碳纤维复合材料的后加工工艺
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
所
李德 茂
北京
中国航天 工业 总 公司
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
,
、
。
一
,
,
一
,
关键 词 前言
碳 纤 维 复合 材 料
‘, ’
,
后 加 工 工 艺切 削 制孔 切 割
, ,
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 等缺 陷 尺 寸控 制 比较 困 难 加 工 时 刀 具 温
, ,
、
、
、
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
、
、
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
以下三类
材 料 在 碳 纤 维复 合材料 加工 领 域 中 的 应 用
已 远 远 不 能 满 足 使 用要 求 高 速 钢 材 料 由于
①用 于 保 证 构 件 精 度 的 切 削 工
艺 ②用 于 连 接 装 配 的制 孔 工 艺 ③切 割 工 艺
。
近 年 晶 粒 细 化 增 加 了刀 具 强 度 和 耐 磨性
,
,
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 类 材 质 几 何 角度 等 分 别进 行讨 论 并推 荐
了相 应 的 加工 工 艺 参数
。 、 、
、
而 硬 质 合 金 刀 具 由于 晶 粒 超 细 化 结 合 界
, ,
,
面 增 大 出 现 了整 体 硬 质 合 金 刀 具 群 改 善
, ,
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
碳 纤 维 复 合材 料 属 难 切 削 材 料 构 成 这
,
合 材 料 加 工领域 中获 得 广 泛 应 用 聚 晶金 刚
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
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质 量 大 幅度 提高 以 车代 磨 逐 步 成 为可 能
,
。
一
一
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。
为 了 避 免 切 削 难 的 问 题 往 往 采 用 磨削
,
已 月 寡 件
户 ‘
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
砂 轮 作 为磨 削 工 具
。
,
的金 刚 石
、 、
特种加工如高温切削 振动 切削 超 塑
切阴时间
,
卜
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
,
,
图
,
不 同 刀 具 切 削 时 间 与 刀 尖 磨 损 之 间 的关 系
碳 素钢
,
,
些 方 面 展 开 研 究 以 期 特 种 加工 能 在碳 纤 维
,
高速 钢
,
硬 质 合金
,
聚 晶金 刚 石
。
复合 材 料 加 工 领 域 获得 广 泛 应 用
, ,
。
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
、
、
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
,
。
用 人造金 刚石 聚 晶刀 具 加工碳 纤 维复
瑞
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
。
典 动向
。
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
证 碳 纤 维 复合 材 料 表 面 加 工 质 量 的关 键 建
,
议采用表
表
角 度名 称 前角
的 刀 具参 数
角度
。
。
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
人 造金 刚 石 聚 晶 刀 具 几 何参 数
作用
适 当增大 可 以 加大刀 具 切 割 作用 减少切 削热 提 高 刀 具寿命
,
,
①层 间 分 层 和 出 口 层 分 层 ②孔 径 收 缩 尺 寸 精 度 难 以 保 证
,
,
后角
适 当 增 大 保证 切 削 轻快 减 少 摩 擦 和 切 削热 热
, ,
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
,
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
,
,
⑤碳 颗 粒 快 速 磨 损 刀 具
⑥导 热 性 差 排 屑 不 好
, ,
。
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
,
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
。
刃 口形
刀 尖形状
叫
锐刃 圆弧刃 或 修光刃
一
。
保持刃
口 锋利
刀 具 材质 的影响
提 高刀 尖 强度和 耐用 度
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
人造金 刚石 聚 晶刀 具加工碳纤 维复合
合 材 料 之 间相 互 挤 压 的 过 程 一 只 钻 头 只 能
,
材料 的切 削速 度
量
为
吃刀 量
走刀 为
钻
,
个 孔 而 且 精 度 低 孔径 不 稳 定
,
,
,
。
硬
为
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
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一
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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
, ,
钻 芯厚度
屑
。
图
钻 芯 厚 度 与轴 向 力 之 间的 关 系
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
只 二 疽 澳
,
, 。
,
占 ,
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
橄刃 长度
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
,
。
图
横 刃 长 度 与轴 向 力 之 间的关 系
上 的 拉 伸应 力 大 于 剪 切 强 度 与轴 向力 有关
。
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
,
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 倍 该钻头
, ,
麻 花 钻 头 可 以 减 小轴 向 力 的 主 要 特 点是
大 进 给速 度 与轴 向力 之 间 的 关 系 见 图
,
。
①容 屑 槽 有 效 空 间 大 易 排 屑
②钻 芯 增 厚 刚性 好
,
、 厄 解 只
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 径
。
。
