© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net新材料新工艺碳纤维复合材料的后加工工艺胡宝刚赵建设李德茂
中国航天工业总公司所北京文摘碳纤维复合材料后加工时易产生各种加上缺陷刀具磨损快尺
寸
控制困难本文通过对碳纤维复合材料的切削制孔切割等后加工工艺的研究对
各种后加工工艺用的刀具材料几何角度提出了建议并推荐了相应的工艺参数
,
关键词
碳纤维复合材料‘,’后加工工艺切削制孔切割
前言间剪切强度低和导热性差其难加工性表现碳纤维复合材料因其优良的性能而在为刀具的磨损快切削阻力大和由于切削温航天领域中获得广泛的应用其构件质量度高而产生的分层和烧损从而大大影响了
轻比刚度高但成型后的构件精度往往达刀具的使用寿命所以要解决碳纤维复合材不到要求需进行后加工料的切削首先应解决刀具的使用寿命
问
碳纤维复合材料属难加工材料其加工题
过程中易产生分层撕裂毛刺拉丝崩块我们曾对碳素钢高速钢硬质合金和等缺陷尺寸控制比较困难加工时刀具温聚晶金刚石刀具进行切削碳纤维复合材料
度很高极易产生发热堵塞现象从而导致的试验得到了切削时间与刀具磨损量之间碳纤维表面碳化影响表面加工质量的关系曲线见图碳素钢作为切削
刀具
碳纤维复合材料的后加工工艺可分为材料在碳纤维复合材料加工领域中的应用以下三类①用于保证构件精度的切削工已远远不能满足使用要求高速钢材料由
于
艺②用于连接装配的制孔工艺③切割工近年晶粒细化增加了刀具强度和耐磨性艺在碳纤维复合材料加工领域仍可继续使用本文就以上各种后加工工艺刀具种而硬质合金刀具由于晶粒超细化结合界类材质几何角度等分别进行讨论并推荐面增大出现了整体硬质合金刀具群改善了相应的加工工艺参数了刀具的刚度和使用寿命从而在碳纤维复碳纤维复合材料的切削工艺合材料加工领域中获得广泛应用聚晶金刚碳纤维复合材料属难切削材料构成这石刀具的出现使碳纤维复合材料表面加工种材料难切削特性的原因主要有硬度高层质量大幅度提高以车代磨逐步成为可能宇航材料工艺年第期一一© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
切阴时间,卜图不同刀具切削时间与刀尖磨损之间的关系碳素钢高速钢硬质合金聚晶金刚石可以预料聚晶金刚石刀具将作为首选刀具而在碳纤维复合材料加工中得到应用用人造金刚石聚晶刀具加工碳纤维复
合材料时易采用低速中走刀大吃深和干
切削刀具几何角度和切削用量的选择是保
证碳纤维复合材料表面加工质量的关键建议采用表的刀具参数表人造金刚石聚晶刀具几何参数
人造金刚石聚晶刀具加工碳纤维复合材料的切削速度为走刀量为吃刀量为
一一
为了避免切削难的问题往往采用磨削或特种加工但是磨削效率很低进给量
一
般在之间金刚石砂轮和树脂结合剂砂轮适合于碳纤维复合材料的磨削加工但树脂结合剂砂轮易粘刀引起堵塞建议采用粒度为的金刚石砂轮作为磨削工具
特种加工如高温切削振动切削超
塑
性切削等通过两种或两种以上的能量集于一体往往能取得很好效果国内应该在这
些方面展开研究以期特种加工能在碳纤维
复合材料加工领域获得广泛应用
此外金属陶瓷刀具等新型刀具是否适
合于碳纤维复合材料的加工到目前为止还
没有结论国内应该加紧这方面的研究
瑞
典公司用于加工玻璃纤维和碳纤
维复合材料的刀具群的出现是值得注意的
动向碳纤维复合材料的制孔工艺碳纤维复合材料制孔时容易产生下列问题
①层间分层和出口层分层
②孔径收缩尺寸精度难以保证③出口层边缘易产生劈裂拉丝崩块④攻丝时易掉扣局部掉渣⑤碳颗粒快速磨损刀具⑥导热性差排屑不好这些问题的产生一方面来自刀具另一方面来自工艺方法下面分别予以讨论
刀具材质的影
响
碳纤维复合材料的相当硬度是高速钢钻头钻碳纤维复合材料孔时磨损极快钻削过程是刀具与碳纤维复合材料之间相互挤压的过程一只钻头只能钻个孔而且精度低孔径不稳定硬质合金钻头钨钻类有较高的弯曲强度和韧性可以减少钻削时的崩刃而且刀具刃
宇航材料工艺年第期
已月寡件
角度名称称角度作用前角适当增大可以加大刀具切切割作用减少切削热提高
刀
具寿命
后角适当增大保证切削轻快减
少摩擦和切削热热
主偏角于可减小径向力和振动提高
刀
具强度改善刀具散热条件件
刃倾角几适当减小补可减小加工中的
冲击力保持刀具强度
刃口形叫锐刃保持刃口锋利
刀尖形状状圆弧刃或提高刀尖强度和耐用度
