碳纖維復(fù)合材料磨削溫度實(shí)驗(yàn)研究

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1、碳纖維復(fù)合材料磨削溫度實(shí)驗(yàn)研究 摘要 提出了一種改進(jìn)的磨削溫度測(cè)量方法。與傳統(tǒng)的方法不同之處在于，該方法是利用導(dǎo)熱膏將工件表面溫度傳遞給熱電偶。采用三種方法測(cè)量了碳纖維復(fù)合材料的磨削溫度。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可 　　摘　要：提出了一種改進(jìn)的磨削溫度測(cè)量方法。與傳統(tǒng)的方法不同之處在于，該方法是利用導(dǎo)熱膏將工件表面溫度傳遞給熱電偶。采用三種方法測(cè)量了碳纖維復(fù)合材料的磨削溫度。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，改進(jìn)的磨削溫度測(cè)量方法完全可以替代傳統(tǒng)的夾絲法，很適合測(cè)量碳纖維復(fù)合材料的磨削溫度。 　　關(guān)鍵詞：碳纖維復(fù)合材料;磨削溫度;測(cè)量方法;實(shí)驗(yàn)研究 　　碳纖維復(fù)合材料作

2、為一種先進(jìn)材料，具有比強(qiáng)度高、模量大、吸振性好、熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)。由于比強(qiáng)度大，使其在航空航天、汽車(chē)及運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[1-3]。然而，這些領(lǐng)域?qū)μ祭w維復(fù)合材料尺寸、精度、裝配等要求極高，因此必須對(duì)其進(jìn)行精密加工。磨削作為一種精加工方法，獲得的尺寸誤差小、精度高，所以常常被用于復(fù)合材料的加工[3-9]。 　　推薦期刊：《復(fù)合材料學(xué)報(bào)》本刊主要刊載我國(guó)復(fù)合材料基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究方面具有創(chuàng)造性、高水平和具有重要意義的最新研究成果的論文?？d范圍:纖維、織物、顆粒或晶須增強(qiáng)聚合物基、金屬基、陶瓷基等復(fù)合材料及其復(fù)合薄膜或復(fù)合涂層材料(包括：結(jié)構(gòu)、功能、生物骨結(jié)構(gòu)、電子、建筑等復(fù)

3、合材料)的制備、性能、設(shè)計(jì)等，以促進(jìn)國(guó)內(nèi)外復(fù)合材料研究領(lǐng)域的學(xué)術(shù)交流及先進(jìn)復(fù)合材料的推廣應(yīng)用。 　　近幾十年來(lái)，為了獲得準(zhǔn)確的磨削溫度，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，包括有限元模擬分析、理論分析、實(shí)驗(yàn)測(cè)量。其中實(shí)驗(yàn)測(cè)量磨削溫度的方法主要有兩大類(lèi)：間接測(cè)量與直接測(cè)量[10]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究磨削溫度多采用直接測(cè)量法。直接測(cè)量法分為兩大類(lèi)：紅外測(cè)溫技術(shù)和熱電偶測(cè)溫法。在各種磨削溫度測(cè)量方法中，熱電偶方法是最常使用的。熱電偶測(cè)溫法又可以分為兩大類(lèi)：埋絲法、夾絲法。本文采用一種改進(jìn)的熱電偶方法對(duì)碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的磨削溫度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。 　　1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 　　1

4、.1實(shí)驗(yàn)材料 　　本文以碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板為實(shí)驗(yàn)材料，其結(jié)構(gòu)是由單向預(yù)浸布和多向編織預(yù)浸布疊層鋪設(shè)而成，如圖1所示，該實(shí)驗(yàn)材料上下兩表層是由0和90的纖維交織而成，中間共30層是由0和90的單向預(yù)浸布組成。材料切尺寸為50mm50mm10mm(長(zhǎng)寬厚)，如圖2所示。 　　1.2實(shí)驗(yàn)方法 　　夾絲法是一個(gè)相對(duì)方便、造價(jià)低廉的測(cè)溫方法，但同時(shí)也有一些缺點(diǎn)必須予以改進(jìn)，所以本文采用一種改進(jìn)的夾絲法。傳統(tǒng)的夾絲法分兩種，最早的夾絲法，要把工件加工成兩塊，很不符合實(shí)際工程應(yīng)用。因此有學(xué)者提出了另一種夾絲法，是一種簡(jiǎn)單而且不用破壞工件的夾絲法。如圖3所示，在

5、工件上開(kāi)通孔，然后將標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的焊接節(jié)點(diǎn)制作成和孔直徑大小一樣，并固定在孔中，這種方法要求孔的大小與熱電偶節(jié)點(diǎn)的大小一致，使得熱電偶與工件表面接觸，才能測(cè)量出工件表面溫度，但該方法在測(cè)量過(guò)程中熱電偶節(jié)點(diǎn)容易被磨掉。而且在工件上鉆出與熱電偶節(jié)點(diǎn)大小一致的孔就十分困難。為此本文提出一種改進(jìn)的方法：如圖4先在工件上打通孔，此通孔可以大于熱電偶節(jié)點(diǎn)的大小，然后將熱電偶插入孔中(注意：熱電偶節(jié)點(diǎn)與工件表面存在一定的距離)，然后將導(dǎo)熱膏注入孔內(nèi)，用導(dǎo)熱膏封口，并固定好熱電偶。過(guò)了2h以上，待導(dǎo)熱膏凝結(jié)后就可以進(jìn)行磨削實(shí)驗(yàn)了。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，工件表面溫度通過(guò)導(dǎo)熱膏傳遞給熱電偶，即可測(cè)出磨削工件表面溫度。

