复合材料制造工艺
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➢ 特点：
• 激光功率密度大，工件吸收激光后温度迅速升高而熔化或汽化，即 使熔点高、硬度大和质脆的材料（如陶瓷、金刚石等）也可用激光 加工；
• 非接触加工，激光头与工件不接触，不存在加工工具磨损问题； • 工件不受应力，无机械变形，加工质量好；
• 可以对运动的工件或密封在玻璃壳内的材料加工； • 激光束的发散角可小于1毫弧，光斑直径可小到微米量级，大功
树脂传递模塑RTM
7、树脂膜熔浸法
将树脂膜熔化后，在自上而下的压力作用下流经整个预 成型件厚度，完成树脂浸渍，再固化成型。
共固化整体成型结构：
加筋板结构
盒状结构
夹层结构
复合材料机械加工
加工方法：
➢ 制件切割和边缘余量修切
小且薄：刀片 玻璃纤维：手锯或圆锯 石墨环氧：有金刚石或立方碳化硼的刀具 金属基：金刚石线锯 陶瓷基：金刚石砂轮（速度250r/min或4000r/min）
热压罐种类：按工作温度分 ➢ 低温：350～400℉ ➢ 高温：750～800℉
高温热压罐：热塑性材料
电加热等 空气/氮气/二氧化碳加压 （氮可防火）
蜂窝夹层结构：45±5lb/in2 层合板： 85±15lb/in2
注：1 lbf/in2 = 1psi = 894.744825 pa
装在真空袋中的零件在热压罐里以规定的升温速率加热至固化温度。 在整个固化过程中要保持规定的温度和压力。固化后的零件经过规 定的降温过程后方可取出。
钻头使用原则：
➢ 手持钻机钻孔时，钻头最大直径8mm ➢ 使用钻孔模具（确保钻孔在层压板表面正确排布） ➢ 使用背衬支撑（如硬木块、玻璃钢块等）（防止钻头攻
出边分层和纤维损伤） ➢ 可采用水冷却（防止钻头过热引起分层和纤维损伤） ➢ 钻头经过机加研磨（确保钻孔尺寸和钻头使用寿命）
铰孔：孔的精加工方法之一，一般是用定尺寸铰刀或可调尺寸的
固化时间曲线
特点：
➢ 适合大型板壳成型 ➢ 模具简单 ➢ 树脂含量均匀，内部质量好（大部分承载高的构件） ➢ 设备投资大，成本较高
前两道工序： ➢ 预浸料下料
机械裁剪：激光、往复刀片、超声、高压水等 手工裁剪：陶瓷剪刀
➢ 按铺层号和铺层角依次铺贴
自动铺带机或手工
2、袋压成型
➢ 真空袋法
在烘箱或其它热源环境、真空压力（最大0.1MPa）下固化。 适用于1.5mm的薄板件和蜂窝结构件（低压不损坏芯子） 设备简单、投资少、便于操作
来完成穿孔、切割和焊接等特种加工过程（材料表面吸收激光能量， 在照射区域内产生热激发过程，从而使材料表面或涂层温度上升，产 生变态、熔融、烧蚀、蒸发等现象）
➢ 激光冷加工/光化学反应加工：激光束照射到物体，借助高密
度激光高能光子引发或控制光化学反应的加工过程（光子能够打断 材料（特别是有机材料）或周围介质内的化学键，至使材料发生非 热过程破坏。如激光刻蚀、表面氧化等。
特点：加工精度高、适宜硬而 脆的材料打孔和开槽
4）高压水切割：
将普通的水经过多级增压后所产生的高能量(380MPa)水流，再通过 一个极细的红宝石喷嘴(Φ0.1-0.35mm)，以每秒近千米的速度喷射切 割，又称水刀和水射流。
特点：
➢ 切屑量少且不飞扬、噪音小、无有害气体 ➢ 工艺性好：切缝窄（0.1～0.8mm）、切口整齐光滑、不产生分层
作表面局部微量的金属材料立刻熔化、气化，并爆炸式地飞溅到工作液 中迅速冷凝，形成固体的金属微粒，被工作液带走。 ➢ 工件表面上留下一个微小的凹坑痕迹。
