碳纖維設(shè)備中超長分絲輥的加工工藝分析

劉興苗，朱延松，王 娣，張斯緯

（1.連云港鷹游工程技術(shù)研究院有限公司，江蘇 連云港 222000；2.連云港鷹游紡機集團有限公司，江蘇 連云港 222000）

碳纖維被譽為新材料之王，又有黑色黃金之稱，作為一種性能優(yōu)異的戰(zhàn)略性新材料，其密度不到鋼的1/4，強度卻是鋼的5～7倍[1]。碳纖維技術(shù)具有森嚴的技術(shù)壁壘，此前只有日本、美國等少數(shù)發(fā)達國家掌握，國外在這方面對中國采取了完全的技術(shù)封鎖和產(chǎn)品壟斷。中復(fù)神鷹碳纖維有限公司從2006年成立之初起，依托江蘇鷹游紡機有限公司逐步實現(xiàn)了年產(chǎn)萬噸碳纖維的生產(chǎn)能力，并實現(xiàn)了從聚合到紡絲、再到炭化全套裝備的國產(chǎn)化。

1 研究背景

在研制碳纖維設(shè)備初期，相關(guān)設(shè)備的很多零件和工藝方法都是在摸索中挖掘。在碳纖維原絲炭化工藝過程中，絲束要通過許多牽伸輥和導(dǎo)絲輥來輸送。在此過程中，絲束與輥面的摩擦、磨損會造成纖維表面的損傷，因此，這些成品輥表面粗糙度（Ra）不得超過0.4。絲束在輸送過程中兩邊會出現(xiàn)離散、相互交叉并產(chǎn)生并絲。為了避免絲束間并絲，采用帶溝槽的導(dǎo)輥進行“強制隔離”，而這些帶溝槽的導(dǎo)輥被稱為分絲輥。在炭化過程的不同階段，所使用的溝槽導(dǎo)輥的溝槽形狀有所不同。在預(yù)氧化過程中，由于采用了多層運行方式來提高生產(chǎn)效率，絲束在預(yù)氧爐內(nèi)要走“S”形，需要通過導(dǎo)輥多次進行反轉(zhuǎn)導(dǎo)向，此處的溝槽、溝谷、溝峰均采用圓弧形結(jié)構(gòu)，且兩者圓滑連接[圖1（a）]。在高、低溫及石墨炭化階段，為了便于炭化及后續(xù)的表面處理和上漿工藝，此處的溝槽、溝谷有一段是平直的，溝峰采用圓弧形結(jié)構(gòu)[圖1（b）]。

圖1 槽形（一）

2 確定工藝路線

機械加工工藝是指利用機械加工的方法，按照圖紙的圖樣和尺寸，使毛坯的形狀、尺寸、相對位置和性質(zhì)成為合格零件的全過程[2]。制定工藝路線時，需先分析被加工零件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、加工精度要求。分絲輥結(jié)合件如圖2所示（因為技術(shù)保密，有些尺寸沒有標注）。分絲輥的材質(zhì)是45#鋼，長度為5 800.00 mm，由于國產(chǎn)碳纖維裝備炭化生產(chǎn)線幅寬?。? 000 m以內(nèi)），單線產(chǎn)能低。為了提高生產(chǎn)效率，需要相應(yīng)加大幅寬，分絲輥的長度也需隨之加長。其中，分絲輥的加工，尤其是溝槽的加工是個難題。本研究從焊接結(jié)合件開始，探討可行的工藝路線。

