碳纤维复合材料的加工问题

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碳纤维复合材料是以碳纤维为增强材料的复合材料,具有质量轻,比强度大,耐高温,耐腐蚀和吸震性等特点,已广泛应用于航天、航空、汽车等许多领域。但是,由于碳纤维复合材料具有各向异性、导热性差,尤其是层间强度低的特点,切削时容易产生分层,撕裂等缺陷,钻孔时更为严重,加工质量难以保证,是典型的难加工材料。北京卫星制造厂提出了用超声振动切削加工技术来加工碳纤维复合材料,取得了良好结果。超声振动切削加工技术是近几年新兴的一种先进制造技术,具有切削力小、刀具磨损小、加工质量好等优点,特别适用于加工硬脆性难加工材料。他们采用的超声振动频率大于20kHz,刀头振幅5~20μm; 结果表明,超声振动加工的零件表面粗糙度值稳定在Ra0.9~2.5μm,与常规切削方法相比,表面质量有了明显改善。

他们对所进行的正交试验结果进行分析,发现影响超声铣削加工表面粗糙度的三个因素:切削速度、进给速度和切削深度,对粗糙度大小影响程度依次为: 切削深度 > 进给速度 > 切削速度,并得到试验条件下最优组合为:切削速度为60.3m/min; 进给速度为180mm/min; 切深为 0.4mm。

他们的实验结果表明,超声加工的表面粗糙度值通常随着切削速度的增加而减小,并且当切削速度为50.3m/min时达到Ra0.948μm的最佳值。碳纤维切割速度超过100m/min的常规切割可以达到与超声波加工相似的质量效果,这表明超声振动切割可以在较低的切割速度下获得更好的表面质量。这与超声振动处理的切割机制有关。超声波振动通过高频振动不断冲击和挤压待加工材料,具有切削行程短,切削量均匀,散热条件好,排屑容易,刀具磨损小等优点。以较低的切削速度获得更好的表面粗糙度。

但是,由于构成碳纤维复合材料的基体和增强纤维的物理和化学性质差异很大,因此加工过程中的表面加工质量不仅受两种材料的特性影响,而且与两种材料的性能也有很大关系。增强纤维的取向。测试结果表明,超声缺陷不能完全避免常规切割工艺中的拉拔,纤维束开裂,交叉开裂和分层等工艺缺陷,但可以大大降低缺陷发生的可能性。研究表明,在加工中尽可能地控制切割深度,使得切割层在基材的厚度内,避免了纤维束的厚度,并且可以显着避免上述加工缺陷。通常,适当降低超声切割的频率和幅度,减小切割深度和进料量,有利于整体减少复合材料的加工缺陷。

他们进行的超声波振动钻孔工艺测试表明,拉丝现象主要是由于切割工具在切割过程中无法快速切割纤维,从而导致纤维束被拉出,通过切割刀片不断刮擦和剪切来改变。它是絮状的。解决该缺陷的主要方法是使用切削刃锋利,硬度高,韧性高的切削工具。其次,应适当提高钻孔速度,以使切割刃能迅速切割纤维。另外,可以使用扩展切割过程稳态的过程,例如输出其他材料或使用特殊的刀片设计。