碳纖維復(fù)合材料在工裝上的應(yīng)用研究

（中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司工裝制造廠，遼寧 沈陽 110043）

碳纖維復(fù)合材料在工裝上的應(yīng)用研究

于 菲 鄒華哲 車宏亮 宋慧軍

（中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司工裝制造廠，遼寧 沈陽 110043）

在生產(chǎn)加工現(xiàn)場使用的工裝中，有些大尺寸測具都是采用鋼件結(jié)構(gòu)非常笨重，測具主體材料選擇不合理，沒有采用輕質(zhì)材料，導(dǎo)致測具笨重，使用很不方便，尤其測量大尺寸薄壁件，易造成被測零件損傷變形。在保證使用性能的條件下，盡可能的減輕主體零件的重量。通過對各種資料的搜集分析，了解到碳纖維復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、耐腐蝕、低熱膨脹、耐高溫、重量輕等優(yōu)點。根據(jù)工裝使用性能，工裝在非定位件、主體橫梁類等主體簡單型面的零件，只對強(qiáng)度和剛性有要求，使用普通的碳纖維復(fù)合材料比較適合，用復(fù)合材料代替工裝結(jié)構(gòu)中的橫梁、支架等非定位件普通的鋼類結(jié)構(gòu)件，達(dá)到減輕工裝的重量的目的，解決長期存在的工裝笨重問題。

碳纖維；復(fù)合材料；笨重；剛性；工裝

引言

測具笨重是近年來生產(chǎn)現(xiàn)場反映比較多的問題之一，在國內(nèi)同行業(yè)都存在這個問題，經(jīng)過大量的實物和材料分析研究，針對長度測量的測具進(jìn)行試驗應(yīng)用，從設(shè)計源頭上保證測具的合理性，徹底解決測具笨重的問題。要從測具的橫梁、支架等非定位件零部件的材料方面解決測具笨重問題。在測具主體材料的選材上，從而整體減輕測具的重量，根據(jù)測具的結(jié)構(gòu)和使用要求，選擇合適的輕質(zhì)材料，以減輕測具的重量。設(shè)計制造出的新型的應(yīng)用輕質(zhì)材料普通的碳纖維復(fù)合材料比同樣鋼結(jié)構(gòu)件測具的重量減輕60%，大大減輕了工裝的重量，來改進(jìn)測具結(jié)構(gòu)笨重問題，并應(yīng)用推廣到零件生產(chǎn)中。

1 碳纖維復(fù)合材料的特點

復(fù)合材料是指由有機(jī)高分子、無機(jī)非金屬或金屬等幾類不同材料通過復(fù)合工藝組合而成的新型材料。先進(jìn)的復(fù)合材料（Advanced composite materialsj簡稱ACM）是指用碳纖維等高性能增強(qiáng)相增強(qiáng)的復(fù)合材料，對于先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料，在綜合性能上與鋁合金相當(dāng)，但比剛度比強(qiáng)度高于鋁合金。碳纖維是最重要的增強(qiáng)材料，在復(fù)合材料大家族中，纖維增強(qiáng)材料一直是人們關(guān)注的焦點。

碳纖維主要是由碳元素組成的一種特種纖維，其含碳量隨種類不同而異，一般在90%以上。碳纖維具有一般碳素材料的特性，如耐高溫、耐磨擦、導(dǎo)電、導(dǎo)熱及耐腐蝕等，但與一般碳素材料不同的是，其外形有顯著的各向異性、柔軟、可加工成各種織物，沿纖維軸方向表現(xiàn)出很高的強(qiáng)度。碳纖維比重小，因此有很高的強(qiáng)度。碳纖維是由含碳量較高，在熱處理過程中不熔融的人造化學(xué)纖維，經(jīng)熱穩(wěn)定氧化處理、碳化處理及石墨化等工藝制成的 由碳纖維和環(huán)氧樹脂結(jié)合而成的復(fù)合材料，由于其比重小、剛性好和強(qiáng)度高，在航空航天工業(yè)中已采用先進(jìn)復(fù)合材料，而工裝上只應(yīng)用普通的碳纖維復(fù)合材料，就能滿足強(qiáng)度和剛性的要求，并達(dá)到減輕工裝的重量。

2 應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料的測具結(jié)構(gòu)方案

為解決測量大尺寸測具笨重問題，使用鋼管、碳纖維等復(fù)合材料代替結(jié)構(gòu)鋼，減輕測具重量，避免薄壁零件壓變形，提高測量精度。研制方形、圓形碳纖維的結(jié)構(gòu)，滿足測具橫梁的要求，應(yīng)用到檢測大尺寸的長度測具中，減輕測具重量。

圖1 碳纖維材料嚓測具結(jié)構(gòu)簡圖

在檢查薄壁零件直徑在1000左右尺寸的測具設(shè)計中，橫梁應(yīng)用圓形碳纖維材料管子代替原鋼件尺板，為便于加工，在碳纖維材料管子兩端膠粘普通的鋼件固定塊，左端用于固定定位銷，右端使用杠桿結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

在工裝的專用測量工具結(jié)構(gòu)上，只要求結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛性及耐磨性，其它沒有過多的要求.首次研究試制時采用普通的碳纖維復(fù)合材料管子，兩端粘結(jié)普通的圓形鋼件結(jié)構(gòu)固定塊，用于連接其它鋼制零部件。由于在加工制造時，無法定位，為降低加工難度，與工藝研究兩端連接的圓形柱銷改為長方體結(jié)構(gòu)，并且與廠家聯(lián)系，要求保證長方體兩側(cè)定位面的平行度，然后我們以長方體兩側(cè)定位面為基準(zhǔn)，進(jìn)行測量銷和表架的組合加工，保證測具兩基準(zhǔn)的平面度要求，使測具能可靠定位，準(zhǔn)確測量，確保測具備的測量精度。

結(jié)語

通過該項研究應(yīng)用，可在測具主體材料的選材上，如測具的橫梁、支架等非定位件零部件的材料方面，根據(jù)測具的結(jié)構(gòu)和使用要求，選擇合適的輕質(zhì)材料，以減輕測具的重量。通過在多套測具上應(yīng)用碳纖維材料復(fù)合材料， 從而整體減輕測具的重量，使測具的重量比同樣鋼件測具減輕了60%，解決了工裝設(shè)計結(jié)構(gòu)笨重問題，增加測具的測量穩(wěn)定性，該新材料的研究應(yīng)用，是設(shè)計能力和制造能力的提高，并應(yīng)用推廣到各產(chǎn)品生產(chǎn)中。

[1] 張桂環(huán)，劉起秀，曹子讓.碳纖維復(fù)合材料在醫(yī)療上的應(yīng)用研究——人工骨[J].新型炭材料，1991（01）.

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