如圖2所示，因工件過長，現(xiàn)有數(shù)控車床無法加工，只能在加長普通車床上加工。選擇在CWA61100臥式車床上加工，分絲輥的溝槽槽形有圖1中的兩種，對溝槽表面的粗糙度要求很高。車工序結(jié)束后要有拋光工序，車槽形和拋光各溝槽都是難題，機械加工結(jié)束后要進行表面處理。經(jīng)過傳統(tǒng)表面處理的鏡面輥雖然在牽伸過程中不會損傷到纖維，但由于絲束與輥面之間的附著力強，絲束中極少量的游離絲會吸附在輥面上，一旦不能被及時帶走，就會纏繞在輥體上，進而帶動正常的絲束纏繞到輥面上，造成“纏絲”現(xiàn)象，若不能及時發(fā)現(xiàn)和清理，則會形成斷絲，嚴重時會導(dǎo)致停車，影響生產(chǎn)。因此，分絲輥表面要進行噴砂電鍍處理，最終確定工藝路線：車床—拋光—噴砂—電鍍。下面重點分析車床工序和拋光工序。

圖2 分絲輥結(jié)合件

3 加工工藝分析

3.1 車床工序

工欲善其事，必先利其器。根據(jù)工件材質(zhì)選擇刀具，加工45#鋼用YT類硬質(zhì)合金刀，用45°刀車平面，90°刀反車外圓，內(nèi)孔鏜刀車內(nèi)孔，內(nèi)孔切槽刀切內(nèi)槽，這些刀具都是常規(guī)刀具。確定車溝槽刀是難點，選用硬質(zhì)合金焊接車刀磨削而成（焊接車刀是以焊接方式將刀刃部分和刀體部分連接而成[3]），因槽形不同，刀具形狀也不同，磨削槽形刀時，先根據(jù)槽形自制磨刀樣板，在磨刀前準備刀坯及圓弧樣板。在刃磨過程中，適時選用圓弧樣板進行測量。在測量過程中，若車刀圓弧面與圓弧樣板完全吻合，則表示刃磨完成。加工圖1（b）所示槽形時，谷底用圖3所示車刀；加工谷峰時，用圖4所示車刀。

圖3 谷底成形刀

圖4 谷峰成形刀

加工圖1所示槽形時，只有谷底用刀不同，圖1（a）所示谷底用刀不用自制，選擇標準的R3圓弧刀即可，刀具準備完成后進入加工工序，制定車床工藝路線如下：

（1）撐一端內(nèi)孔，架中心架，找正車另一端內(nèi)孔（留量1.50 mm），調(diào)頭撐內(nèi)孔，架中心架回找正車另一端內(nèi)孔（留量1.50 mm）；

（2）撐內(nèi)孔，用傘形頂真頂起，用跟刀架，車輥外圓（留量0.20 mm），根據(jù)槽形選擇自制的T型成形刀或R3圓弧刀車槽，加工時只需要徑向進給，即可完成槽形的加工，然后選自制的外圓弧車刀車槽頂，最終完成絲槽切削，各個分絲槽車完以后，精車輥殼兩端外圓；

（3）撐內(nèi)孔，架中心架，精車兩端內(nèi)孔。

經(jīng)過上述工序，整個車床工序加工完成。

3.2 拋光機的改制及拋光工序

車床工序完成后進入拋光工序。輥體表面由諸多凹槽組成，車削凹槽有時會留下緊痕和毛刺，使用過程中，絲束是在一道道凹槽里運行，凹槽不能有毛刺，如果凹槽表面處理不好會傷到絲束。各凹槽無法上外圓磨床磨削，這時拋光就顯得非常重要。拋光工序也是為下道工序噴砂作準備，在試制過程中發(fā)現(xiàn)，拋光后工件表面的粗糙度不同，最后的成品效果各不相同。由于成品輥表面的粗糙度要求是0.4，拋光工序結(jié)束工件表面的粗糙度必須小于0.1，這樣成品輥表面的粗糙度才能不超過0.4。因此，拋光工序結(jié)束檢驗表面的粗糙度必須小于0.1，才算拋光工序合格。只有嚴格把控各工序，才能做出合格的工件。

