[发明专利]一种碳纤维复合材料摩擦系数测量的实验方法

说明书

技术领域

本发明属于机械检测技术领域，涉及一种碳纤维复合材料摩擦系数测量的实验方法。

背景技术

碳纤维复合材料轻质、高强，广泛应用于航空航天以及汽车制造等领域。尽管碳纤维复合材料相比传统材料而言具有很强的可设计性，然而由于装配需要，对其进行钻削、铣削等加工在所难免。碳纤维复合材料细观上呈由纤维、树脂、界面组成的混合态，由于树脂导热性能差，在复材制件特别是大厚度、大尺寸复材制件加工中,高强高硬纤维与刀具间摩擦作用强烈，摩擦产热多；然而，复材中基体导热性极差，热集聚明显，极易导致复材温度过高，而超过基体玻璃化温度后软化，加剧分层、撕裂等损失，以及粘刀严重而加剧刀具磨损。因此，复材加工损失及刀具磨损的理论及数值模拟研究中，必须充分考虑切削热影响。切削热分析的关键为准确描述复材切削过程中刀具与材料间摩擦状态以及摩擦系数的准确测量。然而，由于碳纤维增强树脂基复合材料细观上呈纤维、树脂、界面的混合态，宏观上呈非均质各向异性，造成切削过程中各纤维方向的去除机理不同，导致刀具与材料的接触状态不同。因此需充分考虑纤维角度以及已加工形貌的影响。然而，很难将此种情况下的摩擦状态进行等效，也很难准确测量其摩擦系数。

针对复合材料摩擦系数的测量这一问题，国内外已开展相关研究，通过使被测件回转，测头直线进给的方式测量了碳纤维复合材料的摩擦系数。然而，该方法未能反映不同纤维角度切削时已加工形貌所对应的刀具与材料之间的接触状态，而无法准确描述复材切削过程中的多种摩擦状态，其所获的摩擦系数不具有准确性和可靠性。Olga Klinkova等人发表的《Characterization of friction properties at the work material/cutting tool interface during the machining of randomly structured carbon fibers reinforced polymer with carbide tools under dry conditions》一文在《Tribology International》2011年第44期第2050到2058页中，没有准确描述不同纤维角度切削时刀具与工件材料的接触状态，也没有反映出纤维角度对摩擦状态的影响，其所测摩擦系数在使用上具有局限性。此外，从细观层面看，直角切削过程作为切削加工过程的基本单元，可以直观清楚地反映出刀具与工件之间的作用关系，同时，使用直角切削能方便地描述出切削时刀具与复合材料之间所成的纤维角度，因此可将钻削与铣削过程中刀具与工件之间的摩擦问题等效到直角切削中去研究。因此，本发明提出一种虑及纤维角度对刀具与材料间相互作用影响的摩擦系数的测量方法，该方法通过直角切削获得任意纤维角度单向板已加工表面，进而等效复合材料切削加工过程中刀具与材料的实际接触状态，以准确获得能够反映真实摩擦状态的摩擦系数，为后续理论及仿真分析提供实验基础。

发明内容

本发明为解决现有技术的缺陷，发明了一种先通过直角切削获得任意纤维角度单向板已加工表面，再测量其摩擦系数的实验方法。该方法将被测件固定在直线电机的动子上，由直线电机动子带动被测件先进行直角切削，形成已加工表面；再利用测头划擦已加工表面以测定摩擦系数。通过调节微位移平台，可将刀具以及测头沿垂直于工件运动的方向进行微进给，从而调节直角切削切深，并能通过设定测头与已加工表面之间的接触深度施加预压力。测头通过专用夹具与测力仪相连，通过读取测头受到的切向力和法向力，利用有关公式计算得到碳纤维复合材料的摩擦系数。通过使用不同纤维角度的碳纤维复合材料单向板，测定摩擦系数与其纤维角度之间的关系。通过调节直线电机的速度，测定切削速度对摩擦状态的影响。同时，利用超景深显微镜，可对其摩擦过程进行在线观察。方法涉及内容全面、完整，易于操作。

本发明采用的技术方案是一种碳纤维复合材料摩擦系数测量的实验方法，其特征是，被测件通过直线电机动子搭载，先进行直角切削、后进行摩擦系数测量实验。通过测量测头受到的切向力和法向力，利用有关公式计算其摩擦系数。使用不同纤维角度的碳纤维复合材料单向板进行实验，测定纤维角度对碳纤维复合材料摩擦系数的影响；调节直线电机的速度，测定切削速度对摩擦状态的影响；采用超景深显微镜对摩擦过程进行在线观察。实验方法具体步骤如下：

1)搭建实验装置