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1、1994年第5 期 导弹 与航天 运载技术 MISSILES AN DSPACEV EHICL ES总第2 1 1期 碳纤维复合材料的切削加工工艺 胡宝 刚 赵建设 李德 茂 (北京材料工艺研究所) 摘要 进行碳纤 维复合 材 料切 削加工时 , 易产生各 种加 工 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 、 切 割等加工工艺 的研究 , 对各种 切削刀具的材料 、 几何角度提出了建议 . 并推荐了相应的工艺参数 。 主题词 碳纤维增强复合材料 , 切 削加工 , 切 割 。 1 前言 碳纤维复合材料因其优良的性能而在航天领域获得更广泛的应用 ,
2、其构件质量轻 、 比 刚度高 , 但成型 后 的构件精度往往达不到要求 , 需要进行后加工 。 碳纤维复合材料属难加工材料 , 其加工过程 中易产生分层 、 撕裂 、 毛刺 、 拉丝 、 崩块 等缺陷 ,尺 寸控制比较困难 , 加工时刀具温度很高 , 极易产生发热堵塞 , 从而 导致碳纤维复合 材料基体表面产生碳化现象 , 影响表面质量 。 本文从切削和 切割工艺角度 , 分别论述了加工 工艺用 的刀具种类 、 材质 、 几何参数 , 并 相应推荐了切削加工工艺参数 。 2 碳纤维复合材料的切削工艺 碳纤维复合材料属难切削材料 , 难切削特性主要有硬度高 、 层 间剪切 强度低和热导性 差 。
3、 其难加工性表现为刀具的缺损 、 崩刃和磨损 。 表 l列出了这种材料的特性与加工缺陷 之间的关系 , 其中最大问题是刀具寿命短 , 主要 原 因是碳纤维磨损和切削热 , 因此要解决碳 纤维复合材料的切削加工问题 , 首先应解决刀具材料问题 。 2 . 1 切削刀具材料 我们曾对碳素钢 、 高速钢 、 硬质合金 和 聚晶金刚石刀具进行切削碳纤维复合材料的试 验 , 得到了切削时间与刀具磨损量之间的关系曲线(见 图l ) 。 刀具的磨损主要是在刀尖处先 形成一个亮点 , 然后 主切削刃和副切削刃相继磨损 , 当主切削刃形成一个反转的渐开线圆 弧 时 , 表明刀具已严重磨损 , 不能再使用 。 本
4、文修改稿于19 9 4年1月4日收到 一 48 一 表 1 碳纤维复合材料特性与切削加工 的关系 加工 时主要问题 层间剪切强度低 热导率低 刀具磨损快 , 切 削阻力大 刀具磨损快 切 削温度高 , 易产生分层 切削温度高 , 基体易碳化 , 刀具易磨损 可以认为 , 在碳纤维复合材料加工 领域 , 碳素钢作为切削刀具材料已接近 尾声;高速钢材料 由于 近年来晶粒细化 , 可增加刀具强度和耐磨性 , 仍可 继续使百 用;石更质合金刀具由 于 晶粒超细化 , 结 导 合界面增大 , 出现了整体硬质合金刀具 晶 群 , 改善了刀具的冈。度和耐用性 , 因而获 霎 得广泛应用;聚 晶金刚石刀具的出
5、现 , 使 碳纤维复合材料表面加工质量大幅度提 高 , 以车代磨逐步成为可能 。 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占有更大比重 。 图1 聚晶金刚石 0 . 51 . 01 . 52 . 0 切削时间 I(h ) 不 同刀具切 削时间与刀尖磨损之 间的关 系 2 .2 切削刀具参数 用人造金刚石聚 晶刀具加工碳纤维复合材料时宜采用低转速 、 中走刀量 、 大吃深度和 干法切削 。 刀具几何参数的选择是保证碳纤维复合材料表面加工质量的关键 , 车削时建议 采用表 2的刀具参数 。 表 2 人造金 刚石 聚 晶刀具加工碳纤维复合材料切削参数 角度名称 前角 下
