航天器典型碳纖維復(fù)合材料零件加工方法研究

龔 康 左 彬 李 琳 陳錫寶 王春健 張加波

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航天器典型碳纖維復(fù)合材料零件加工方法研究

龔 康 左 彬 李 琳 陳錫寶 王春健 張加波

（北京衛(wèi)星制造廠，北京100094）

通過(guò)分析碳纖維復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與物理力學(xué)特性，總結(jié)了此類材料的加工機(jī)理與加工難點(diǎn)，針對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式的碳纖維復(fù)合材料零件，從碳纖維復(fù)合材料的加工刀具技術(shù)、切削工藝方法、加工方式等方面開(kāi)展工藝技術(shù)研究，制定合理的機(jī)械加工解決方案，從而實(shí)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料的高質(zhì)量、高精度、高效率、低成本加工。

碳纖維復(fù)合材料；切削刀具；加工方案；工藝裝置

1 引言

目前航天器結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)已廣泛采用了具有高比剛度、高比強(qiáng)度、尺寸穩(wěn)定性好的碳纖維復(fù)合材料，由于碳纖維輕質(zhì)的特性，其在航天、航空領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景[1]。

碳纖維復(fù)合材料是碳纖維通過(guò)界面層與韌性基體粘結(jié)的層合結(jié)構(gòu)，具有各向異性、微觀構(gòu)造不均勻、層間剪切模量較低，層間剪切和拉伸強(qiáng)度更低等特點(diǎn)，導(dǎo)致其加工難度大，要獲得高精度、高質(zhì)量的零件往往非常困難。然而，在航天器生產(chǎn)制造中，為了保證裝配精度，一些碳纖維材料的安裝面、連接孔、定位孔和輪廓等均需要進(jìn)行切削加工，切削后精度要求很高，因此，如何能夠獲取一種工藝途徑來(lái)保證不同種類的碳纖維零件的精密加工制造已成為行業(yè)內(nèi)的普遍難題[2]。

2 基于零件構(gòu)型的航天器碳纖維零件分類

圖1 典型加工缺陷示意圖

由于碳纖維材料具有上述結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，而且碳纖維復(fù)合材料性能不斷提高（從T300到T700，從M40到M55J、M60J），以及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度增加（從二維平面結(jié)構(gòu)的加工到三維曲面結(jié)構(gòu)的加工），碳纖維復(fù)合材料零件的可加工性能越來(lái)越差。加工質(zhì)量缺陷、加工精度差、刀具磨損快、廢品率高等問(wèn)題嚴(yán)重制約著碳纖維復(fù)合材料的加工效率，給碳纖維復(fù)合材料大批量應(yīng)用帶來(lái)了瓶頸。典型加工缺陷如圖1所示。

對(duì)于碳纖維復(fù)合材料而言，由于零件結(jié)構(gòu)形式不同、尺寸不同、加工部位不同，加工過(guò)程中的主要難點(diǎn)就不盡相同，所以采取的機(jī)械加工方案也不同。根據(jù)目前碳纖維復(fù)合材料零件在航天器產(chǎn)品中的應(yīng)用情況，按照機(jī)械加工方案的不同，可以將典型航天器碳纖維復(fù)合材料零件歸納為三類：平板類零件、旋轉(zhuǎn)殼體類零件、異型支架類零件。

圖2 典型航天器碳纖維材料零件分類

典型的平板類零件主要包括衛(wèi)星結(jié)構(gòu)板、太陽(yáng)翼基板及組件、衛(wèi)星天線骨架等；典型殼體類的碳纖維復(fù)合材料零件主要包括中心承力筒、端部法蘭、對(duì)接法蘭、桿件等產(chǎn)品；典型碳纖維復(fù)合材料支架類零件包括各類儀器支架、太陽(yáng)翼鉸鏈支架等產(chǎn)品，如圖2所示。這些零件在結(jié)構(gòu)形式、產(chǎn)品尺寸、所需加工部位方面都有很大的差異性，下面將針對(duì)三類零件的加工特點(diǎn)，提出有針對(duì)性的機(jī)械加工解決方案。

