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探讨碳纤维增强复合材料加工技术研究进展

作者:2017-10-10 18:42:13阅读:文章来源:

  碳纤维增强复合材料(CFRP),其组成成分介于碳和石墨之间,是一种耐热性能好,轻质高强度的纤维聚合物,其表现出优良的耐疲劳性和抗腐蚀性,备受新型工业青睐,大量用于建筑行业、医疗行业、军队设备和航空设备制造业中。CFRP 在加工过程中,基体和纤维存在较为复杂的内部相互作用,使其物理特性与金属有较大区别,密度远小于金属,而强度大于绝大部分金属。因为CFRP 的不均匀性,在加工过程中往往会出现纤维拉出或基质纤维的现象;CFRP 具有较高的耐热性和耐磨性,使其在加工过程中对设备的要求较高,因为生产过程中产生大量切削热对设备磨损较为严重。同时,其应用领域的不断扩展,要求也越来越细腻,对材料适用性做出要求,对CFRP 的质量要求也越来越苛刻,也致使加工成本上浮,所以,对CFRP 加工技术的研究也显得非常必要。本文阐述了现阶段关于CFRP 加工的5 种主要技术:车削加工、铣削加工、钻孔加工、磨削加工、超声振动加工技术。对比各加工工艺,旨在为选择更有效合理的加工方法加工CFRP 提供参考。对CFRP 切削理论中,CFRP 的不均匀性和各向异性,导致工件和刀具的相互作用有明显差异性。通过对CFRP 加工过程中切屑产生以及材料去除的机理分析,更加深刻了解CFRP加工的发展历程。另外,通过对加工过程细致化的假设研究,基于现在切削理论,对由于切削产生的切削热进行分析研究,研究加工时各参数的设置对成品表面质量的影响,并反复调整核对参数,以生产出更高标准的产品为目标,优化现有技术。

  1 原理

  1.1 纤维取向

  纤维取向在CFRP 工件和刀具接触面的相互作用中会产生重大影响,因此在 CFRP 加工时,有必要明确描述出不同纤维取向。在CFRP 切削过程中,切屑形成和纤维取向密切相关。研究发现,CFRP 工件和刀具接触面的断裂是由刀尖所施加的压力导致的。在多种纤维取向方面,共有 3 种切削机理:纤维的断裂沿着纤维和基体接触面的方向,即纤维取向是 0°;②刀具剪切时方向垂直于纤维轴,纤维取向为75° ;③纤维取向为 90°甚至负角度,纤维方向角度 30°60°90°是最关键的方向,它们会导致大的切削力和集中磨损及工件破坏,通过增加刀具后角值可以有效地减小进给推力。

  1.2 切削热

  在进行切削工作的时候,工件和切削刀具之间摩擦升温,甚至引起刀具高温软化或分解。CFRP 的切削过程是碳纤维断裂和基体材料去除的复杂过程,且CFRP 导热性较差,所以在切削过程禁止使用冷却液,致使产生的切削热不能快速散出,从而将热量传到切削刀具上,使工件的表面热量更加剧,影响复合材料表面成型,降低了复合材料使用中的性能。大量切削热也加剧了切削设备的磨损,使其使用寿命大打折扣。

  1.3 刀具磨损机理

  之所以说CFRP 属于难加工材料,其主要的原因还有就是对刀具磨损非常迅速,刀具的更换周期相当短。其加工进程中对刀具的磨损机理为:工件在刀具上被加工时,二者表面接触大,在加工过程中,长期的磨损,震动,使刀具上的硬质颗粒偶有脱离,从而形成了所谓的刀具磨损。其磨损类型大致可分为刀具破坏和磨损。按照磨损的位置不同,磨损又可分为刀尖磨损、刀具侧面磨损、刀具边缘破坏和边缘磨损。CFRP 有很多机械加工方法,传统的方法包括车削、磨削、钻孔等,非传统方法包括超声振动切削加工等。

  2 加工技术

  2.1 车削加工

  车削是在CFRP 加工中应用最多的方法也是最基础的方法,通常适用于圆柱表面预定公差的实现。适合车削可以应用的刀具主要材料为:硬质合金或陶瓷以及聚晶金刚石。加工工艺中进刀速率,所切深度,和切削的速度都会影响工件成品表面质量和道具损坏程度,这也是进行技术优化的目标方向。

  2.2 铣削加工

  铣削通常是对成品工件再加工的一种加工方式,要求的加工精度较高,对复杂工件粗加工后的修缮性的铣削过程。在加工过程中,同样端铣刀和 CFRP 之间要进行复杂的相互作用,造成CFRP 工件存在没切断的纤维纱线以及分层现象。为减少和避免类似缺陷产生,专家学者进行更细致的探测发现,只要在加工前期,科学预测切削力和轴分层和未切断的纤维纱线毛边的现象时有发生的大小,控制加工工艺参数设置,将有效减少了毛刺毛边的产生。故得铣削加工的技术要求:反复实验纤维取向,轴向和切向进给速度,形成最佳参数,进行铣削加工。

  2.3 钻孔加工

  工件要求螺栓或铆接装配时需钻孔操作。而在CFRP 钻孔过程中仍然存在一定问题:材料的离层现象,刀具的严重损耗以及孔内壁的质量问题。经实验分析,设置的切削参数、钻头的几何形态以及切削的质量对上诉产生的问题均产生明显影响。我们通常把损伤区最大直径和孔径比率称为损伤因子,也是表示分层现象的程度,分层因子越大,表示分层问题越为严重。并且我们通过实验可以推理,切削过程中推力和分层现象产生也有相互关系,推削力的大小也可表示分层程度。另外,基于相同的钻孔材料,不同于其他加工方式,钻孔加工中切削速率不会给切削力产生很大影响。

  2.4 磨削加工

  通常在船舶制造,航天工业领域,对CFRP 的工件质量要求更为苛刻。工件精度和质量都要求在较高加工方式下进行,而磨削加工的施工工艺恰恰符合其制造要求。磨削加工件精度要求十分严格,需对已经粗加工的工件进行细磨加工。然而,磨削加工CFRP 要比金属困难和复杂得多,国内外学者也进行了相关研究,设计了一种杯形砂轮,在其内部提供冷却液对CFRP 进行磨削加工,比较了干式磨削、外部冷却液磨削和内部冷却液磨削 3 种加工方式,结果显示:内部冷却液磨削方式加工过程中,附着于砂轮上的基体树脂明显减少,砂轮中的磨粒能更有效地磨削纤维且在材料表面不会产生层离或毛刺现象。这种砂轮内部提供冷却液的方法展示出了更强的冷却效果,能显著降低磨削温度,同时有利于切屑的排出。

  2.5 超声振动加工技术

  超声振动加工机理是建立在传统加工过程中刀具和工件相对运动的基础上的,然后在对两者施加一定的超声振动,从而生产出性能更优越的复合型材料。该技术属于对传统技术的优化,较传统加工方式,技术更加先进,成品工件表面质量更加细腻,同时也降低裂纹产生的现象,节省了加工成本。有效减低了 CFRP 增强复合材料的加工难度,超声波的应用,彻底改善了材料去除机理,降低工具和工件相互的摩擦力,减少了工具加工时间,增强了刀具作用力,提高了加工效率,减少了刀具磨损,使工件加工的精度和质量更先进。

  3 结束语

  通过对CFRP 几种加工技术的分析研究,阐述了各加工工艺以、优缺点以及适用条件,为选择更合适的加工技术提供参考,为未来CGRP 在更多领域的广泛应用提供成熟稳定的技术支撑。

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