阅读说明：本技术 快速搭建复合材料板材制孔平台实现力热现象表征的方法 (Method for rapidly building composite material plate hole making platform to realize force-heat phenomenon characterization ) 是由 潘忠祥 郁佳佳 应志平 吴震宇 于 2021-06-10 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种快速搭建复合材料板材制孔平台实现力热现象表征的方法,其包括如下步骤：1),将滚珠丝杠直线导轨滑台模组底面与底板连接固定；2),将钻头安装于电主轴上,电主轴夹具与夹具Ⅰ连接固定于滑块上；3),将测力传感器与夹具Ⅱ、夹持试样的L型夹具连接固定,测力传感器连接电脑传输测力数据；4),确定复合材料板材钻孔位置,调整试样距离,使复合材料板与水平桌面保持竖直；5),将红外热成像仪置于钻孔轴向进给方向的一端,或复合材料板侧,连接电脑传输温度数据；6),制孔周围埋设的热电偶丝同时收集温度数据。本发明能实现多参数加工条件,操作简单,灵活搬运,成本合理,能满足复合材料板材钻孔加工试验需求。(The invention relates to a method for rapidly building a composite material plate hole making platform to realize force-heat phenomenon characterization, which comprises the following steps: 1) connecting and fixing the bottom surface of the sliding table module of the ball screw linear guide rail with the bottom plate; 2) a drill bit is arranged on an electric spindle, and an electric spindle clamp and a clamp I are connected and fixed on a sliding block; 3) connecting and fixing a force measuring sensor with a clamp II and an L-shaped clamp for clamping a sample, and connecting the force measuring sensor with a computer to transmit force measuring data; 4) determining the drilling position of the composite material plate, and adjusting the distance of the sample to ensure that the composite material plate is vertical to the horizontal desktop; 5) placing an infrared thermal imager at one end of the axial feeding direction of the drill hole or on the side of the composite material plate, and connecting a computer to transmit temperature data; 6) and simultaneously collecting temperature data by thermocouple wires embedded around the hole. The invention can realize multi-parameter processing conditions, has simple operation, flexible transportation and reasonable cost, and can meet the requirements of drilling processing tests of composite material plates.)

快速搭建复合材料板材制孔平台实现力热现象表征的方法

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技术领域

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本发明涉及一种快速搭建复合材料板材制孔平台实现力热现象表征的方法，其应用于复合材料制孔研究，属于复合材料钻削加工试样装置

技术领域

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背景技术

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复合材料板材具有质量轻，强度高，耐腐蚀性强等特点，促进了其在航空航天，汽车，高铁列车等领域的应用。然而复合材料构件进行装配时，大多需要进行二次机械加工以满足装配时的精度要求，其中钻削是最主要的加工方式之一。对于复合材料钻孔，确保钻孔质量是实现部件高承载性能和可靠性的前提。

钻削力和温度是影响钻孔质量最为主要的因素，其直接导致损伤破坏的形成。复合材料钻孔时，损伤大多集中于钻孔出口表面，其表面形貌、温度特征和受力情况对于理解损伤机理尤为重要；此外，为了更好的探究钻孔过程中温度变化规律，复合材料板侧温度测量也成为关键。

目前，针对复合材料钻孔实验的研究主要在加工中心的数控车床，铣床上进行，其存在着设备体型巨大，加工环境差，成本昂贵，加工地点受限等弊端，不能有效用于实验室的基础研究。此外，单独考究钻孔时的受力或热现象，无法综合全面考究加工参数对复合材料板钻削的影响。

因此，为解决上述问题，确有必要提供一种创新的快速搭建复合材料板材制孔平台实现力热现象表征的方法，以克服现有技术中的所述缺陷。

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发明内容

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本发明的目的在于提供一种快速搭建复合材料板材制孔平台实现力热现象表征的方法，其能满足复合材料板材钻孔加工试验需求，以促进复合材料板材加工性能的研究。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：快速搭建复合材料板材制孔平台实现力热现象表征的方法，其采用一种复合材料板材钻削及表征装置，该装置包括电主轴，钻头，电主轴夹具，滚珠丝杠直线导轨滑台模组，滑块，步进电机，底板，L型夹具，盖板，夹具Ⅰ，夹具Ⅱ，测力传感器，红外热成像仪以及热电偶；其中，所述滚珠丝杠直线导轨滑台模组一侧安装所述步进电机，并由步进电机驱动；所述滑块和滚珠丝杠直线导轨滑台模组配合，并由滚珠丝杠直线导轨滑台模组驱动；

