复合材料加工、难加工零件

五、复合材料常用的机加工工艺
事实上，每一种新的复合材料零件都各不相同， 复合材料本身的范围很广。该公司在其第一种CFRP （碳纤维增强复合材料 ）零件的加工获得成功后， 在加工第二种CFRP零件时又麻烦不断，直到它发现， 应该降低加工所用的切削参数，并增大加工某些零 件特征所需的毛坯余量，因为第二种CFRP的特性和 成分与第一种CFRP截然不同，这是复合材料加工的 典型特点。有人指出，“为了确定合适的刀具、切 削速度和进给率，你不能只是去查一本切削手册， 在其中寻找有关复合材料的内容。你甚至都无法找 到加工CFRP的内容。对这些材料的加工还缺乏足够 明确的定义或一致性”。
4、医学领域。碳纤维复合材料具有优异的力学性 能和不吸收X射线特性，可用于制造医用X光机和矫 形支架等。碳纤维复合材料还具有生物组织相容性 和血液相容性，生物环境下稳定性好，也用作生物 医学材料。此外，复合材料还用于制造体育运动器 件和用作建筑材料等。
5、建筑、体育等领域 。
三、复合材料的应用 氮化硅结构陶瓷被用作航天飞机的防热瓦
一、 概述
复合材料使用的历史可以追溯到古代。从古至今 沿用的稻草或麦秸增强粘土和已使用上百年的钢筋 混泥土均由两种材料复合而成。20世纪40年代，因 航空工业的需要，发展了玻璃纤维增强塑料（俗称 玻璃钢），从此出现了复合材料这一名称。50年代 以后，陆续发展了碳纤维、石墨纤维和硼纤维等高 强度和高模量纤维。70年代出现了芳纶纤维和碳化 硅纤维。这些高强度、高模量纤维能与合成树脂、 碳、石墨、陶瓷、橡胶等非金属基体或铝、镁、钛 等金属基体复合，构成各具特色的复合材料。
一、 概述
现代高科技的发展离不开复合材料，复合材料对现代科学 技术的发展，有着十分重要的作用。复合材料的研究深度 和应用广度及其生产发展的速度和规模，已成为衡量一个 国家科学技术先进水平的重要标志之一。进入21世纪以来， 全球复合材料市场快速增长，亚洲尤其中国市场增长较快。 2003～2008年间中国年均增速为15%，印度为9.5%，而 欧洲和北美年均增幅仅为4%。 由于复合材料的抗拉强度高，弹性模量和耐热性较好，重 量轻，韧性、减振能力和抗疲惫性能特佳，故在航天、航 空、汽车、船舶、纺织机械、化工设备、建筑、医疗和体 育器材上得到了广泛应用。
三、复合材料的应用
三、复合材料的应用
复合材料它可以发挥各种材料的优点，克服单一材料的缺陷， 扩大材料的应用范围。由于复合材料具有重量轻、强度高、 加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候性好等特点， 已逐步取代木材及金属合金。 复合材料的主要应用领域有：
1、航空航天领域。由于复合材料热稳定性好，比强度、比 刚度高，可用于制造飞机机翼和前机身、卫星天线及其支撑 结构、太阳能电池翼和外壳、大型运载火箭的壳体、发动机 壳体、航天飞机结构件等。
在金属切削加工中，刀具几何形状决定了其切削性能，刀具材 料决定了其使用寿命。复合材料的切削加工也同样如此。不过， 在加工复合材料时，刀具材料也会成为其切削性能的一个决定因 素。复合材料可能会造成刀具快速磨损，从而使刀具几何形状也 迅速改变，除非切削刃材料能够抵御复合材料的磨蚀，足以保持 其几何形状和锋利性。钻削加工复合材料时，一种常见的现象就 是，可能加工出的前两个孔都具有良好的钻出孔口质量，但很快 就会在第三个孔出现分层、开裂或其他孔口缺陷，这只是因为刀 具的磨损导致其几何形状再也无法保持干净整齐的切削。
五、复合材料常用的机加工工艺
（一）切削复合材料与切削金属材料的区别
复合材料的加工难度虽然较大，但是，从事复合材料加工 的加工者还是总结出了一些有用的经验，这些经验使它们在 加工某一类复合材料时能持续获得成功，虽然复合材料的种 类还在不断增加和变化。复合材料加工机理总有一些规律。