特点：切口质量高、不会产生微裂纹、但工具磨损快
3）超声波加工：
利用超声频作小振幅振动的工 具，并通过它与工件之间游离 于液体中的磨料对被加工表面 的捶击作用，使工件材料表面 逐步破碎的特种加工
➢ 连接装配中的钻孔、铰孔、锪孔等
硬质合金或金刚石刀具 钻孔（大转速） 铰孔、锪孔（小转速） 干法加工（切削加工时不加冷却润滑液） 钻头尺寸等要略大于孔径（因复合材料钻孔后产生收缩）
钻孔：用钻头在工件上直接加工出的孔（孔内壁粗糙度很
差，常常大于6.3μM）。一般加工设备有台式钻床、摇臂钻 床、车床等。
第四章
复合材料制造工艺
❖ 热压罐成型 ❖ 袋压成型 ❖ 模压成型 ❖ 缠绕成型 ❖ 挤拉成型 ❖ 树脂传递模塑 ❖ 复合材料机械加工
复合材料构件性能同制造工艺密切相关（质量很大程 度取决于制造，制造成本占复合材料成本较大比例）
1、热压罐成型（加热加压 固化）（主要成型方法）
真空袋：加速混入材料中的空气和挥发物逸出
缠绕成型
5、挤拉成型
将浸渍过树脂胶液的连续纤 维束或带状织物在牵引装置 作用下通过成型模而定型 关键：增强材料的浸渍
优点：纵向强度高 质量稳定 重复性好 长度可任意切断
缺点：产品形状单调 只能生产线形型材 横向强度不高
6、树脂传递模塑RTM (Resin Transfer Moulding)：
将纤维增强材料（先编织或缝纫预成型）铺放到闭模的模腔内， 用压力将树脂胶液注入模腔，浸透纤维增强材料，然后固化， 脱模成型制品。 （设备：树脂压注机和模具）
ຫໍສະໝຸດ Baidu 机械加压措施
➢ “C”形夹：能在很宽压力范围内调节（注意不要使其过紧）
➢ 弹簧夹：所有的夹子都应使用压力板（防止有些地方没压紧）
3、模压成型
利用带有热源的压机，将毛胚放进金属对模，闭模后加热熔化，在压力 作用下充满模腔，进而固化
优点：
➢ 外形精度高 ➢ 内部质量好 ➢ 生产效率高（多数结构复杂的制品 可一次成型，无需二次加工） ➢ 重复性好，易实现机械化和自动化
真空袋的类型：
表面真空袋
(一) 表面真空袋 用于大部件的模具表面（单面安装） (二) 套封袋 通常用来维修小部件，这些部件可以放入袋内，部件所有表面都受压，袋子 的开口端用密封带封住 (三) 双自封真空袋 用于管形结构，使在管的内表面和外表面同时加压（防止管结构破坏）
套封袋
双自封真空袋
➢ 压力袋法
2）电火花加工：利用浸在工作液中
的两极间脉冲放电时产生的电蚀作用蚀 除导电材料的特种加工方法，又称放电 加工或电蚀加工。
➢ 工具电极和工件分别接脉冲电源的两极，并浸入工作液； ➢ 通过间隙自动控制系统控制工具电极向工件进给，当两电极间的间隙达
到一定距离时，两电极上施加的脉冲电压将工作液击穿，产生火花放电； ➢ 在放电的微细通道中瞬时集中大量的热能（可高达10000OC以上），工
和变形 ➢ 成本低：无需刀具、射流中磨料和废水可回收、加工设备便宜、
加工后无需修整
本章小结
各种成型工艺的原理和特点 ❖ 热压罐成型 ❖ 袋压成型 ❖ 模压成型 ❖ 缠绕成型 ❖ 挤拉成型 ❖ 树脂传递模塑 ❖ 复合材料机械加工
铰刀从工件孔壁上切除微量金属层，即在已加工的孔的基础上再 进行微量切削，目的是提高孔的尺寸精度和孔表面质量。 铰孔可以分半精铰和精铰，孔径的误差可以控制在0.01MM以内， 孔内壁粗糙度一般在0.4-0.8μM。铰孔可以在车床、镗床等上进行 （有时也用手工铰）。
