碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用與機械加工

1、碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用與加工1應(yīng)用領(lǐng)域目前，碳纖維廣泛用于民用，軍用，工業(yè)，航天以及超級跑車領(lǐng)域。圖 碳纖維復(fù)合材料不同領(lǐng)域所占比例國外將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用在戰(zhàn)機機身、主翼、垂尾翼、平尾翼及蒙皮等部位，起到了明顯的減重作用，大大提高了抗疲勞、耐腐蝕等性能。由于碳纖維增強復(fù)合材料不但是輕質(zhì)高強的結(jié)構(gòu)材料，還具有隱身的重要功能，能有效地吸收雷達(dá)波，美國已用來制造最新型的隱形轟炸機。美國的P-22超音速飛機的主要結(jié)構(gòu)就是采用了中等模量的碳纖維增強的特種工程塑料?；糜癐II戰(zhàn)斗機的減速降落傘蓋和彈射的彈射裝置也由這種材料制成。碳纖維已成功地用于飛機的肋條、蒙皮及一些連接件、緊固件等雷達(dá)波的吸收件。戰(zhàn)斧式

2、巡航導(dǎo)彈殼體、B-2隱型轟炸機的機身基材，F(xiàn)117A隱型飛機的局部也都采用了碳纖維改性的高分子吸波材料。圖美國B-2隱身轟炸機（機身基材）圖幻影III戰(zhàn)斗機 （減速降落傘蓋和彈射裝置） 圖美F117A隱身轟炸機（肋條及蒙皮等）英國ICI公司用碳纖維復(fù)合材料生產(chǎn)戰(zhàn)斗機上的閥門，使飛機閥門在很寬的溫度范圍內(nèi)與燃料長期接觸也能保持其性能和形狀的穩(wěn)定；其它國家的飛機F/A-18、 RAH-66、A330 /A340、B77、Y-22上面也都采用了這種材質(zhì)來制造機翼、蒙皮、主承力結(jié)構(gòu)、中央冀盒、 地板、尾冀、設(shè)備箱體及結(jié)構(gòu)件。在民用領(lǐng)域，飛機25%重量的部件由復(fù)合材料制造，其中22%為碳纖維增強材料（C

3、FRP）。這些部件包括：減速板、垂直和水平穩(wěn)定器（用作油箱）、方向舵、升降舵、副翼、襟翼擾流板、起落架艙門、整流罩、垂尾翼盒、方向舵、升降舵、上層客艙地板梁、后密封隔框、后 壓力艙、后機身、水平尾翼和副翼均采用CFRP制造。2加工特點碳纖維復(fù)合材料一般以疊合制成多層板使用，通常有兩種復(fù)合形式，一種是碳纖維在基體中呈同向排列，即每層的纖維方向相同，通常稱這種復(fù)合材料為單向纖維復(fù)合材料；一種 是各層纖維方向呈不同角度，通常稱為多向纖維復(fù)合材料。圖碳纖維多向復(fù)合材料的一種鋪層方式碳纖維復(fù)合材料是一種難切削加工材料，它的脆性大、硬度高，加工時容易出現(xiàn)分層、撕裂、毛刺等問題。碳纖維復(fù)合材料是由質(zhì)軟而粘性

4、大的基體和強度高、 硬度大的纖維混合 而成的二相或多相結(jié)構(gòu)， 其力學(xué)性能呈各向異性， 機械加工條件比較惡劣， 碳纖維復(fù)合材料 切削加工的主要特點如下：(1) 材料產(chǎn)生分層破壞。分層是復(fù)合材料鋪層之間脫膠而形成的一種破壞現(xiàn)象，當(dāng)切削 參數(shù)不合理時會使層間受力過大而導(dǎo)致分層，分層會嚴(yán)重降低材料的性能甚至使零件報廢， 即使是微小的分層也是非常嚴(yán)重的安全隱患。(2) 刀具磨損嚴(yán)重，耐用度低。切削區(qū)溫度高且集中于刀具切削刃附近很窄區(qū)域內(nèi)，纖維的回彈及粉術(shù)狀的切屑又加重了擦傷刃口和后刀面，加之碳纖維的硬度非常高， 故刀具磨損嚴(yán)重，后刀面產(chǎn)生溝狀磨損，耐用度低。(3) 產(chǎn)生殘余應(yīng)力。表面的尺寸精度和表面粗糙