6、 　　1.3實(shí)驗(yàn)過(guò)程 　　實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：首先在工件中央鉆兩個(gè)通孔(圖5孔1、2)和一個(gè)盲孔(圖5離上表面2mm的孔3)，直徑為2mm。對(duì)于埋絲法只需將熱電偶與盲孔3底端接觸牢靠，然后從工件下表面將環(huán)氧樹(shù)脂膠注入孔內(nèi)，使熱電偶固定在工件上即可(見(jiàn)圖6)。對(duì)于傳統(tǒng)的夾絲法，首先要制備熱電偶節(jié)點(diǎn)，使節(jié)點(diǎn)大小與孔的直徑相當(dāng)，然后從下表面注入少量的環(huán)氧樹(shù)脂膠使熱電偶固定在工件上。本文提出的改進(jìn)方法(對(duì)應(yīng)圖5通孔1)，與傳統(tǒng)夾絲法不同之處在于，上表面用導(dǎo)熱膏封口，溫度通過(guò)導(dǎo)熱膏(導(dǎo)熱能力很強(qiáng))傳給熱電偶。而傳統(tǒng)的夾絲法溫度是直接傳給熱電偶節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)暴露在工件表面容易被磨掉。

7、 　　熱電偶一端固定在工件上之后，其另一端連接NI公司的溫度采集設(shè)備，然后溫度采集設(shè)備再與計(jì)算機(jī)連接。最后將工件固定在機(jī)床上，就可以進(jìn)行磨削溫度的采集。 　　2結(jié)果與討論 　　圖7為A1(ap=5μm，vw=8.5m/min，vs=1440r/min)實(shí)驗(yàn)的溫度變化曲線。為了減少篇幅本文只給出A1實(shí)驗(yàn)的溫度變化曲線，其他實(shí)驗(yàn)的曲線類(lèi)似。但是在傳統(tǒng)的夾絲法測(cè)量磨削溫度實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，進(jìn)行到第7次時(shí)熱電偶2的節(jié)點(diǎn)就被磨掉，因此無(wú)法形成回路，不能獲得真實(shí)的磨削溫度，其溫度曲線如圖8所示。 　　圖9所示為磨削溫度隨著磨削深度的變化曲線圖。圖10為磨削溫度隨

8、著工件移動(dòng)速度的變化曲線圖。從圖中可以看出三種方法測(cè)量的磨削溫度都是隨著磨削深度/工作臺(tái)移動(dòng)速度的增大而升高，而且磨削深度對(duì)磨削溫度的影響大于工作臺(tái)移動(dòng)速度。 　　從上圖中可以看出，埋絲法測(cè)得的磨削溫度相較其他兩種方法低很多，這是因?yàn)楸疚乃玫墓ぜ牧蠟樘祭w維環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料，它的熱導(dǎo)率極低，磨削熱量只有很少一部分能夠往工件垂直方向傳遞，因此離工件上表面越遠(yuǎn)，測(cè)得的磨削溫度就越低。本文埋絲法熱電偶位于離工件下表面2mm處，測(cè)得的最高溫度為32.3℃(vw=20.2m/min，ap=25um)，因此可以得出結(jié)論：磨削熱量只有極少部分能夠傳遞到與工件上表面距離大于2mm的地方，也

9、就是說(shuō)碳纖維復(fù)合材料磨削溫度不適合使用埋絲法測(cè)量。 　　從圖中也可以看出，在相同的磨削參數(shù)情況下，三種方法中傳統(tǒng)的夾絲法所測(cè)得的磨削溫度最高。改進(jìn)的夾絲法所測(cè)得的磨削溫度與傳統(tǒng)夾絲法很接近。另外發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的夾絲法熱電偶節(jié)點(diǎn)在6次實(shí)驗(yàn)后就斷了。而本文所提出的方法重復(fù)性卻很好。因此，本文提出的測(cè)量方法完全可以替代傳統(tǒng)的夾絲法，很適合測(cè)量碳纖維復(fù)合材料的磨削溫度。 　　3結(jié)論 　　本文提出一種改進(jìn)的磨削溫度測(cè)量方法，為了對(duì)比，采用三種方法(傳統(tǒng)的夾絲法、埋絲法、本文方法)測(cè)量了碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料的磨削溫度。實(shí)驗(yàn)表明： 　　1)碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料導(dǎo)熱

10、性能極其差，不適合使用埋絲法測(cè)量其磨削溫度。 　　2)隨著磨削深度和工作臺(tái)移動(dòng)速度的增大磨削溫度都升高，磨削深度對(duì)磨削溫度的影響大于工作臺(tái)移動(dòng)速度。 　　3)本文提出的改進(jìn)方法可以很好地測(cè)量出磨削溫度，而且熱電偶節(jié)點(diǎn)不容易斷，重復(fù)性好。 　　參考文獻(xiàn) 　　[1]馬海龍.C/E復(fù)合材料磨削溫度理論建模與分析[D].大連：大連理工大學(xué)，2010. 　　[2]IsbilirO，GhassemiehE.FiniteElementAnalysisofDrillingofCarbonFibreReinforcedComposites[J].App

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