3 典型碳纖維復(fù)合材料零件機(jī)械加工解決方案

3.1 平板類零件加工解決方案

3.1.1 衛(wèi)星結(jié)構(gòu)板/基板

圖3 平板類零件-基板

典型的碳纖維復(fù)合材料的基板如圖3所示，需要進(jìn)行切削加工的特征包括各種直徑的孔和外形輪廓等?？字睆椒秶?.3～16mm；部分連接孔尺寸公差要求±0.01mm，位置度公差要求在0.3mm；部分零件直線度、垂直度、對(duì)稱度均有較高要求。

結(jié)構(gòu)板/基板類零件結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，加工過(guò)程中變形量較小，加工難點(diǎn)主要在于刀具的快速磨損和加工精度難以保證，以及蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在切削過(guò)程中造成蒙皮和蜂窩間的分離。

機(jī)械加工解決方案：

a. 在切削刀具方面，結(jié)構(gòu)板/基板類零件加工一般需要鉆削刀具、銑削刀具和鏜削刀具。對(duì)于含有蜂窩夾層的結(jié)構(gòu)板銑削輪廓時(shí)應(yīng)選用人字形刃銑刀，此刃形刀具的雙螺旋可確保將切削力合力指向復(fù)合材料的內(nèi)側(cè)。刀具材料優(yōu)先選用硬質(zhì)合金和金剛石材料。進(jìn)行鏜孔加工時(shí)，當(dāng)零件厚度大于30mm，且加工孔的尺寸精度要求較高時(shí)，為了避免由于刀具磨損產(chǎn)生的“錐形孔”現(xiàn)象，鏜削刀具材料只能選擇金剛石材料，“錐形孔”現(xiàn)象如圖4所示。

圖4 由于刀具磨損導(dǎo)致的錐形孔加工效果

b. 在裝夾方面，由于結(jié)構(gòu)板/基板類零件尺寸大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、切削力小，所以?shī)A緊力不宜過(guò)大，尤其是含有蜂窩夾層的結(jié)構(gòu)板。

c. 在加工方式選擇方面，鉆削加工時(shí)應(yīng)采用數(shù)控機(jī)床啄孔的方式，有利于切屑及時(shí)排出和熱量的散發(fā)，可起到保護(hù)刀具、延長(zhǎng)刀具壽命的作用。銑削加工時(shí)，深度方向盡可能一次加工到位，避免分層；且應(yīng)選擇逆銑而非順銑的加工方式，以期獲得更好的加工質(zhì)量。

3.1.2 天線骨架類零件

圖5 天線骨架類零件

衛(wèi)星天線肋產(chǎn)品由主肋、精確肋和輔肋組成，其坯件由碳纖維復(fù)合材料（M40）鋪疊成型后，需對(duì)肋內(nèi)外側(cè)拋物面外形及大量的孔進(jìn)行數(shù)控加工，各肋坯件長(zhǎng)度在500～1000mm，寬度約25mm，厚度1mm，且肋表面分布幾十個(gè)10mm和2mm減輕孔，屬于弱剛性結(jié)構(gòu)，如圖5所示。設(shè)計(jì)要求肋條各段曲線輪廓精度<0.1mm，其中安裝孔2.5mm孔徑公差要求在0.014mm以內(nèi)，位置度要求在0.1mm以內(nèi)。

天線骨架類零件屬于典型的弱剛性結(jié)構(gòu)，且加工尺寸跨度大，精度要求高。為了保證零件輪廓精度，外形輪廓加工過(guò)程中不能換刀，需要一次加工完成，且應(yīng)盡可能減小切削力避免零件變形，這就對(duì)加工刀具和裝夾方式提出了較高要求：刀具切削刃既要鋒利又要耐磨損，裝夾既要穩(wěn)定可靠又要減小夾緊過(guò)程產(chǎn)生的變形積累。此類零件的加工難點(diǎn)主要在于切削力易引起零件變形、刀具快速磨損、外形輪廓精度難以保證。