5、度不易達(dá)到要求，容易產(chǎn)生殘余應(yīng)力。這主要是因為切削溫度較高，增強纖維和基體樹脂的熱膨脹系數(shù)相差太大。由于復(fù)合材料呈現(xiàn)各向異性，層間強度低，切削時在切削力的作用下容易產(chǎn)生分層、撕裂等缺陷，鉆孔時尤為嚴(yán)重，加工質(zhì)量難以保證。據(jù)統(tǒng)計，飛機在最后組裝時，鉆孔不合格率要占全部復(fù)合材料 構(gòu)件報廢率的60%以上。(4) 切削溫度高。碳纖維復(fù)合材料切屑形成過程是一個基體破壞和纖維斷裂相互交織的 復(fù)雜過程，在此過程中，碳纖維作為切削硬質(zhì)點連續(xù)磨耗刀具，因碳纖維斷裂和基體剪切，以及切屑與前刀面、后刀面與已加工表面之間的摩擦而產(chǎn)生大量的切削熱，加之碳纖維復(fù)合材料導(dǎo)熱性差等原因，切削熱主要傳向刀具和工件，導(dǎo)致刀具的快

6、速磨損。3主要加工方法碳纖維復(fù)合材料構(gòu)件在制作時一次成形一般只能做到比較規(guī)整的形狀，并不能實現(xiàn)所 有的設(shè)計特征，這就需要進(jìn)行大量的二次機械加工來完成剩余的設(shè)計特征。對于碳纖維復(fù)合材料殼體其主要的二次機械加工包括孔加工、特殊形狀切割加工、盲槽加工、表面打磨加工。碳纖維復(fù)合材料的二次加工方法主要有傳統(tǒng)的機械加工和特種加工兩種，目前傳統(tǒng)的 機械加工方法仍是復(fù)合材料加工的主要手段，但在切削加工過程中遇到越來越多的問題，如刀具快速磨損、鉆孔分層等。實踐證明， 由于碳纖維復(fù)合材料的性質(zhì)與金屬不同，因此在碳纖維復(fù)合材料的加工中不能簡單地沿用金屬材料的加工刀具和工藝，而在眾多的研究中主要集中在碳纖維復(fù)合材料鉆

7、削制孔方向，這是碳纖維復(fù)合材料的關(guān)鍵加工工藝之一。碳纖維復(fù)合材料鉆孔加工特性主要表現(xiàn)在：(1)碳纖維復(fù)合材料層間強度低，在鉆孔過程中，如果復(fù)合材料構(gòu)件所受的鉆削軸向力過大，導(dǎo)致層間應(yīng)力過大， 超過其基體樹脂的強度就會引起分層等缺陷；(2)碳纖維復(fù)合材料屬于各向異性材料，其纖維鋪層方向?qū)χ瓶子休^大影響，特別是單向板制孔時，鉆孔處的應(yīng)力集中較大，極易引起劈裂等缺陷；(3)碳纖維復(fù)合材料硬度大， 在鉆孔時鉆頭磨損很快；(4)碳纖維復(fù)合材料導(dǎo)熱性差，在鉆孔過程中 鉆頭與復(fù)合材料產(chǎn)生大量的摩擦熱，而碳纖維復(fù)合材料熱導(dǎo)率小，熱量難以在加工中排除，使切削區(qū)溫度迅速上升， 進(jìn)而導(dǎo)致鉆頭發(fā)生退火，加速鉆頭磨損；