6、后角 以 主偏角 毋 刃倾角又 刃口形状 角度 12 。 一 15 “ 6 。 一 8 “ 75 “ 一90 “ 4 5 “ 一 60 。 0 “ 一5 “ 锐刃 圆弧刃或 修光刃 r =0 . 2 0 . 5 c= l1 . 5 作 用 适当增大 下 , 可以加大刀具切割作用 , 减少切削热 , 提高刀具寿命 适当增 大 : , 保证切 削轻快 , 减少摩擦和切削热 可减小径向力和振动 , 提 高刀具强度 , 改善刀具散热条件 适当减少又 , 可减小加 工中的冲击力 , 保护刀具强度 保持刃口锋利 刀尖形状 提高刀尖强度和耐用度 一 49 一 铣削时应采用正前角型高速钢铣刀和硬质合金铣刀 ,
7、 正前角铣刀有利于减小切削力 , 双 向螺旋式铣刀有利于防止产生层间剥离 。 建议硬质合金立铣刀选用表 3所列的参数 。 表 3 硬质合金立铣刀几何参数 作 用 螺旋角较大 , 有利于减小切削变形和切削力 适当增 大前角 , 可提 高刀具寿命 , 减小切削力 适当增 大后角 , 可减少对工件的刮擦和损伤 , 减少切削热 2 .3 切削工艺 2 .3 . 1 车削 车削过程中 , 切 屑是外力作用在刀具 上挤压工 件形成的 , 碳纤维复合材料的车 削加工经过挤压 、 滑移 、 挤裂 、 分离四个 阶段 , 相同条件下碳纤维复合材料的切削 力比金属材料要大得多 。 要保证碳纤维复 合材料表面加工质
8、量 , 除选择合适的刀具 参数外 , 还应选择合理的 切削用量 。 切削 用量的大小是影响切削力的重要 因素 , 用 聚 晶 金 刚石刀具车削碳纤维复合材料时 , 建议采用表 4 所列的切削用 量 。 2 . 3 . 2 铣削 表 4 人 造金 刚石 聚 晶刀具车 削 碳纤维复合材料切削用量 名名称 称 切削用量量 切切削速度 、 60 一1 10m/ min n n 走走刀量 s s s 0 . 61 . om m/ r r r 吃吃刀量 t t t 1一Zmm m m 铣削是碳纤维复合材料加工 的一种主要手段 。 一般说来 , 对碳纤维复合材料层板加工 一个延伸到板边缘的切削表面时 , 应
9、先铣削层板边缘 , 以防止分层 。 正确的铣削方法见 图 2 。 国外推荐采用锋利的四槽端面铣刀 , 以提高切削效率和降低切削力 , 从而减少分层 的 可 能性 。 铣削时尽量避免横 向进给 , 只有在背部有足够 的支撑时才可使用横向进给 。 表 5 给 出 了硬质合金立铣刀加工碳纤维复合材料层板时的铣削用量 。 表 5 碳纤维复合材料层板铣削用 量 切削用量 7080m /min 0 . 3Zm m 0 . 05一0 . 10mm/Z 胜卫 峰 班玛解卜 飞 第一刀 第二刀 避免这种情况 图2正确的铣削工艺 一 50 一 2 . 3 . 3 磨削 为了避免切削难的问题 , 往往采用磨削或特种
10、加工 , 但是磨削效率很 低 , 进给量一般在 0 . 0 2 一 0 . IOmm之 间 。 金刚石砂轮和 用树脂胶粘剂制作的砂轮 , 适合于碳纤维复合材料的 磨削加工 , 但易粘刀引起堵塞 , 建议采用粒度为6 0 一8 0 # 的金刚石砂轮作为磨削工具 。 2 .4 特种加工 特种加工是解决碳纤维复合材料加 工 的 一个途径 , 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 ,
11、 到 目前为止还没 有结沦 , 国内应该加紧这方面 的研究 。 瑞典 Sandv ik 公司 的用 于加工玻璃纤维和碳纤维的 刀具群的出现是值得注意的动向 。 3 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工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和高压水切割等特种工艺 , 也可