所述装置对复合材料板材制孔及力热现象表征包括如下步骤：

(1)，将滚珠丝杠直线导轨滑台模组底面与底板连接固定；

(2)，将钻头安装于电主轴上，并将电主轴移到电主轴夹具合适位置，拧紧螺栓实现夹持，电主轴夹具与夹具Ⅰ连接固定于滑块上；

(3)，将测力传感器下表面螺纹孔与夹具Ⅱ螺栓连接，固定于底板上，其上表面螺纹孔与夹持试样的L型夹具连接固定，测力传感器连接电脑传输测力数据；

(4)，确定复合材料板材钻孔位置，调整试样距离，上下盖板与L型夹具对应，同时拧紧左右螺栓进行夹持，使复合材料板与水平桌面保持竖直；

(5)，将红外热成像仪置于钻孔轴向进给方向的一端，或复合材料板侧，连接电脑传输温度数据；

(6)，制孔周围埋设的热电偶丝同时收集温度数据。

本发明的快速搭建复合材料板材制孔平台实现力热现象表征的方法进一步为：所述L型夹具的中心留出用于观察复合材料板钻孔现象的矩形窗口。

本发明的快速搭建复合材料板材制孔平台实现力热现象表征的方法进一步为：所述复合材料板材和红外热成像仪位于L型夹具的不同侧。

本发明的快速搭建复合材料板材制孔平台实现力热现象表征的方法进一步为：所述测力传感器为三向或六向测力传感器，轴向进给方向为所测力和力矩方向；其通过传输到电脑上获取钻削时力的实时数据。

本发明的快速搭建复合材料板材制孔平台实现力热现象表征的方法进一步为：所述红外热成像相仪架设于复合材料板钻出口一侧或者复合材料板侧，其测得温度数据保存在电脑中。

本发明的快速搭建复合材料板材制孔平台实现力热现象表征的方法还为：所述热电偶在距离制孔边缘一定距离埋设，测得钻孔周围温度分布，与红外热成像仪测得数据进行比对校准。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1.本发明的快速搭建复合材料板材制孔平台实现力热现象表征的方法实现桌面级小型复合材料钻孔平台快速搭建，实现多参数加工条件，操作简单，灵活搬运，成本合理。

2.本发明的快速搭建复合材料板材制孔平台实现力热现象表征的方法实现了复合材料板材钻孔过程中轴向力，扭矩，温度值的实时监测，有利于从力热方面综合考察加工参数对复合材料板材钻削的影响。

3.本发明的快速搭建复合材料板材制孔平台实现力热现象表征的方法利用所设计的复合材料板材夹持装置，通过红外热成像仪既可实现复合材料板侧温度测量也可得到钻孔出口表面温度值。

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附图说明

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图1是本发明的复合材料板材钻削及表征装置的立体图。

图2是图1的局部立体图。

图3是红外热成像仪位于复合材料板钻出口一侧的示意图。

图4是红外热成像仪位于复合材料板材一侧的示意图。

图5是热电偶布置于复合材料板材上的示意图。

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具体实施方式

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请参阅说明书附图1至附图5所示，其为本发明的一种复合材料板材钻削及表征装置，其用于快速搭建复合材料板材1的制孔平台，并实现力热表征。该由电主轴7，钻头5，电主轴夹具6，滚珠丝杠直线导轨滑台模组11，滑块9，步进电机10，底板12，L型夹具3，盖板2，夹具Ⅰ8，夹具Ⅱ4，测力传感器13，红外热成像仪14，热电偶15等几部分组成。

其中，所述钻头5安装于电主轴7上，其由电主轴7驱动而对复合材料板材1进行钻孔。所述电主轴夹具6夹持直径与电主轴7直径吻合，电主轴夹具6顶端中间存在缺口，通过两个螺栓拧紧实现与电主轴7夹持固定。所述电主轴夹具6两侧各有2个通孔，与夹具I8上的中心四个螺纹孔固定。