機(jī)械加工解決方案：在切削刀具方面，為了保證外形輪廓精度，外形輪廓需要一次加工完成，中間不能換刀。所以銑削刀具既要足夠鋒利（減小切削力引起的零件變形），又要壽命長(zhǎng)（切削長(zhǎng)度1000mm以上不磨損）。為獲得加工效果最好的刀具，分別選用了小螺旋角銑刀、人字刃壓迫式立銑刀和菠蘿刃銑刀3種碳纖維材料常用加工刀具，進(jìn)行刀具切削實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)效果如表1所示。

表1 刀具切削實(shí)驗(yàn)效果表

銑刀類型刀具示意加工效果特點(diǎn)與適應(yīng)性 小螺旋角銑刀特點(diǎn)：減小軸向力，抑制分層，可獲得良好的側(cè)壁表面質(zhì)量?？蛇m用于加工較厚的纖維層合材料或夾層材料。 人字刃壓迫式立銑刀特點(diǎn)：平衡軸向力，確保將切削力合力指向材料的內(nèi)側(cè)。適用于具有一定厚度的纖維增強(qiáng)層合材料或夾層材料。 菠蘿刃銑刀特點(diǎn)：排屑好，散熱好，耐磨，避免纖維復(fù)合材料機(jī)體損傷。適用于加工致密、薄板型復(fù)合材料加工。

所以，針對(duì)天線骨架類零件，在加工刀具方面應(yīng)選擇菠蘿刃銑刀，既能保證刀具鋒利度，又能保證刀具的耐用度。

a 專用工藝裝置設(shè)計(jì)圖 b 定位方式示意圖

在定位裝夾方面，由于零件的弱剛性結(jié)構(gòu)，必須采用專用的裝夾方式，保證加工前后不變形，所以根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了專用工藝裝置，如圖6a所示。除了使用專用的工藝裝置外，為了避免定位壓緊過(guò)程存在過(guò)定位現(xiàn)象，使用了兩個(gè)不等徑銷釘定位：將位于外側(cè)一個(gè)銷釘磨成階梯狀，如圖6b所示，使一個(gè)孔徑與零件定位孔的孔徑一致，一個(gè)直徑略小于天線肋定位孔的孔徑，這種定位方式既可以保證零件的定位精度，又可以有效避免過(guò)定位現(xiàn)象，避免定位壓緊時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力；為了避免夾緊過(guò)程中零件變形的逐段累積，造成壓緊力去除后零件整體變形較大，還必須采取從中間到兩邊逐步、對(duì)稱壓緊的方式。

3.2 旋轉(zhuǎn)殼體類零件加工解決方案

典型的殼體類碳纖維復(fù)合材料零件如圖7所示。需要進(jìn)行切削加工的部分主要有端部裝配平面以及圓柱面、圓錐面上孔特征。

圖7 旋轉(zhuǎn)殼體類零件

殼體類碳纖維復(fù)合材料零件一般都需要加工大量孔，而且這些孔位是其他零部件的裝配基準(zhǔn)，其制造精度對(duì)整個(gè)航天器結(jié)構(gòu)和設(shè)備的裝配和位置精度有重要影響，因此孔位置精度要求高。此類零件的加工難點(diǎn)主要在于加工孔的數(shù)量大、精度高，既要考慮加工效率又要兼顧加工精度。

機(jī)械加工解決方案：

a. 在切削刀具方面，殼體類零件加工主要需要鉆削刀具和銑削刀具，由于需要加工部位多，所以要著重考慮刀具的耐磨性，應(yīng)選擇帶金剛石涂層的刀具。

b. 在裝夾方面，殼體類零件屬于整體薄壁圓筒殼體結(jié)構(gòu)，在加工過(guò)程中容易產(chǎn)生振動(dòng)，影響尺寸精度和表面質(zhì)量，因此需要借助組合夾具定位和夾緊。

