超高壓水切割技術(shù)在碳纖維及凱芙拉纖維復(fù)合材料加工中的應(yīng)用

任衛(wèi)安，種日良，馬 軍

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

先進(jìn)復(fù)合材料以其優(yōu)異的物理、化學(xué)、力學(xué)等功能多樣性及結(jié)構(gòu)整體化、可設(shè)計(jì)性等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用到了航空航天領(lǐng)域，如航空發(fā)動機(jī)、無人機(jī)、導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)、運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)、衛(wèi)星和宇航器結(jié)構(gòu)[1]。但由于復(fù)合材料硬度高、層間剪切強(qiáng)度低和熱導(dǎo)性差等特點(diǎn)，導(dǎo)致其機(jī)械加工性能極差，傳統(tǒng)的加工方式易產(chǎn)生分層、撕裂、毛刺、崩塊、表面碳化等缺陷 ,嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量[2,3]。雖然近年來研究人員對加工切削機(jī)理有了更深的認(rèn)知，也進(jìn)行加工工藝的改進(jìn)[4-10]，在復(fù)合材料加工質(zhì)量方面有了一定提高，但是復(fù)雜的設(shè)備、高昂的刀具也大大提升了制造成本，而且對于凱芙拉纖維復(fù)合材料依然沒有找到很好的加工解決方案。超高壓水切割技術(shù)近年在國內(nèi)外得以快速發(fā)展，并成為一種成熟的加工工藝[11]。水切割技術(shù)屬于冷態(tài)加工，不改變加工材料組織、材料的力學(xué)、物理和化學(xué)性能，可避免加工熱變形，對材料不會造成應(yīng)力破壞，零件加工表面質(zhì)量好，加工效率高，非常適應(yīng)以碳纖維為主的復(fù)合材料板材加工[12-14]。另外，水切割刀頭能夠集成在五軸聯(lián)動主軸上進(jìn)行三維立體加工[15,16]。在國外，該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于F117、B-2、V22等軍機(jī)，波音777、787，空客A320、A350XWB等民機(jī)復(fù)合材料機(jī)身、機(jī)翼、尾翼、方向舵、安定面等壁板加工中。目前國內(nèi)應(yīng)用較少，本文通過在碳纖維和凱芙拉纖維復(fù)合材料上應(yīng)用超高壓水切割技術(shù)，得到的試樣質(zhì)量滿足要求，且優(yōu)于常規(guī)加工技術(shù)。

1 加工設(shè)備結(jié)構(gòu)

加工設(shè)備是美國福祿公司五軸水切割，型號為馬赫4。圖1a為設(shè)備整體結(jié)構(gòu)，圖1b是設(shè)備增壓泵，圖1c是水切割切割頭，圖1d是砂箱。設(shè)備運(yùn)行方式：龍門控制設(shè)備的X、Y、Z運(yùn)動，切割頭控制轉(zhuǎn)角及擺角的運(yùn)動從而實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動控制。增壓泵可以將系統(tǒng)壓強(qiáng)提高到600Mpa，水流通過增壓泵提高切割能量，再經(jīng)注射泵形成足以切割任何材質(zhì)的水柱，噴射出的水柱最終實(shí)現(xiàn)材料加工功能。當(dāng)切割硬質(zhì)材料時，可以通過水流里添加石英砂的方式以增加其切割穿透力。

2 加工測試

2.1 碳纖維復(fù)合材料板

2.1.1 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)按照圖2設(shè)計(jì)，共5組，11個試樣。a組：60mm×40mm方塊，3個試樣分別倒角R6mm、R3mm、R1.5mm。b組：60mm等邊三角形，3個試樣分別倒角R6mm、R3mm、R1.5mm。c組：頂角 30°，邊長 60mm 等腰三角形，3個試樣分別倒角R6mm、R3mm、R1.5mm。d組：邊長60mm,夾角30°鋸齒，倒角R6mm。e組：R30mm的圓。通過對比實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，驗(yàn)證水切割加工碳纖維復(fù)合材料邊緣、轉(zhuǎn)角及加工鋸齒能力及加工質(zhì)量。