锪孔： 在已加工的孔上加工圆柱形沉头孔、
缺点：
➢ 模具设计制造复杂 ➢ 压机及模具投资大 ➢ 制品尺寸受设备限制，只适合制造 批量大的中、小型制品
4、缠绕成型
长纤维在张力控制下，按预定路径高速而准确地缠绕在高速转动的芯轴上 纤维连续，适合回转形、筒形零件（机身、进气道等）
优点：纤维排列的规整度和精度高，比强度和比模量高，质量稳定 缺点：设备投资费用大
锥形沉头孔和凸台断面等。锪孔时使用的刀 具称为锪钻，一般用高速钢制造。
切割机：磨去或割去损伤部位材料
主要参数：转速、砂轮片直径、砂轮粒度等
特种加工方法：
1、常规机械加工方法特点：
➢ 简单、方便、工艺较成熟 ➢ 加工质量不高、易损坏加工件、刀具磨损快，难以加工形状复杂工件
2、特种加工方法：
1）激光束加工 ➢ 激光热加工：利用高功率密度的激光束投射到材料表面产生的热效应
将未固化的制品放入一橡胶袋，固定好盖板，然后通入 压缩空气或蒸汽（0.25～0.5MPa），使制品在热压条件 下固化。
固化树脂基体时部件表面加压的好处：
➢ 除去多余的树脂(以保持适当的纤维树脂含量比) ➢ 除去制件里滞留的空气和挥发物
注意： ➢ 压力要一直保持到树脂完全固化为止。 ➢ 所有的夹子和压力板在使用前都要涂脱模剂。
率激光器的连续输出功率又可达千瓦至十千瓦量级，因而激光 切缝小，既适于精密微细加工，又适于大型材料加工； • 作用时间可以短到纳秒，加工速度快，比常规机械加工效率高 几十倍甚至上百倍； • 材料利用率高，经济效益高。与其他加工技术相比可节省材料 10 ~ 30 %，材料成本费低，激光加工设备操作维护成本低； • 激光束容易控制，易于与精密机械、精密测量技术和电子计算 机相结合，实现加工高度自动化、高加工精度、形状复杂工件 加工
• 激光功率密度大，工件吸收激光后温度迅速升高而熔化或汽化，即 使熔点高、硬度大和质脆的材料（如陶瓷、金刚石等）也可用激光 加工；
• 非接触加工，激光头与工件不接触，不存在加工工具磨损问题； • 工件不受应力，无机械变形，加工质量好；
• 可以对运动的工件或密封在玻璃壳内的材料加工； • 激光束的发散角可小于1毫弧，光斑直径可小到微米量级，大功
树脂传递模塑RTM
7、树脂膜熔浸法
将树脂膜熔化后，在自上而下的压力作用下流经整个预 成型件厚度，完成树脂浸渍，再固化成型。
共固化整体成型结构：
加筋板结构
盒状结构
夹层结构
复合材料机械加工
加工方法：
➢ 制件切割和边缘余量修切
小且薄：刀片 玻璃纤维：手锯或圆锯 石墨环氧：有金刚石或立方碳化硼的刀具 金属基：金刚石线锯 陶瓷基：金刚石砂轮（速度250r/min或4000r/min）
热压罐种类：按工作温度分 ➢ 低温：350～400℉ ➢ 高温：750～800℉
高温热压罐：热塑性材料
电加热等 空气/氮气/二氧化碳加压 （氮可防火）
蜂窝夹层结构：45±5lb/in2 层合板： 85±15lb/in2
注：1 lbf/in2 = 1psi = 894.744825 pa
装在真空袋中的零件在热压罐里以规定的升温速率加热至固化温度。 在整个固化过程中要保持规定的温度和压力。固化后的零件经过规 定的降温过程后方可取出。
钻头使用原则：
➢ 手持钻机钻孔时，钻头最大直径8mm ➢ 使用钻孔模具（确保钻孔在层压板表面正确排布） ➢ 使用背衬支撑（如硬木块、玻璃钢块等）（防止钻头攻
