航空碳纖維復(fù)合材料的數(shù)控加工工藝分析

薛凱

摘要：復(fù)合材料具備減輕飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量的優(yōu)勢，所以在飛機(jī)設(shè)計(jì)制造中，越來越多的使用復(fù)合材料。而復(fù)合材料中，碳纖維占的比重是最大的，碳纖維的結(jié)構(gòu)成分較為復(fù)雜，因此，在加工方面存在一定的難度。在進(jìn)行加工碳纖維時(shí)，極易引起材料的分層或者劈裂等情況影響使用而報(bào)廢。因此，如何能夠?qū)⑻祭w維的使用率達(dá)到最高，減少碳纖維的損壞，是目前極具研究的一個(gè)話題。

關(guān)鍵詞：碳纖維復(fù)合材料;設(shè)備選用;刀具選用;加工工藝

碳纖維，英文名字Carbon Fiber，簡稱CF。碳纖維主要是指有機(jī)纖維進(jìn)過碳化或者經(jīng)過石墨化處理之后，得到的微晶石墨材料，這種石墨材料中的碳纖維的含碳量在95%左右，石墨纖維的含碳量在99%左右。是一種分子結(jié)構(gòu)處在石墨和金剛石之間的材料。由于碳纖維材料的特殊性，在加工的時(shí)候需要選取合適的方法以及正確的加工設(shè)備，這樣可以有效的降低對碳纖維材料的傷害。

1碳纖維的加工難點(diǎn)

在進(jìn)行加工碳纖維時(shí)，極易引起材料的分層或者劈裂等情況，加工難點(diǎn)主要原因如下：（1）材料硬度比較大，HRC值達(dá)到了53-65，它的硬度類似于高速鋼，因此在進(jìn)行加工的時(shí)候，很容易磨損鉆頭和銑刀。（2）材料的層間強(qiáng)度比較低，因此，在進(jìn)行鉆孔或者銑切的時(shí)候，很容易導(dǎo)致材料分層的情況。（3）材料是屬于各向異性材料，應(yīng)力比較集中，因此，在鉆孔的時(shí)候容易產(chǎn)生劈裂的情況。（4）材料的熱導(dǎo)率比較小，在鉆孔的時(shí)候，線脹的系數(shù)和彈性恢復(fù)都比較大，因此，容易出現(xiàn)縮孔的現(xiàn)象。（5）材料在切割之后產(chǎn)生的粉塵，會(huì)對人體產(chǎn)生巨大的危害。

2碳纖維加工的機(jī)床及工裝選用

在選用專用機(jī)床的時(shí)候，應(yīng)該根據(jù)碳纖維復(fù)合材料的特點(diǎn)，選擇密封性、除塵裝置都較好的數(shù)控設(shè)備，并且設(shè)備的主軸轉(zhuǎn)速不得低于6000/min，可采用風(fēng)冷或者水冷的冷卻裝置。

為了保證碳纖維復(fù)合材料在加裝夾工時(shí)不受損傷，應(yīng)該根據(jù)零件的特點(diǎn)設(shè)置專門的裝夾工具，減少壓緊力，保護(hù)材料內(nèi)部的架構(gòu)，針對特殊局部還可以選擇少量的輔助定位裝置。工裝夾具的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下要求：（1）選擇的夾具需要與數(shù)控設(shè)備相互配合。（2）選擇的夾具主體定位精度需要比零件的精度高1-2級(jí)。（3）選擇的夾具應(yīng)該滿足便利、簡潔的標(biāo)準(zhǔn)以及安裝需求。（4）選擇的夾具需要都真空吸附的功能。

3加工刀具的選用

因?yàn)閺?fù)合材料在加工的時(shí)候?qū)岜容^慢，并且加工的部位熱量比較高，因此就會(huì)導(dǎo)致材料難成屑且易磨損刀具，因此，在復(fù)合材料加工的時(shí)候?qū)τ诘毒咭约凹庸すに嚨倪x擇就會(huì)高于普通的機(jī)械加工，對道具和加工工藝就會(huì)有更高的要求。在加工的時(shí)候，最大的難點(diǎn)就是材料容易分層、毛糙。并且數(shù)控加工是符合材料加工的最后一步工序，一旦出現(xiàn)以上情況就會(huì)導(dǎo)致前功盡棄。