所述滚珠丝杠直线导轨滑台模组11一侧安装所述步进电机10。所述步进电机10驱动滚珠丝杠直线导轨滑台模组11中的丝杠旋转。所述滑块9和滚珠丝杠直线导轨滑台模组配合，并由滚珠丝杠直线导轨滑台模组11驱动而轴向进给，实现钻头5一定速度的轴向运动。所述滑块9两端各有4个螺纹孔，与夹具I8两侧8个螺纹孔螺栓固定连接。所述滚珠丝杠直线导轨滑台模组11底部有8个活动T型螺母，与底板12通孔以螺栓固定。

所述盖板2分为上下两块盖板，各盖板2的两端各有一个通孔。所述L型夹具2的中心留出矩形窗口16，用于复合材料板材1钻孔时现象捕捉，矩形窗口16四周各有一通孔。

所述复合材料板材1夹持时，先确定板材钻孔位置，调整试样距离；上盖板2置于复合材料板1外侧，与L型夹具3通孔处对应，同时拧紧左右螺栓，再利用下盖板2固定夹持材料。盖板2材质采用不锈钢，满足一定厚度以及长宽比，避免在螺栓固定时发生弯曲变形。

所述测力传感器13上表面与L型夹具3下部螺栓连接固定，其下表面与夹具Ⅱ4螺栓固定。所述夹具Ⅱ4四周螺纹孔与底板12预设安装孔栓接，确保钻削不发生偏移。所述测力传感器13的X或Y向与钻削轴向进给方向一致，以精确测量进给方向的力及扭矩值。在本实施方式中，所述测力传感器13为三向或六向测力传感器，轴向进给方向为所测力和力矩方向；其通过传输到电脑上获取钻削时力的实时数据。

所述红外热像仪14有两种观察方式，其将测得温度数据保存在电脑中。一种为正对于复合材料板1钻削出口处，获得出口表面温度分布，该红外热成像仪14和复合材料板材1位于L型夹具3的不同侧，从而有效减少切屑对红外热像仪14造成的危害，另一种将红外热像仪14架置复合材料板1侧端，捕捉钻削过程中温度随时间变化规律。所述复合材料板材和红外热成像仪位于L型夹具的不同侧。

所述复合材料板1观察侧面钻削温度时，其制孔边缘与复合材料板1侧距离p大致为1-2mm，相邻孔距离为q，大小为孔径的2倍以上。利用热电偶14观察制孔周围温度分布，其在制孔边缘间隔一定间距钻直径约1mm，深度1mm小孔，用于埋设热电偶15，其测得钻孔周围温度分布，与红外热成像仪14测得数据进行比对校准。

所述装置对复合材料板材制孔及力热现象表征包括如下步骤：

(1)，将滚珠丝杠直线导轨滑台模组11底面与底板12连接固定；

(2)，将钻头5安装于电主轴7上，并将电主轴7移到电主轴夹具6合适位置，拧紧螺栓实现夹持，电主轴夹具6与夹具Ⅰ8连接固定于滑块9上；

(3)，将测力传感器13下表面螺纹孔与夹具Ⅱ4螺栓连接，固定于底板12上，其上表面螺纹孔与夹持试样1的L型夹具3连接固定，测力传感器13连接电脑传输测力数据；

(4)，确定复合材料板材1钻孔位置，调整试样距离，上下盖板2与L型夹具3对应，同时拧紧左右螺栓进行夹持，使复合材料板1与水平桌面保持竖直；

(5)，将红外热成像仪14置于钻孔轴向进给方向的一端，或复合材料板1侧，连接电脑传输温度数据；

(6)，制孔周围埋设的热电偶丝15同时收集温度数据，与红外热成像仪测得数据进行比对校准。

综上所述，本发明的快速搭建复合材料板材制孔平台实现力热现象表征通过如下方式获得：夹持复合材料板1后，电主轴7给以钻头5一定转速，滚珠丝杠直线导轨滑台模组11的滑块9给以钻头5一定进给速度，实现复合材料板1钻削，通过测力传感器13实时测定得到的钻削力的数据，及红外热像仪14和热电偶15捕捉的温度数据，对于钻削复合材料板1进行全面的分析考察。

以上的具体实施方式仅为本创作的较佳实施例，并不用以限制本创作，凡在本创作的精神及原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本创作的保护范围之内。