为钻头 直
进 给速 度
一
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
, , ,
。
图
进 给 速 度 与轴 向力 之 间 的关 系
。
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
,
一 般 采 用低速 进 给 和 较 大 转速 为 宜 建
刃 口 锋 利 有 利 于 减 小 轴 向力
,
。
议 碳 纤 维 复合材 料 制孔参 照 下 列 参 数进 行
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钻
一
中
以 内的孔 时 机 床转速
, ,
, ,
刚 石 砂轮 片切 割 工 艺 特 种 工 艺 在 理 论 上 是
。
进给速度为
, ,
一
可行 的 但实 际 上 很 少 应 用 以 高 压 水切 割
, ,
钻
,
中
以上 大孔 时 一 般应 采
一
为例 由 于 高 压 水 射 流 能 量 的 损 失 切
, , , ,
。
口
不
用金 刚石套料钻 机床转速
一
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
, ,
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
。
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
,
、
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
,
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
,
孔 按 以 下 要 求进 行
①巾
中 巾
,
中
孔 用 高速 钢 钻 头
,
有 时为 加强 基 体 强 度 防止 切 割 振 动偏 摆
, ,
,
中
孔 用 硬 质 合金 钻 头
也选用如 图
所示 的切 割 工具
荃体
。
以 上 大 孔 用 金 钢 石 套料 钻头 钻
金 刚砂铰层
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
,
图
加强 的金 刚 石 砂 轮 片
板 或在 出 口 处 固化 一 层 玻 璃胶 布 以 防止 出
,
金 刚 石 砂 轮 片 由基 体 和 金 刚 砂 镀 层 组 成
。
口 表 层 的分 层 和 劈 裂
基 体厚 度一 般 为
,
。
,
起支承
作
以上
,
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
,
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 而 碳 纤 维复合材 料 制 品 的硬 度 一 般 为
,
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
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
种缺 陷 一 是 切
、 、
口 损伤
,
二 是 层 间分 层 切 口
、
。
粒度
。
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
,
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
,
件 内部 组 织 变 得 疏 松 从 而 降 低 了 构 件 强 度
,
垫 板 支 衬 以 防 切 透 时 造 成 切 口 边 缘 的撕 裂
,
和 其 它 性 能 切 割 工 艺 研 究 的 目的 是 防 止 加
。
和 拉丝 缺 陷 切 割 厚 板 时一 般 采 用 双 面 切割
。
土 缺 陷 的产 生 和 保 证 切 割 精 度
、
。
工 艺 即 分别 从 两 面 各 切 割 一 半
, ,
,
以 减 少切
口 对接处
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
割 时 产 生 分 层 等 缺 陷 这 种方 法 切 下转 第
页
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可用式
,
加 以 描述 从
。
式
铝 的更 低
。
可 知 纤 维 含 量 的提 高 使 基 体 处 于 弹性 阶段
的线 膨 胀 系 数
低 再综 合
减少 而 从
式可知
,
式 可 看 出纤
参 考文 献
,
,
维 含 量 的提 高 使 基 体 弹性 塑 性 转 变 温 度 降
的 提 高 降低 了
。
,
间 线膨 胀 系 数
处 于 弹性 变 形 时 的
,
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
,
和 缩 短 弹 性 变形 的 温
二
一
度 区 间 从 而 降低 了 复 合 材 料 的 线 膨 胀 系 数
。
结论
碳 镁 复 合材 料 具 有 很 低 的线 膨 胀
,
一
二
,
系数 并 且 纤 维模 量 越 高 碳 或 石 墨
, ,
镁复
,
王 鸿 华 李贤淦 张 国 定 吴 人 洁
, , ,
合 材 料 的 线 膨胀 系 数越 低
或石 墨
。
热循 环 时产 生 滞后 环 原 因 及 改善方 法 探讨
,
、
随着纤 维体积 含 量 慢逐渐下 降
。
的增 加 碳
复合 材 料 学 报
,
镁 复 合 材 料 的 线 膨 胀 系数 由快 到
碳 镁 复 合材 料 的 线 膨 胀 系 数 比 碳
料
,
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
上接第
,
页
“
”
碳 纤 维 复 合 材 料 的后 加 工 是 其 能 否 获
有 接 台 接 台可 用
,
粒度 的 金 刚 石
,
得 广 泛 应 用 的关 键 刀 具 是 制 约 碳 纤 维 复 合
,
磨 轮 加 以 修整 兼 用 细砂 纸 打 磨 以保证 切
口质量
。
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
切 割 试 验 按 以 下 参 数 可 获得 较理 想 的 切口
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
,
,
。
①砂 轮 转 速 ②切 割 速 度 ③镀 层 厚 度
,
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
,
一
。
刀 具 群 和 后 加 工 工 艺技 术 从 而 促 进 碳 纤维
, ,
此 外 应 选 用 大 功率 电动 切 割工 具 以 提
复 合 材料 在 航 天 产 品 中 的应 用 参考文献
宋焕 成 赵 时 邪主 编
,
・
。
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
。
聚合 物基 复合材 料
国 防工 业 出版 社
,
年 航 航
赵渠森 复合材 料飞 机 构 件制造 技 术 空工业 出 版社
,
要 解 决 的是 高 压 水 切 割 的 切 口 质 量 和 切 割
年
精 度 问 题 可 以 预 期 这 一 新 技 术 的应 用 只
, ,
沃 西 源 先 进 复 合材 料 切 割 加 工 工 艺
是 时 间 问题
。
天工艺
,
结论
宇航材料 工 艺
一
一
年
第
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