出边分层和纤维损伤） ➢ 可采用水冷却（防止钻头过热引起分层和纤维损伤） ➢ 钻头经过机加研磨（确保钻孔尺寸和钻头使用寿命）
铰孔：孔的精加工方法之一，一般是用定尺寸铰刀或可调尺寸的
固化时间曲线
特点：
➢ 适合大型板壳成型 ➢ 模具简单 ➢ 树脂含量均匀，内部质量好（大部分承载高的构件） ➢ 设备投资大，成本较高
前两道工序： ➢ 预浸料下料
机械裁剪：激光、往复刀片、超声、高压水等 手工裁剪：陶瓷剪刀
➢ 按铺层号和铺层角依次铺贴
自动铺带机或手工
2、袋压成型
➢ 真空袋法
在烘箱或其它热源环境、真空压力（最大0.1MPa）下固化。 适用于1.5mm的薄板件和蜂窝结构件（低压不损坏芯子） 设备简单、投资少、便于操作
来完成穿孔、切割和焊接等特种加工过程（材料表面吸收激光能量， 在照射区域内产生热激发过程，从而使材料表面或涂层温度上升，产 生变态、熔融、烧蚀、蒸发等现象）
➢ 激光冷加工/光化学反应加工：激光束照射到物体，借助高密
度激光高能光子引发或控制光化学反应的加工过程（光子能够打断 材料（特别是有机材料）或周围介质内的化学键，至使材料发生非 热过程破坏。如激光刻蚀、表面氧化等。
特点：加工精度高、适宜硬而 脆的材料打孔和开槽
4）高压水切割：
将普通的水经过多级增压后所产生的高能量(380MPa)水流，再通过 一个极细的红宝石喷嘴(Φ0.1-0.35mm)，以每秒近千米的速度喷射切 割，又称水刀和水射流。
特点：
➢ 切屑量少且不飞扬、噪音小、无有害气体 ➢ 工艺性好：切缝窄（0.1～0.8mm）、切口整齐光滑、不产生分层
作表面局部微量的金属材料立刻熔化、气化，并爆炸式地飞溅到工作液 中迅速冷凝，形成固体的金属微粒，被工作液带走。 ➢ 工件表面上留下一个微小的凹坑痕迹。
特点：切口质量高、不会产生微裂纹、但工具磨损快
3）超声波加工：
利用超声频作小振幅振动的工 具，并通过它与工件之间游离 于液体中的磨料对被加工表面 的捶击作用，使工件材料表面 逐步破碎的特种加工
➢ 连接装配中的钻孔、铰孔、锪孔等
硬质合金或金刚石刀具 钻孔（大转速） 铰孔、锪孔（小转速） 干法加工（切削加工时不加冷却润滑液） 钻头尺寸等要略大于孔径（因复合材料钻孔后产生收缩）
钻孔：用钻头在工件上直接加工出的孔（孔内壁粗糙度很
差，常常大于6.3μM）。一般加工设备有台式钻床、摇臂钻 床、车床等。
第四章
复合材料制造工艺
❖ 热压罐成型 ❖ 袋压成型 ❖ 模压成型 ❖ 缠绕成型 ❖ 挤拉成型 ❖ 树脂传递模塑 ❖ 复合材料机械加工
复合材料构件性能同制造工艺密切相关（质量很大程 度取决于制造，制造成本占复合材料成本较大比例）
1、热压罐成型（加热加压 固化）（主要成型方法）
真空袋：加速混入材料中的空气和挥发物逸出
缠绕成型
5、挤拉成型
将浸渍过树脂胶液的连续纤 维束或带状织物在牵引装置 作用下通过成型模而定型 关键：增强材料的浸渍
优点：纵向强度高 质量稳定 重复性好 长度可任意切断
缺点：产品形状单调 只能生产线形型材 横向强度不高
6、树脂传递模塑RTM (Resin Transfer Moulding)：
将纤维增强材料（先编织或缝纫预成型）铺放到闭模的模腔内， 用压力将树脂胶液注入模腔，浸透纤维增强材料，然后固化， 脱模成型制品。 （设备：树脂压注机和模具）
ຫໍສະໝຸດ Baidu 机械加压措施
➢ “C”形夹：能在很宽压力范围内调节（注意不要使其过紧）
➢ 弹簧夹：所有的夹子都应使用压力板（防止有些地方没压紧）
3、模压成型