c. 在加工方式選擇方面，主要應(yīng)考慮避免加工過(guò)程中孔出口撕裂的現(xiàn)象。碳纖維復(fù)合材料鉆削加工時(shí)，孔出口撕裂的大小程度與許多因素有關(guān)，其中最重要的因素是鉆削力，而影響鉆削力最重要的因素包括鉆頭直徑、進(jìn)給速度及主軸轉(zhuǎn)速等[3，4]。所以為了保證加工表面質(zhì)量，鉆頭直徑尺寸不能太大，大直徑孔加工時(shí)應(yīng)選擇銑削方式，具體選用原則為：直徑小于等于10mm的孔在加工時(shí)直接鉆削到目標(biāo)尺寸值；直徑大于10mm的孔在加工時(shí)先用10.2mm鉆頭鉆削底孔，再用10mm銑刀將孔銑到目標(biāo)尺寸值。

d. 在切削參數(shù)方面，由于需要加工大量孔，所以需要選擇合理的切削參數(shù)提高零件加工質(zhì)量和加工效率。影響碳纖維復(fù)合材料切削性能的主要因素有切削速度和每齒進(jìn)給量。較高的切削速度可以迅速切斷纖維防止起毛，但轉(zhuǎn)速太高會(huì)影響刀具的使用壽命。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，進(jìn)給量在0.008～0.03mm/r之間，轉(zhuǎn)速在1400～1600r/min之間時(shí)鉆孔分層較少，毛刺較少，且鉆頭磨損量小，所用刀具的優(yōu)選工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 殼體類零件優(yōu)選加工工藝參數(shù)

刀具類型刀具直徑D/mm切削速度vc/m·min-1每齒進(jìn)給量fz/mm·Z-1主軸轉(zhuǎn)速n/r·min-1 帶金剛石涂層鉆頭Φ10.2300.011500 帶金剛石涂層銑刀Φ10900.031500 帶金剛石涂層鉆頭Φ4200.011000 帶金剛石涂層鉆頭Φ6200.011000

3.3 異型支架類零件加工解決方案

典型的異型支架類零件如圖8所示。零件成型后切削加工的內(nèi)容主要包括銑磨平面、孔加工、銑輪廓等工藝過(guò)程，其中支架的安裝面與定位面均具有較高的加工精度要求。

圖8 異形支架類零件

碳纖維復(fù)合材料的異型支架類零件一般含膠量較高，可加工性好于平板類零件和旋轉(zhuǎn)殼體類零件。此類零件的加工難點(diǎn)主要在于，由于成形精度低，加工基準(zhǔn)誤差較大，按理論尺寸進(jìn)行面加工易造成壁厚不均勻的現(xiàn)象，進(jìn)行孔加工易造成孔位偏差較大的現(xiàn)象。

機(jī)械加工解決方案：

a. 在加工方式選擇方面，由于成形精度低，如果直接在數(shù)控機(jī)床上按理論尺寸加工，容易因?yàn)槔碚撔螤钆c實(shí)際形狀之間的偏差，造成孔位偏差較大或進(jìn)行面加工后壁厚不均勻，所以對(duì)于精度要求不高的鉚釘孔、螺栓孔以及定位面，應(yīng)在專用工藝裝置（如鉆模）的輔助下，優(yōu)先選用手持工具加工；對(duì)于精度要求高的部分，應(yīng)上五軸機(jī)床加工，加工過(guò)程中，首先要根據(jù)零件的實(shí)際形狀，在切削量最小的情況下加工基準(zhǔn)面，然后在零件的兩個(gè)方向上逐漸調(diào)整理論形狀和實(shí)際形狀之間的偏差，盡量減小加工后壁厚不均勻和孔位偏差較大的現(xiàn)象。

b. 在切削刀具方面，銑削輪廓時(shí)優(yōu)選菠蘿刃銑刀，且?guī)Ы饎偸繉樱贿M(jìn)行面加工時(shí)，采用磨削刀具或帶金剛石涂層的銑削刀具，磨削加工如圖9所示。

a 磨削加工 b 磨削加工后的零件

c. 在磨削參數(shù)方面，由于碳纖維復(fù)合材料中環(huán)氧樹(shù)脂的熱強(qiáng)度一般在200～300℃，所以磨削時(shí)接觸區(qū)平均溫度不能超過(guò)300℃[5]。為保證切削溫度在300℃以內(nèi)，一般采取如下磨削參數(shù)：磨削深度小于0.04mm，砂輪線速度小于19.6mm/s，進(jìn)給速度小于20m/min。