3.1鉆孔刀具的選擇

金屬零件的厚度都是比較均勻的，因此在加工的時(shí)候，受力均勻，不會(huì)產(chǎn)生分層或者起毛的情況。但是碳纖維零件是屬于多層結(jié)構(gòu)，不管是材料的厚度還是力學(xué)性能都有一定的差距，因此在鉆孔的時(shí)候需要對刀具有一定的要求，根據(jù)刀具的結(jié)構(gòu)來講，一般情況下，鉆頭采用的是三尖兩刃或兩尖兩刃形式，因?yàn)槿獾牡毒咻^為鋒利，能夠?qū)⑻祭w維層劃斷，然后配合兩刃，修補(bǔ)孔壁，因此，這種刀具在加工材料的時(shí)候效果會(huì)比較好。

3.2銑削刀具的選擇

碳纖維的邊緣一般比較薄，因此，在切割零件邊緣的時(shí)候一般使用的是合金滾花銑刀或魚鱗銑刀，因?yàn)檫@兩種銑刀整體材質(zhì)比較硬，并且銑刀表層帶有涂層，可以延長刀具的使用壽命。為了解決材料起毛和分層的問題，需要對邊緣和開口進(jìn)行切割，因此，使用的刀具的刀刃都是滾花結(jié)構(gòu)的，因?yàn)闈L花結(jié)構(gòu)的銑刀有許多小切削刃，這樣就可以限制刀片的運(yùn)動(dòng)和撕裂，較少起毛和分層的情況。魚鱗銑刀的優(yōu)勢的鋒利，可以快速的切除材料，通過減少碳絲拉出的情況減少分層起毛的情況。

4切削液

切削液在碳纖維零件加工時(shí)，是一個(gè)必備的物品，不管是在銑削時(shí)，還是在加工之后都可以使用去離子水進(jìn)行冷卻。

5車間環(huán)境

在碳纖維加工時(shí)，車間環(huán)境同樣重要，必須滿足以下要求：（1）為了保證數(shù)控機(jī)床的系統(tǒng)以及機(jī)械部件正常運(yùn)行，最好選擇可以調(diào)節(jié)溫度和濕度的車間。（2）待加工的數(shù)控設(shè)備最好是放置在避免陽光的車間。（3）為避免碳纖維加工時(shí)產(chǎn)生的粉塵對周圍的人員及設(shè)備造成影響，最好將碳纖維設(shè)備與其他設(shè)備分開。（4）在進(jìn)行鉗工工序時(shí)，最好有一個(gè)裝置，專門收集粉塵。

6加工工藝流程

在進(jìn)行碳纖維零件數(shù)控加工時(shí)，最好分別使用粗銑和精銑，例如：粗銑的刀具以及其他設(shè)備最好不在精銑的時(shí)候使用，具體的加工參數(shù)，可以通過實(shí)驗(yàn)，最后綜合給出。并且再此期間，需要注意刀具的磨損，任何一個(gè)程序在加工的時(shí)候，工序時(shí)長都不能超過刀具的磨損時(shí)間。在工藝流程方面，碳纖維零件加工時(shí)需要注意以下要求：（1）工序不得返工，每個(gè)工藝路線按照集中原則設(shè)計(jì)。（2）根據(jù)原材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)以及加工。（3）根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選取專門的夾具。（4）根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選擇合適的精銑和粗銑兩種加工方法。（5）在加工之前檢測、修復(fù)定位基準(zhǔn)。（6）在進(jìn)行零件加工時(shí)，粗銑的工藝參數(shù)取參考值的上限，相反，精銑的工藝參數(shù)取參考值的中、下限。（7）在進(jìn)行加工時(shí)，采用工裝基準(zhǔn)定位找正，誤差不能超過0.1/1000mm。（8）在對零件外形加工時(shí)，主要先進(jìn)行下刀加工。（9）在對零件內(nèi)形加工時(shí)，需要先鉆再銑，并且在銑刀下刀時(shí)不可以切削。（10）在進(jìn)行零件精銑的時(shí)候，必須使用新刀，磨損的刀具可以使用粗銑加工。

7結(jié)語

隨著社會(huì)科技的進(jìn)步，碳纖維加工的難度也會(huì)逐漸降低，選擇合適的加工設(shè)備、刀具以及合理的加工工藝，將會(huì)對碳纖維材料的加工有很大的幫助意義，如何降低成本，增加工作效率也將是今后碳纖維加工研究的新方向。

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