利用带有热源的压机，将毛胚放进金属对模，闭模后加热熔化，在压力 作用下充满模腔，进而固化
优点：
➢ 外形精度高 ➢ 内部质量好 ➢ 生产效率高（多数结构复杂的制品 可一次成型，无需二次加工） ➢ 重复性好，易实现机械化和自动化
真空袋的类型：
表面真空袋
(一) 表面真空袋 用于大部件的模具表面（单面安装） (二) 套封袋 通常用来维修小部件，这些部件可以放入袋内，部件所有表面都受压，袋子 的开口端用密封带封住 (三) 双自封真空袋 用于管形结构，使在管的内表面和外表面同时加压（防止管结构破坏）
套封袋
双自封真空袋
➢ 压力袋法
2）电火花加工：利用浸在工作液中
的两极间脉冲放电时产生的电蚀作用蚀 除导电材料的特种加工方法，又称放电 加工或电蚀加工。
➢ 工具电极和工件分别接脉冲电源的两极，并浸入工作液； ➢ 通过间隙自动控制系统控制工具电极向工件进给，当两电极间的间隙达
到一定距离时，两电极上施加的脉冲电压将工作液击穿，产生火花放电； ➢ 在放电的微细通道中瞬时集中大量的热能（可高达10000OC以上），工
和变形 ➢ 成本低：无需刀具、射流中磨料和废水可回收、加工设备便宜、
加工后无需修整
本章小结
各种成型工艺的原理和特点 ❖ 热压罐成型 ❖ 袋压成型 ❖ 模压成型 ❖ 缠绕成型 ❖ 挤拉成型 ❖ 树脂传递模塑 ❖ 复合材料机械加工
铰刀从工件孔壁上切除微量金属层，即在已加工的孔的基础上再 进行微量切削，目的是提高孔的尺寸精度和孔表面质量。 铰孔可以分半精铰和精铰，孔径的误差可以控制在0.01MM以内， 孔内壁粗糙度一般在0.4-0.8μM。铰孔可以在车床、镗床等上进行 （有时也用手工铰）。
锪孔： 在已加工的孔上加工圆柱形沉头孔、
缺点：
➢ 模具设计制造复杂 ➢ 压机及模具投资大 ➢ 制品尺寸受设备限制，只适合制造 批量大的中、小型制品
4、缠绕成型
长纤维在张力控制下，按预定路径高速而准确地缠绕在高速转动的芯轴上 纤维连续，适合回转形、筒形零件（机身、进气道等）
优点：纤维排列的规整度和精度高，比强度和比模量高，质量稳定 缺点：设备投资费用大
锥形沉头孔和凸台断面等。锪孔时使用的刀 具称为锪钻，一般用高速钢制造。
切割机：磨去或割去损伤部位材料
主要参数：转速、砂轮片直径、砂轮粒度等
特种加工方法：
1、常规机械加工方法特点：
➢ 简单、方便、工艺较成熟 ➢ 加工质量不高、易损坏加工件、刀具磨损快，难以加工形状复杂工件
2、特种加工方法：
1）激光束加工 ➢ 激光热加工：利用高功率密度的激光束投射到材料表面产生的热效应
将未固化的制品放入一橡胶袋，固定好盖板，然后通入 压缩空气或蒸汽（0.25～0.5MPa），使制品在热压条件 下固化。
固化树脂基体时部件表面加压的好处：
➢ 除去多余的树脂(以保持适当的纤维树脂含量比) ➢ 除去制件里滞留的空气和挥发物
注意： ➢ 压力要一直保持到树脂完全固化为止。 ➢ 所有的夹子和压力板在使用前都要涂脱模剂。
率激光器的连续输出功率又可达千瓦至十千瓦量级，因而激光 切缝小，既适于精密微细加工，又适于大型材料加工； • 作用时间可以短到纳秒，加工速度快，比常规机械加工效率高 几十倍甚至上百倍； • 材料利用率高，经济效益高。与其他加工技术相比可节省材料 10 ~ 30 %，材料成本费低，激光加工设备操作维护成本低； • 激光束容易控制，易于与精密机械、精密测量技术和电子计算 机相结合，实现加工高度自动化、高加工精度、形状复杂工件 加工