8、（5）碳纖維復(fù)合材料有縮孔現(xiàn)象，這是由于碳纖維復(fù)合材料的熱導(dǎo)率小，而線脹系數(shù)和彈性恢復(fù)都較大的原因。防止鉆孔時出口端纖維分層的工藝措施：在結(jié)構(gòu)開敞條件下，孔的出口面要用硬質(zhì)高密度板支撐并墊實，這樣能有效地防止孔出口分層和劈裂。在條件允許的情況下，制造碳纖維復(fù)合材料構(gòu)件時可考慮在出口面加貼12層玻璃布，并與構(gòu)件同時固化， 待鉆完孔后將玻璃布撕去，這樣也可防止孔出口面分層。在碳纖維復(fù)合材料需要鉆孔的出口面均勻地涂上一層結(jié)構(gòu)膠，待固化后鉆孔，同樣可防止孔出口面分層和劈裂。碳纖維復(fù)合材料加工其他工藝：碳纖維復(fù)合材料采用金剛砂刀具切割加工工藝， 切割效果好。切割工藝參數(shù)與碳纖維復(fù)合材料厚度有很大關(guān)系，進(jìn)

9、給量應(yīng)與厚度成反比例。激光加工可用于復(fù)合材料的切割加工和孔加工，可以得到非常小的切縫寬度和接近平行的切縫側(cè) 面，其加工效率高，但熱損傷很大。超聲波振動切削能夠改善碳纖維復(fù)合材料的切削狀況， 刀超聲波振動切削材料時，采用小的切削參數(shù)能有效地降低主切削力。由于具有小的切削力，所以超聲波振動切削可用于碳纖維復(fù)合材料薄壁件的加工。目前碳纖維復(fù)合材料磨削加工的研究比較少，且主要集中在對不同砂輪磨削性能的比較方面，需要促進(jìn)磨削加工在碳纖維復(fù)合材料中的應(yīng)用。4加工設(shè)備及刀具北京林業(yè)大學(xué)的張厚江等人通過試驗研究發(fā)現(xiàn)保證獲得鉆削碳纖維復(fù)合材料高質(zhì)量孔 的關(guān)鍵因素有兩個：一個是保持鉆頭切削刃的良好鋒利性，另一個是

10、在保證切削刃鋒利的基礎(chǔ)上采用高的鉆削速度。高速鉆削試驗及分層檢測試驗表明，厚膜金剛石鉆頭鉆削的孔質(zhì)量非常好，它在碳纖維復(fù)合材料鉆削加工中具有巨大的應(yīng)用潛力。大連理工大學(xué)的鮑永杰等人提出了“以磨代鉆”加工工藝，研制了電鍍金剛石鉆磨刀具，通過與硬質(zhì)合金鉆頭鉆孔對比試驗，得出結(jié)論：電鍍會剛石鉆磨刀具更適合碳纖維復(fù)合材料的鉆孔加工；電鍍金剛石鉆磨刀具壽命遠(yuǎn)高于硬質(zhì)合金鉆頭，采用電鍍金剛石鉆磨刀具能夠提高加工效率，降低加工成本。電鍍金剛石復(fù)合鉆頭是一種新型孔加工刀具，與其它類型的金剛石刀具相比，其制造工藝簡單，刀具成本低；由于具有刀尖鋒利、多刃切削等優(yōu)點，該 鉆頭在高速、低進(jìn)給條件下鉆削 CFRP板材時

11、，基本無分層、劈裂現(xiàn)象，可明顯提高生產(chǎn)率。 可有效解決普通麻花鉆加工CFRP時出現(xiàn)的分層和劈裂問題，并可使鉆頭壽命顯著提高。GM1000回轉(zhuǎn)類碳纖維復(fù)合材料構(gòu)件高速數(shù)控鉆磨機床。大連理工人學(xué)現(xiàn)代制造技術(shù)研究所研制了 GM1000回轉(zhuǎn)類碳纖維復(fù)合材料構(gòu)件高速數(shù)控鉆磨機瞇，如圖所示即為機床的運 動結(jié)構(gòu)圖。它的基本構(gòu)成主要包括：底座、回轉(zhuǎn)工作臺、直柱、滑枕陰大部件。底庠和立桂 作為整個設(shè)備基礎(chǔ)部分，z向滑臺通過直線導(dǎo)軌與始杠的配合來完成z軸上的移動與精確定位。同樣滑枕也通過直線導(dǎo)軌與絲杠的配合束完成Y軸向的移動與精確定位?；剞D(zhuǎn)工作臺放置在底座上，通過自身的傳動結(jié)構(gòu)在伺服電機的帶動下來完成C軸的旋轉(zhuǎn)定位。I、II兩個工位分別為其左上和右下兩個極限位置