碳纤维复合材料加工方法

碳纤维复合材料加工方法

        随着各行业对材料轻量化和卓越性能的追求，碳纤维及其复合材料的应用越来越广泛，目前还没有大批量应用的原因主要是成本和生产效率的问题。而成本主要是材料成本和批量化成型加工成本，如何高速、高效大批量生产高质量、低成本的碳纤维复合材料，减少材料浪费，已经成为业内的共识。

1.车削加工

        车削是在碳纤维增强复合材料(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.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，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。

        主要的工艺参数，如纤维取向、轴向和切向进给速度、切削速度等，都会对工件表面粗糙度产生显著影响。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。

3.钻孔加工

        工件要求螺栓或铆接装配时需钻孔操作，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。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。

        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。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。

        在同一切削参数下，与麻花钻头相比，参数对复合型特殊钻头分层影响较低。对于特殊几何特征的钻头，较大的进给速度和钻头直径可以减少分层，并且不同直径比钻孔切削力会随着直径比的减小而增大，随着进给速度的增大而增大。

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。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。

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和辅助，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。主要有超声振动钻孔加工、超声振动磨削加工、超声振动铣削加工，超声振动切削加工。

(1)超声振动钻孔加工

        超声振动钻孔加工是一种非传统的加工方法，在高效钻削加工复合材料方面具有很大发展潜能，其主要优点包括：减小切削力和力矩;提高加工表面质量，减少毛刺;避免分层现象发生等。

        有学者研究以金刚石磨粒旋转超声振动钻孔加工 CFRP，旋转超声钻孔加工如图 3 所示。对 CFRP的机理分析表明：CFRP 的材料去除机理更适用于脆性断裂而不是塑性变形，建立切削力模型用于预测加工参数和加工环境对切削力影响的关系，并通过试验验证了该力学模型的准确性。

(2)超声振动磨削加工

超声振动磨削加工结合了金刚石磨削加工材料去除机理和具有超声加工特点的复合式磨削加工技术。其优点主要有：可产生切削力减小和切屑减薄的效果;改善工件表面精度和形状精度;提高材料去除率，延长工具的寿命;提高脆性与延性域发生转变的临界切削深度，实现脆性材料的延性域加工。

参考资料：

[1] 中塑在线 http://info.21cp.com/industry/News/201708/1315750.htm