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碳纤维复合材料加工

时间:2021-07-03作者:查看:114次

  航空航天装备是制造水平和综合实力的集中体现,也是国民经济和安全的重要保障。随着世界经济和军事竞争的加剧,航空航天装备的性能需求日益提高,减轻结构重量、提升结构效率是实现装备性能不断突破的关键。选用轻重量、高强度、高性能的航空航天结构材料,是装备减重增效的重要途径,亦是世界各国争相研究的焦点。20世纪以来,从传统的结构钢,到性能越的镍基高温合金、钛合金,航空航天结构材料日新月异,飞行器的运载能力和大飞行距离也随之不断提升。直至20世纪60年代,新型轻质高强度结构材料——碳纤维增强树脂基复合材料(以下简称碳纤维复合材料)的应运而生,再次革新了人们对高性能航空航天结构材料的理解。

  

  碳纤维复合材料,是先由环氧树脂等基体材料浸渍纤维,而后经过刮胶、覆膜等工艺制成预浸料,再按构件的性能设计需求对预浸料赋形、固化终制成的。相比于传统材料,碳纤维复合材料的制造过程体现了“结构性能一体化设计制造”的先进性,使得其具有灵活的可设计性,同时,构件性能也实现了质的飞跃。数据表明,碳纤维复合材料的比强度和比刚度超出钢和铝合金5~6倍,且同传统材料中轻质的铝合金相比,用碳纤维复合材料制造的飞机结构件,减重效果高达20%~40%。经测算,商用运输机的结构重量每减轻1磅,可带来经济效益达800万美元。因此,自20世纪90年来以来,美国等发达在航空航天装备上大批量选用碳纤维复合材料,且其应用领域逐渐从舱门、窗框等非承力构件向垂尾、平尾以及机翼等主承力构件方向发展。如F-35战斗机的碳纤维复合材料用量达36%,EF-2000战机达到43%;又如民用飞机中B787的复合材料重量占比达50%,空客计划推出的超宽体客机A380XWB,复合材料用量将达52%。可见,碳纤维复合材料在航空装备上的应用程度,标志着航空航天装备的制造水平,其应用亦是制造领域发展的制高点。

  

  然而,随着碳纤维复合材料用量的急剧增加,其加工难度大、加工效率低的问题变得日益突出。由于碳纤维复合材料为多相非均质混合物,且各相的耐温性能和机械加工性能差别很大,这与金属等均质材料有很大不同,其在加工过程中的材料失效、断裂、去除等过程更加复杂。同时,从细观角度看,碳纤维沿纤维轴向和径向的力学性能大相径庭,使得材料宏观上具有鲜明的各向异性,在逐层铺放的过程中各层的纤维方向对材料的整体性能也会有明显的影响,进而导致加工质量更难预测和保证,这一点也与我们常接触的金属等均质材料不同。另一方面,碳纤维增强相、树脂基体相在结合时,以及宏观上相邻层预浸料在铺放时,都会产生“交互区域”,称为界面相。该相的物理性质,以及切削过程中在切削力、热作用下的动态行为在传统的切削理论中较少提及,使得这些传统理论难以指导碳纤维复合材料的加工。因此,开发适用于碳纤维复合材料的加工理论和方法已成为世界各国高校、科研机构研究的热点和难点。

  

  目前,工程生产中依然主要沿用金属等均质材料的传统切削理论、工具、工艺对碳纤维复合材料进行加工,导致毛刺、分层、撕裂等加工损伤严重,废品率高;同时,传统刀具和工艺的适用性较低,导致加工过程中刀具的磨损问题极为严重,需频繁更换刀具,造成辅助时间增长,加工效率低下。对于一些加工要求严苛的重要构件,只能采用经验试凑和手工反复修配的方式进行加工,严重拖慢了航空航天装备的生产节拍。因此,亟需对碳纤维复合材料的高质加工技术进行自主研发。

  

  针对上述问题,大连理工大学承担了973计划课题“碳纤维复合材料加工损伤产生机理与低损伤加工方法”,并与沈阳飞机工业集团(以下简称沈飞)、中国商用飞机有限责任公司(以下简称商飞)等企业组成研究团队,在碳纤维复合材料加工机理、加工工具、加工工艺3个方面展开了系统研究。

  

  碳纤维复合材料的加工机理

  

  考虑到任何材料的切削过程都是材料在刀具作用下断裂而被去除的过程,要实现高质量加工,就要摸清在何种条件下才能保证材料“切得好”。根据这一思想,课题组通过对碳纤维复合材料的加工过程进行在线显微观测,发现了加工质量主要由材料中纤维的“弯断”和“切断”决定。当纤维发生弯断时,弯断点的位置常与刀具与其的初始接触位置不同。若弯断点低于初始接触位置,则易形成撕裂;反之,则易产生毛刺。而当纤维发生切断时,材料去除效果好、损伤小。

  

  针对这一现象,课题组将切削过程中碳纤维所受刀具以及周围材料的法向、切向约束作用进行了抽象,建立了表征刀具与纤维接触的局部接触模型,以及表征周围材料约束的单纤维切削模型。根据计算结果,我们发现:纤维能否被有效去除,与刀具的锋利程度、切削用量的大小以及周围材料对其约束的强弱有关。多数刀具的切削刃是经反复打磨形成的,其前刀面与后刀面之间形成一个圆弧面。这个圆弧面的半径,即刀具的“钝圆半径”,表征着刀具的锋利程度。钝圆半径越小,刀具越锋利,越有利于在与纤维局部接触时有效切断纤维。

  

  切削用量也是影响加工过程的重要因素,因而时常被选为指导工艺的关键指标,其由切宽、切深等参数决定。当切削用量较小时,复材中的纤维易被切断。综上,选用“小钝圆”刀具,以“小切宽、小切深”加工碳纤维复合材料,有利于纤维切断,进而提升碳纤维复合材料的加工质量。

  

  除此以外,周围材料的约束作用,也将极大地影响碳纤维的断裂形式。从传统力学角度看,受约束越强的弹性体,越不易发生变形。碳纤维也是如此,受到的约束强,则利于切断;若受到的约束弱,则易随刀具发生弯折,影响加工质量。

  

  碳纤维复合材料的加工工具

  

  加工工具是加工理论在工程实际中的直接验证。课题组根据上述结论,提出了“微元去除”和“反向剪切”损伤抑制原理,并形成了相应的刀具设计思想。即一方面通过在刀具切削刃上开出分屑槽,形成微齿,以微刃力小化抑制损伤,多刃共切削保证去除效率;另一方面通过对刀具上的微齿进行间歇排布,配合切削运动,实现表层等受弱约束的材料从弱约束侧向强约束侧“反向切削”,利于纤维的有效切断。

  

  根据上述刀具设计思想,课题组研发了多系列碳纤维复合材料专用加工工具(如图所示),已成功应用于沈飞、商飞等企业,将碳纤维复合材料构件的加工损伤由原来的厘米、毫米量级降低至0.1毫米以下,实现了加工质量的大幅提升。同时,刀具寿命比进口刀具提升了2~7倍。


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