2.1.2 切割實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3為碳纖維板水切割試樣效果圖，整體加工耗時非常短。從a1、b1、c1、外形圖可以看出，所切割試樣的直線、倒圓角，形狀規(guī)則，棱角分明。從a2、b2、c2可以看出，切邊光滑，無任何毛刺等缺陷，轉(zhuǎn)角光滑，即使R1.5mm倒角依然規(guī)則，加工表面質(zhì)量良好。

圖4顯示加工鋸齒邊緣及切割圓的效果圖，a1顯示連續(xù)鋸齒加工及倒角，可以看出，30°尖角處十分平直尖銳，尖角頭部無損傷，而傳統(tǒng)的機(jī)械加工或手工加工容易崩掉尖角頭部；a2鋸齒連接處導(dǎo)圓也平滑光順，無任何毛刺、撕裂等損傷。圖b1,b2切圓邊緣也展示了良好的表面質(zhì)量，無毛刺、撕裂等缺陷。

圖2 碳纖維板試樣切割設(shè)計(jì)圖

圖3 碳纖維板試樣邊緣切邊倒角對比圖

通過圖4加工結(jié)果可以看出，加工實(shí)驗(yàn)基本覆蓋復(fù)合材料加工主要特征：切邊、倒角、鉆孔、混合切邊導(dǎo)內(nèi)圓等，并且試樣加工質(zhì)量很好。

2.2 凱芙拉復(fù)合材料板

2.2.1 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)按照圖5設(shè)計(jì)，分為3組,3個試樣。a組：切割一個60mm×60mm方塊，方塊一邊倒60°斜邊，一邊倒45°斜邊，另外兩邊90°垂直切割。b組：切割一個R30mm圓孔。c組：切割一條長直線。通過對比實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，驗(yàn)證水切割加工凱芙拉復(fù)合材料切邊倒角能力及加工質(zhì)量。

圖5 凱芙拉板試樣切割設(shè)計(jì)圖

2.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖6為凱芙拉板切割實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖，從圖a1、a2可以看出，水切割設(shè)備切割凱芙拉材料形狀規(guī)整，表面光滑、無毛刺、劈絲等缺陷。圖b1、b2倒邊很好地表現(xiàn)了水切割設(shè)備三維加工能力。不管是45°還是60°倒斜邊，棱角分明，其效果都很好。圖c1為水切割設(shè)備切割的直線效果圖，另外對比普通的手工加工凱芙拉纖維效果圖c2，可以看出，水切割設(shè)備加工表面光滑、無毛刺、劈絲等缺陷，而手工加工試樣出現(xiàn)了明顯的切割不精確、毛刺、劈絲等缺陷。凱芙拉復(fù)合材料韌性非常好，傳統(tǒng)的手工加工、機(jī)床銑削加工非常困難，很難找到合適的加工刀具及工藝方法，而水切割技術(shù)解決了這一困難。

圖6 凱芙拉復(fù)合材料切割板實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

通過采用超高壓水切割設(shè)備加工各類碳纖維及凱芙拉纖維復(fù)合材料試樣可知，超高壓水切割技術(shù)在復(fù)合材料加工方面有很大優(yōu)勢：

1)超高壓水切割加工技術(shù)能夠覆蓋復(fù)合材料加工主要特征：切邊、倒角、倒圓等，可以滿足復(fù)合材料加工要求，尤其在連續(xù)的鋸齒、倒小內(nèi)圓角加工技術(shù)方面，可以保證試樣不損傷。

2)超高壓水切割加工技術(shù)對于碳纖維和凱芙拉纖維加工都具有較好的適應(yīng)性。

3)超高壓水切割設(shè)備對于復(fù)合材料切割加工效率很高，加工質(zhì)量很高，無毛刺、撕裂、分層、崩塊等質(zhì)量缺陷。

4)凱芙拉復(fù)合材料機(jī)械加工相當(dāng)困難，其精度、加工質(zhì)量控制也較難。而超高壓水切割技術(shù)對于切割凱芙拉材料有較好的效果，可以解決傳統(tǒng)機(jī)械加工難以解決的問題。