12、以采用金刚 石砂轮片切割工艺 。 特种工艺在理沦上是可行的 , 但在实际应用中很少见 。 以一般高压水 切割技术为例 , 由于高压水射流能量的损失 , 切口不直 , 精度低 , 其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 , 所以在碳纤维复合材料切割 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 。 3 .1 切割工具 一般选用金刚石砂轮 片作为切割工具(见 图3 ) 。 有时为加强基体强度 , 防止切割振动偏 摆 , 也选用 图4所示的切割工具 。 金刚砂镀层 体 n 少
13、 朴 u 图3金 刚石砂轮片图4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 。 基体厚度一般在 1 . 5一Zm m , 起支承作用 ; 镀 层是切割工具的工作部位 , 其厚度约 o . 2 0 m m 。 一般的镀层硬度 在 H R C8 0 以上 , 而碳纤维 一 5 1一 制品硬度一般为 HRC6 0 , 所以选用金刚砂镀层的砂轮片作为切割工具是可行的 。 镀层粒度 一般选 60一100# 。 3 .2 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
14、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有接台 , 接台 可用8 0一10 0 # 粒度的金刚石磨轮加以修整 , 兼用细砂纸打磨 , 以保证切口质量 。 切割试验按以下参数可获得较理想的切口 : a . 砂轮转速 : 大于 2800 r/ m i n; 谧 已已 摘 只 荆 b . 切割速度 : 0 . 1一0 . 6m m /min ; c . 镀层厚度 : 0 . 1一 o . Zmm 。 此外应选用大功率电动切割工具 , 以提高切割力 , 减少振动和偏摆 。 切割工艺参数与碳纤维复合材料厚 度有很大关系 , 从图 5可以看出进给量 与
15、厚度成反比例 。 对于小于 2 . sm m 的 层板 , 理想的最大切割速 度 是 1 . 3m m/ s。 综上所述 , 机械切割工艺适于 切割 直线类碳纤维复合材料制品 , 而曲线类 切口加工应借助于数控高压水切割等更 2 . 55 . 1 7 . 6 10 . 0 12 . 715 . 2 17 . 8 2 0 . 32 2 . 9 25 . 4 材料厚度(m m) 图5 进刀量与碳纤 维复合材料厚度之 间的关系 为先进的手段 。 目前要解决的是高压水切割的切口质量 和 切割精度问题 ,可 以预期 , 它的应 用只是时间问题 。 4 结论 碳纤维复合材料的切削加工 问题能否解决直接关系
16、到该材料的应用 , 刀具是制约切削 加工工艺的主要 因素 , 而工艺参数的改进则有利于保证加工质量和克服加工缺陷 。 要想真 正解决这一难加工材料的切削加工问题 , 首先应提高工艺设备水平 , 其次是解决适合于碳 纤维复合材料加工的刀具技术 , 在此基础上 , 逐步开发出碳纤维复合材料加工用 的刀具群 , 建 立碳纤维复合材料切 削加工工艺理论 , 从而促进碳纤维复合材料在航天产品中的应用 。 参考文献 宋焕成 , 赵时熙主编 . 聚合物基复合材料 . 国防工业出版社 , 198 6 . 欧洲航天局(荷兰) . 空间结构用复合材料结构设计手册 . 国防工业出版社 , 198 9 . 沃西源 . 先进复合材料切割加工工艺 . 航天工艺 , 199 2(l ) 一 52 一 1994 年第5期 导 弹与航天运载技术 MISSIL ESAN D SPACEV EHICL ES 总第2 1 1期 C on f i nemen t an d G e nerahzat io n f o r S a mPl e l he o ry Fo rm ula H a o Jial l
