碳纤维复合材料的后加工工艺.pdf

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1、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703所北京20 0 026)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。A bstractPost一ma ehiningoftenresultsinalotoft na ehiningdefe etsine a r-bonfibr eeompo,itemate rial.To olswe arquiek ly,andit15diffie ult

2、toe ontr oldi-mensio ns.Mate riala ndgeometryangleofto olsu sedinpost一ma ehining15r e eom-mendedbystudyingdrillingandeut tingte ehn olog yforea rbonfibe re ompositemate rial,ande or respondingteehnologyparameter15give n.关键词碳纤维复合材料,0 2),后 加工工艺切削,制孔,切割1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

3、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1。碳素钢作为切削刀具碳纤维复合材料的

4、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: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;用于连接装配的制孔工艺;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2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

5、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19 95年第1期一3 1一0.51.01.52.0切阴时间,/卜图1不同刀具切削时 间与刀尖磨损 之间的关系1,碳素钢;2,高速钢;3,硬质合金;4,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1的刀具参数。表1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v为6 01 10m/m i

6、 n;走刀量:为0.61.om m/r;吃刀量t为1一3 2一Zmm。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0.0 20.10m m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 6 0#8 0#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

7、该加紧这方面的研究。瑞典S an dv ik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。3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:层间分层和 出口层分层;孔径收缩,尺寸精度难以保证;出口层边缘易产生劈裂、拉丝、崩块;攻丝时易掉扣,局部掉渣;碳颗粒快速磨损刀具;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。3.1刀具材质的影响碳纤维复合材料的相当硬度是H R C5 5H RC6 0,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12个

8、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19 95年第1期2 30.10.0.已户u/月.寡件角角度名称称角度/(。)作用用前前角y y y1215 5 5适 当增大y,可以加大刀具切切割割割割作用,减少 切削 热,提高刀刀具具具具寿命命后后角a a a68 8 8适 当增大a,保证切 削轻快,减减少少少少摩擦和切削热热主主偏角于于7 59 0 0 0可减小径 向力和振动,提高刀刀4 4 4 4 4 560 0 0具强度,改善刀具散热条件件刃刃倾 角几几05 5 5适 当减小补可减小加工中的的冲冲冲冲击力,保持刀

9、具强度度刃刃口形叫叫锐刃刃保持刃口锋利利刀刀尖形状状圆弧刃或或.提高刀尖强度和耐用度度修修修光刃刃刃r r r r r一0.20。g g g g gc c c c cl1.5磨性好,适于磨出锋利的刃口,从而使钻削顺畅。以Y33 0硬质合金为例,其硬度约为HR Bgo,弯曲强度为ZooMPa,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lomm以内小孔的加工。对于中lom m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

10、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0.Zmm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。3.2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Gub ri ng公司的抛物线槽形麻花钻头可以减小轴 向力34倍,该钻头的主要特点是:容屑槽有效空间大,易排屑;钻芯增厚,刚性好;沟槽磨光、抛光并氧化处理;螺旋角加大到35。4 0。;顶角加

11、大到13 0。;钻头修薄到0.o o7 5d(d为钻头直径)。钻芯厚度与轴向力之间的关系见图2;横刃长度与轴向力之间的关系见图3。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199 5年第1期0.51.01.5钻芯厚度/mm图2钻芯厚度与轴向力之间的关系2150 0只,。二10 0疽占,澳0.51.01.52.0橄刃长度/mm图3横刃长度与轴 向力之间的关系3.3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4。0Z、只厄解进 给速度/

12、m m.r一1图4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:一33一钻中lomm以内的孔时,机床转速,=20 0一120 0r/min,进 给速 度 为0.01一0.lom r n/r;钻中lom m以上大孔时,一般应采用 金刚石套 料 钻,机床转速n一1 20 0一2 80 0r/min,进给速度为0.01一0.O3m m/r;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。3.4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:巾3m m中6m m孔用高速钢钻头,中6mm中

13、10m m孔用硬质合金钻头,巾lomm以上大孔用金钢石套料钻头钻孔,再用硬质合金铰刀铰孔;划窝钻建议采用硬质合金 和金刚砂,金刚砂镀层选用8 0“10 0“粒度;制孔时保 持刀具峰利,使 切屑 易排出;制孔时应控制进给速度在0.0 10.O3mm/r;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;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;高精度孔采用钻铰结合工艺。4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

14、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,也可以用金一34一刚石 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。4.1切割工具一般

15、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5所示的切 割工具。荃体金 刚砂铰层图5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1.5Zmm,起支承作用;镀层是切割工具的工作部位,其厚度约0.Zom m。一般的镀层硬度在HRC8o以上,而 碳纤维 复 合材 料 制品的硬度 一 般 为H RC6 0,所以选用金刚砂镀层的砂轮 片作为切割工具是可行的。镀层一般选6了10 0“粒度。4.2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

16、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(下转第4 4页)宇航材料工艺19 95年第1期可用式(1)(2)(3)(4)(5)加以描述。从(5)式可知,纤维含量的提高使基体处于弹性阶段的线膨胀系数ae减少;而从(1)式可看出纤维含量的提高使基体弹性塑性转变温度降低;再综合(3)式可知,Vf的提高降低了R T47 3K间线膨胀系数。实际 上纤维含 量的提高增加了纤维对基体的约束,降低了基体处 于弹性变形时的a e和缩短弹性变形的温度区间,从而降低了复合材料的线膨胀系数。4结论(l)碳/镁复合材料具有很低的线膨胀系数,并且纤维模量越高,碳(或石墨)/镁复

17、合材料的线膨胀系数越低。(2)随着纤维体积含量v,的增 加,碳(或石墨)/镁复合材料的线膨胀系数 由快到慢逐渐下降。(3)碳/镁复合材料的线膨胀系数比碳/铝的更低。参考文献1He nryH.TheEnigmaoftheeightie s.Envir onment,Eeonomies,Ene rg y,19 79;254:1250126 52WadeWD,Elliso nAM.ibid,126512763Wol ffEG.T hermalexpansionof metalmatrixcomP二AD一A10 46804WolffEG.The rmaleyelingofaunidir ee-tion

18、algr aphite一magn esiumeomp二J.ofMater,Sei.,1985;205王鸿华,李贤淦,张国定,吴人洁.T3oo/L DZ热循环时产 生滞后 环 原因 及改善方 法探 讨、复合材料学报,2 990;7(s)6王鸿华,李贤淦,张国定,吴人洁.基体和纤维种类对复合材料线 膨胀系数 的影响.机 械工程材料,19 90;14(l)(上接第3 4页)有接台,接台可用8 0“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:砂轮转速:)z soor/min;切 割速度:0.10.6mm/min;镀层厚度:0.1一0.

19、Zm m。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。机械切割工艺适于 切割直线类碳纤维复合材料制品,对于曲线类切口加工应借助于数控高压水切割等更为先进的手段。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,这一新技术的应用只是时间问题。5结论碳纤维复合材料 的后加工是其能否获得广泛应用的关键,刀具是制约碳纤维复合材料后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后加工问题,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刀具群和后加工工艺技术,从而促进碳纤维复合材料在航天产品中的应用。参考文献1宋焕成,赵时邪主编聚合物基复合材料国防工业出版社,19 86年2赵渠森.复合材料飞机构件制造技术.航空工业 出版社,198 9年3沃西源.先进 复合材料切 割加 工工艺.航天工艺,1992;(1)一44一宇航材料工艺199 5年第1期