4 結(jié)束語(yǔ)

在分析碳纖維復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和機(jī)械加工特性的基礎(chǔ)上，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證的方法，按照平板類零件、旋轉(zhuǎn)殼體類零件和異型支架類零件的分類方式，總結(jié)了各類型碳纖維復(fù)合材料加工過(guò)程中刀具材料、刀具刃形結(jié)構(gòu)、刀具幾何參數(shù)、加工工藝裝置、加工方式等方面的選擇技巧和原則。其中，在碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)板/基板類零件鏜削加工中，通過(guò)本文的研究成果選擇刀具和切削工藝方法后，在保證加工質(zhì)量的前提下數(shù)控機(jī)床孔加工效率可提高60%～150%，刀具壽命可延長(zhǎng)10倍以上。

后續(xù)針對(duì)碳纖維復(fù)合材料加工工藝技術(shù)的研究以及推廣應(yīng)用方面，還應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面：

a. 加工過(guò)程中的安全與環(huán)保要求需要重點(diǎn)考慮，在加工過(guò)程中現(xiàn)場(chǎng)操作人員需佩戴防護(hù)手套、口罩，配備工業(yè)吸塵器等裝置。在條件允許的情況下，可給機(jī)床配備專用的吸塵、過(guò)濾系統(tǒng)，以及組建具有集中排風(fēng)功能的負(fù)壓車間。

b. 研究思路和取得的研究成果可對(duì)其它樹(shù)脂基復(fù)合材料（玻璃鋼、硼纖維及其它高韌纖維復(fù)合材料等）進(jìn)行推廣應(yīng)用。

c. 可探索碳纖維復(fù)合材料的其它特種加工方法，如超聲振動(dòng)加工、高壓水射流加工。

1 崔海坡，溫衛(wèi)東，徐穎. 沖擊后復(fù)合材料板剩余抗拉強(qiáng)度影響因素分析[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2008，44(2)：49～53

2 李志強(qiáng)，樊銳，陳五一，等. 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的機(jī)械加工技術(shù)[J]. 航空制造技術(shù)，2003(12)：34～37

3 Tsao C C, Cheng H H. The effect of chisel length and associated pilot hole on delamination when drilling composite material[J]. International Journal of Machine Tools&Manufacture, 2003, 43(1): 1087～1092

4 Won M S, Dharan C K H. Chisel edge and pilot hole effects in drilling composite laminates[J]. Transactions of ASME, 2002, 124(2): 242～247

5 鮑永杰，高航，馬海龍，等. 單向C/E復(fù)合材料磨削制孔溫度場(chǎng)模型的研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2012，48(1)：169～176

Research on Machining Method of Typical Carbon Fiber Composite Parts for Spacecrafts

Gong Kang Zuo Bin Li Lin Chen Xibao Wang Chunjian Zhang Jiabo

(Beijing Spacecrafts，Beijing 100094)

The structural characteristics and the physical and mechanical properties of carbon fiber composite materials are analyzed, and the machining mechanism and the machining difficulties of these materials are summarized. Regarding to the parts for carbon fiber composite materials of different structure forms, technology research is carried out from the aspects of composite material machining tool, carbon fiber cutting process, and machining methods, etc. A reasonable solution plan of machining is drawn through this research, so as to realize high quality, high precision, high efficiency and low processing cost of the machining of carbon fiber composite material.

carbon fiber composites；cuttingg tool；machining scheme；process unit

2017-05-22

龔康（1986），工程師，機(jī)械工程及自動(dòng)化專業(yè)；研究方向：星船結(jié)構(gòu)工藝。