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1、导弹与航天运载技术1994年第5期MISSILESANDSPACEVEHICLES总第211期碳纤维复合材料的切削加工工艺胡宝刚赵建设李德茂(北京材料工艺研究所)摘要进行碳纤维复合材料切削加工时,易产生各种加工缺陷,刀具磨损快,尺寸控制困难。本文通过对碳纤维复合材料的切削、切割等加工工艺的研究,对各种切削刀具的材料、几何角度提.。出了建议并推荐了相应的工艺参数主题词碳纤维增,切削加工,切割。强复合材料1前言碳纤,、比维复合材料因其优良的性能而在航天领域获得更广泛的应用其构件质量轻,,。刚度高但成型后的构件精度往往达不到要求需要进行后加工,、、毛刺、、碳纤维复合材料属难加工材料其加工
2、过程中易产生分层撕裂拉丝崩块,,,,等缺陷尺寸控制比较困难加工时刀具温度很高极易产生发热堵塞从而导致碳纤维复合材料基体表面产生碳化现象,影响表面质量。本,、、,文从切削和切割工艺角度分别论述了加工工艺用的刀具种类材质几何参数并相应推荐了切削加工工艺参数。2碳纤维复合材料的切削工艺碳纤维复合材料属难切削材料,难切削特性主要有硬度高、层间剪切强度低和热导性差。其难加工性表现为刀具的缺损、崩刃和磨损。表l列出了这种材料的特性与加工缺陷之间的关系,其中最大问题是刀具寿命短,主要原因是碳纤维磨损和切削热,因此要解决碳纤维复合材料的切削加工问题,首先应解决刀具材料问题。2.1切削刀具材料我们曾
3、对、、碳素钢高速钢硬质合金和聚晶金刚石刀具进行切削碳纤维复合材料的试,。验得到了切削时间与刀具磨损量之间的关系曲线(见图l)刀具的磨损主要是在刀尖处先形成一个亮点,然后主切削刃和副切削刃相继磨损,当主切削刃形成一个反转的渐开线圆弧时,表明刀具已严重磨损,不能再使用。本文修改稿于1994年1月4日收到一48一表1碳纤维复合材料特性与切削加工的关系加工时主要问题刀具磨损快,切削阻力大刀具磨损快层间剪切强度低切削温度高,易产生分层热导率低切削温度高,基体易碳化,刀具易磨损可以认为,在碳纤维复合材料加工领域,碳素钢作为切削刀具材料已接近,尾声;高速钢材料由于近年来晶粒细化可增加刀具强度和耐
4、磨性,仍可继续使百,用;石更质合金刀具由于晶粒超细化结导合界面增大,出现了整体硬质合金刀具晶群,改善了刀具的冈。度和耐用性,因而获霎聚晶金刚石,得广泛应用;聚晶金刚石刀具的出现使.碳纤维复合材料表面加工质量大幅度提0.51.01.520,。,高以车代磨逐步成为可能可以预料切削时间I(h)聚晶金刚石刀具将作为首选刀具而在碳纤维复合材料加工中占有更大比重。图1不同刀具切削时间与刀尖磨损之间的关系2.2切削刀具参数用人造金刚石聚晶刀具加工碳纤维复合材料时宜采用低转速、、中走刀量大吃深度和干法切削。刀具几何参数的选择是保证碳纤维复合材料表面加工质量的关键,车削时建议采用表2的刀具参数。表2
5、人造金刚石聚晶刀具加工碳纤维复合材料切削参数角度名称角度作用下。“下,,,前角12一15适当增大可以加大刀具切割作用减少切削热提高刀具寿命后角以。“:,,6一8适当增大保证切削轻快减少摩擦和切削热““75一90主偏角毋可减小径向力和振动,提高刀具强度,改善刀具散热条件“。45一60““又,,刃倾角又0一5适当减少可减小加工中的冲击力保护刀具强度刃口形状锐刃保持刃口锋利圆弧刃或修光刃刀尖形状提高刀尖强度和耐用度.r=0.2~05c=l~1.5一49一铣削时应采用正前角型高速钢铣刀和硬质合金铣刀,正前角铣刀有利于减小切削力,双。3。向螺旋式铣刀有利于防止产生层间剥离建议硬质合金立铣刀选
6、用表所列的参数表3硬质合金立铣刀几何参数作用螺旋角较大,有利于减小切削变形和切削力适当增大前角,可提高刀具寿命,减小切削力适当增大后角,可减少对工件的刮擦和损伤,减少切削热2.3切削工艺2.3.1车削,车削过程中切屑是外力作用在刀具表4人造金刚石聚晶刀具车削上挤压工件形成的,碳纤维复合材料的车碳纤维复合材料切削用量削加工、滑移、、经过挤压挤裂分离四个阶段,相同条件下碳纤维复合材料的切削名称切削用量力比金属材料要大得多。要保证碳纤维复、n,切削速度60一110m/mi合材料表面加工质量除选择合适的刀具..r,还应选择合理的切削用量。走刀量s06~1omm/参数外切削,吃刀量t1一Zm
7、m用量的大小是影响切削力的重要因素用聚晶金刚石刀具车削碳纤维复合材料时,建议采用表4所列的切削用量。2.3.2铣削铣。一般说来,削是碳纤维复合材料加工的一种主要手段对碳纤维复合材料层板加工,,。一个延伸到板边缘的切削表面时应先铣削层板边缘以防止分层正确的铣削方法见图2。国外推荐采用锋利的四槽端面铣刀,以提高切削效率和降低切削力,从而减少分层的可能性。铣削时尽量避免横向进给,只有在背部有足够的支撑时才可使用横向进给。表5给出了硬质合金立铣刀加工碳纤维复合材料层板时的铣削