拋光是指利用機械、化學(xué)或電化學(xué)的作用，降低工件表面粗糙度，以獲得光亮、平整表面的加工方法，利用拋光工具和磨料顆?；蚱渌麙伖饨橘|(zhì)對工件表面進行修飾加工[4]。拋光不能提高工件的尺寸精度或幾何形狀精度，而是以得到光滑表面或鏡面光澤為目的，通常以拋光輪作為拋光工具。拋光輪一般由多層帆布、毛氈或皮革疊制而成，兩側(cè)用金屬圓板夾緊，拋光時，高速旋轉(zhuǎn)的拋光輪（圓周速度在20 m/s以上）壓向工件，使磨料對工件表面產(chǎn)生滾壓和微量切削，進而獲得光亮的加工表面，表面粗糙度一般可達0.63～0.01。傳統(tǒng)的機床無法對槽形進行拋光，決定使用公司現(xiàn)有老舊臥式車床（模仿車床車削狀態(tài)）改造一臺外圓及絲槽拋光設(shè)備。在臥式車床刀架處改造，改造方案分別見圖5、圖6：拋光輪方便更換（含千葉輪、尼龍輪、羊毛氈輪），以適應(yīng)表面處理要求不一的產(chǎn)品；拋光輪可往復(fù)勻速運動；拋光輪轉(zhuǎn)速可自由調(diào)節(jié)，以便對不同材質(zhì)的產(chǎn)品進行拋光。

圖5 刀架改造

圖6 拋光示意

拋光機改制成功后，選擇合適的拋光輪進行拋光。拋光輪一般都是由動物皮毛、金屬絲、皮革、呢絨線、棉布、特種紙、纖維（尼龍）組成，分為軟輪和硬輪兩種性質(zhì)。當基體材料硬、形狀簡單時，多選用硬輪拋光；當基體材料軟、形狀復(fù)雜時，選用彈性較大的軟輪拋光。在拋光時，拋光輪高速旋轉(zhuǎn)并壓向工件進行拋光，基體與拋光輪摩擦產(chǎn)生的高溫使基體塑性增強，在拋光力的作用下，工件表面產(chǎn)生塑性變形，凸起部分被壓低，并向凹處流動，使表面粗糙度降低。

因為工件材質(zhì)是45#鋼，所以選用硬輪拋光，經(jīng)多次試拋，最后確定尼龍拋光輪的效果最好。尼龍拋光輪可拋平面、凹凸曲面及各種溝槽，拋光輪切削力強，對較大毛邊精除及連修效果極佳。尼龍拋光輪種類比較多，產(chǎn)品砂號一般分為90#、120#、150#、180#、240#、320#等。粗拋時用240#，精拋時采用320#。精拋則是拋光的最后一道工序，使工件表面獲得光亮鏡面。

3.3 噴砂工序

噴砂采用黑碳化硅，主要是因為碳化硅具有很高的硬度、化學(xué)穩(wěn)定性和一定的韌性，噴料粒度為400目，可在自制的自動噴砂機上進行噴制。用自動噴砂機噴過的零件砂粒均勻，成品出來后各項指標檢測均合格。需要注意的是，此項工序在之前相關(guān)論文中已有表述，在此不再贅述。

3.4 電鍍工序

輥殼表面鍍硬鉻，鍍層厚度不小于0.06 mm。

3.5 成品檢驗標準

用T700、12K碳纖維原絲一端掛400 g重物，一端手拉，在輥或輪體表面來回拉10次，觀察原絲起毛狀況，無或少為1級，起毛較多為2級。采用這種工藝方法制作的成品經(jīng)檢驗均為拉毛等級1級。

4 結(jié)語

經(jīng)檢驗，上述分絲輥減少了絲束與輥面的摩擦、磨損，避免了纖維表面的損傷，而且絲束兩邊不會出現(xiàn)離散以及相互交叉產(chǎn)生并絲，較好地保證了碳纖維絲束的質(zhì)量，為公司生產(chǎn)高質(zhì)量的高強纖維復(fù)合材料提供了堅實的基礎(chǔ)，為我國的高強纖維復(fù)合材料達到世界領(lǐng)先水平提供了有力的技術(shù)保障。