题是克服现有方法和装置目前无法完成对制孔出口切削过程的观测以及温度的实时测量，发明一种制孔加工出口观测的方法及装置。该方法和装置是通过角度头实现横向钻削加工，并通过所述调节方法和高速显微观察、出口温度在线测量等装置，实现切削加工出口成型过程的在线动态显微观测和温度测量，为研究碳纤维复合材料切削加工机理和刀具设计提供依据。

本发明采用的技术方案是一种制孔加工出口观测的实验装置，其特征是，该装置具有微机系统、水平钻削试验台、高速显微观察装置、出口温度在线测量装置和除尘装置；微机系统1通过相机数据线22与高速相机19相连，又通过热像仪数据线23与热像仪4相连；

在所述的水平钻削试验台中，主轴部件13安装于主轴箱14中，主轴箱14安装在床身立柱15的导轨上，床身立柱15与床身16装配在一起，床身16上装有直线位移工作台6，相机云台底座20，热像仪云台底座5，支架25与夹具8均安装在直线位移工作台6上；主轴部件13的莫氏锥孔内装夹角度头10，角度头10上安装有钻头9，主轴部件13的主轴端盖24与转接环12连接固定，角度头10上的限位块11插入转接环12的限位孔H中，固定角度头10的加工轴的方向与机床钻削进给方向Y平行；

所述的高速显微观察装置中，显微镜头17与高速相机19相连，高速相机19安装在相机云台底座20上，光源21通过光缆18连接于显微镜头17，显微镜头17在制孔出口一侧；

出口温度在线测量装置中，红外热像仪4安装在热像仪云台底座5上，红外热像仪4在制孔出口一侧；

所述的除尘装置的除尘风管3与除尘机2相连，并固定在支架25上，除尘风管3的吸口在制孔出口一侧。

该装置采用的实验方法通过上述装置实时测量的具体步骤如下：