修光刃一© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
磨性好适于磨出锋利的刃口从而使钻削顺畅以硬质合金为例其硬度约为弯曲强度为这类刀具基
本上能够满足碳纤维复合材料制孔的需要
但硬质合金钻头德窝钻铰刀一般适于中以内小孔的加工
对于中以上的大孔的制孔工艺国内研制了电镀金刚砂套料钻这种刀具排
屑困难易堵塞可在背面打一通孔以利排
屑还有一种新型刀具即在钢基体上直接镀一层金刚砂有时钢基体做成锥形表面
使钻铰一次完成以提高制孔效率用于碳纤维表面德窝的惚窝钻一般采用硬质合金嵌片也可在钢基体上镀一层约的人造金刚砂以提高使用寿命并且克服整体硬质合金刀具的脆性钻头形式及钻头几何参数刀具形式及几何参数直接影响被加工
表面的质量制孔时产生分层的主要原因是作用在层压板上的轴向力太大导致中
间层
上的拉伸应力大于剪切强度与轴向力有关的因素主要有钻芯厚度螺旋角顶角等有资料报道德国公司的抛物线槽形麻花钻头可以减小轴向力倍该钻头的主要特点是①容屑槽有效空间大易排屑②钻芯增厚刚性好③沟槽磨光抛光并氧化处理④螺旋角加大到⑤顶角加大到⑥钻头修薄到为钻头直
径钻芯厚度与轴向力之间的关系见图
横刃长度与轴向力之间的关系见图钻型方面双刃扁钻和四刃铰刀式扁钻采用小的刃倾角前端尖锐后角很大切削刃口锋利有利于减小轴向力
宇航材料工艺年第
期
钻芯厚度图钻芯厚度与轴向力之间的关系
只二疽
澳
橄刃长度
图横刃长度与轴向力之间的关系
碳纤维复合材料钻削参数的制定碳纤维复合材料制孔工艺参数对制孔影响很大其中进给速度对制孔质量影响最大进给速度与轴向力之间的关系见图
、只厄解
进给速度
一
图进给速度与轴向力之间的关
系
一般采用低速进给和较大转速为宜建议碳纤维复合材料制孔参照下列参数进行
一一© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
钻中以内的孔时机床转速,,
一进给速度为
一
钻中以上大孔时一般应采用金刚石套料钻机床转速一一
进给速度为一在碳纤维复合材料构件上制孔时一般应选取与构件金属相同的钻削参数特种工艺在碳纤维复合材料制孔中的
应用根据目前刀具现状碳纤维复合材料制
孔按以下要求进行①巾中孔用高速钢钻头中中
孔用硬质合金钻头
巾以上大孔用金钢石套料钻头钻
孔再用硬质合金铰刀铰孔②划窝钻建议采用硬质合金和金刚砂
金刚砂镀层选用““粒度
③制孔时保持刀具峰利使切屑易排出④制孔时应控制进给速度在
⑤为防止出口处分层孔的出口面应
垫
板或在出口处固化一层玻璃胶布以防止出
口表层的分层和劈裂
⑥制孔时应用吸尘器或抽风罩清除
碳
粉尘以防电器设备短路
⑦高精度孔采用钻铰结合工艺碳纤维复合材料的切割工艺碳纤维复合材料切割过程中易产生两种缺陷一是切口损伤二是层间分层切口损伤主要是切口边缘附近产生出口分层撕
裂毛刺拉丝等缺陷层间分层主要是指碳纤维复合材料层与层之间发生的分离使构件内部组织变得疏松从而降低了构件强度
和其它性能切割工艺研究的目的是防止加土缺陷的产生和保证切割精度
碳纤维复合材料的切割可以采用激光切割高压水切割等特种工艺也可以用金
一一
刚石砂轮片切割工艺特种工艺在理论上是可行的但实际上很少应用以高压水切割为例由于高压水射流能量的损失切口不直精度低在碳纤维复合材料切割中的应用受到限制而机械切割工艺由于成本低
使用方便在碳纤维切割领域获得广泛应用但在切割工具切割工艺参数上应作适
当调整本文只进行碳纤维复合材料机械切
割工艺的讨论切割工具一般选用金刚石砂轮片作为切割刀具有时为加强基体强度防止切割振动偏摆也选用如图所示的切割工具
荃体
金刚砂铰层
图加强的金刚石砂轮片金刚石砂轮片由基体和金刚砂镀层组成基体厚度一般为起支承作
用镀层是切割工具的工作部位其厚度约一般的镀层硬度在以上而碳纤维复合材料制品的硬度一般为
所以选用金刚砂镀层的砂轮片作为切割工具是可行的镀层一般选了“粒度
切割
试验
将金刚石砂轮片安装在卧式铣床
上切
割碳纤维复合材料层板切割时层板背面用垫板支衬以防切透时造成切口边缘的撕裂
和拉丝缺陷切割厚板时一般采用双面切割
工艺即分别从两面各切割一半以减少切割时产生分层等缺陷这种方法切口对接
处
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