切削加工复合材料可能看起来与切削金属材料大同小异， 但实际上，二者的加工机理大相径庭。
复合材料(如CFRP)零件可以装夹在金属切削机床上进行加 工，甚至也可以采用与切削金属零件类似的刀具(虽然这种加 工较少)。然而，一旦刀具切削刃切入复合材料工件，就能揭 示出与金属切削的本质区别，二者的材料去除机制完全不同。
五、复合材料常用的机加工工艺
金属切削加工的材料去除机制是塑性变形。工件材料比刀具材 料软，在刀具切削刃上会形成切屑流。而在切削加工复合材料时 (这里主要考虑CFRP)，并不会产生真正意义上的切屑。相反，用 “粉碎”来描述材料去除机理可能更为贴切。工件材料并不是被 剪切去除，切削刃的作用是切碎坚硬的碳纤维。在此过程中，切 削刃要承受剧烈的磨蚀，这可能会导致其快速磨损。
2、汽车工业。由于复合材料具有特殊的振动阻尼特性，可 减振和降低噪声、抗疲劳性能好，损伤后易修理，便于整体 成形，故可用于制造汽车车身、受力构件、传动轴、发动机 架及其内部构件。
三、复合材料的应用
3、化工、纺织和机械制造领域。有良好耐蚀性的 碳纤维与树脂基体复合而成的材料，可用于制造化 工设备、纺织机、造纸机、复印机、高速机床、精 密仪器等。
二、复合材料的分类和性能
（二）分类
复合材料是一种混合物。在很多领域都发挥了很大的作用，代替了很 多传统的材料。复合材料按其组成分为：
金属与金属复合材料 非金属与金属复合材料 非金属与非金属复合材料
按其结构特点又分为： 纤维增强复合材料 夹层复合材料 细粒复合材料 混杂复合材料
按按功能又分为： 结构复合材料 功能复合材料 例如，碳纤维复合材料(CFRP)是一种聚合物增强塑料，其中包括许多 不同的品种。同样，金属基复合材料和陶瓷基复合材料的规格品种也五花 八门。实际上，“复合材料”一词所指的范围比“金属材料”范围更广。
五、复合材料常用的机加工工艺
下面是加工碳纤维增强复合材料(CFRP)时可能需要考虑的 一些要点：
1、刀具材料 硬质合金刀具可以用于加工复合材料，但由于寿命较短， 在加工过程中往往需要频繁换刀。 金刚石刀具可能具有更长的使用寿命。加工CFRP时，可选 择的金刚石工具包括电镀金刚石磨粒的修磨棒、CVD金刚石 涂层刀具或整体式PCD刀片。 为加工复合材料而专门开发的一种不同寻常的刀具是“整 体烧结”金刚石刀具，该刀具是将金刚石材料填充在硬质合 金刀柄上专门设计和加工出的狭槽中，直接烧结成型。
五、复合材料常用的机加工工艺
当你面对一种从未加工过的复合材料时，如何知 道正确的加工方法呢？借鉴以前的经验，达不到预 期效果，你很可能对此毫无头绪。这是复合材料加 工的现实状况。在这一点上，美国的一家知名公司 可以算是复合材料加工专家。该公司很早就开始加 工采用复合材料的喷气发动机，有15年以上加工航 空复合材料的丰富经验。即便如此，每一种新的复 合材料零件对其加工车间仍然是一种新的挑战，必 须经过多轮试验才能达到效果。
一般来说，尖锐的刀具切削角是减少切削热的关键要素之 一。铣削和钻孔复合材料的刀具通常都采用大正前角，以最 大限度地减少发热量，实现快速、锋利、整洁的切削。这些 刀具也具有较大的后角，足以防止刀具切削刃在走刀时与工 件摩擦发热。
五、复合材料常用的机加工工艺
3、工件的夹持 虽然复合材料零部件需要进行的加工可能比较
简单，往往只需要钻削和修边，但用于支承这些 零部件的夹具本身可能具有相当高的设计要求。 事实上，加工复合材料零部件用的夹具可能需要 不菲的工程投资。为了实现洁净切削，保证工件 不磨损起毛、不分层剥离，就要求工件定位可靠、 夹持牢固，不会发生振动。复合材料加工(尤其是 薄壁件的加工)通常需要使用与工件外形精密贴合 的真空吸附夹具。选择机械夹紧装置的加工车间 则通常会使用减振垫。
五、复合材料常用的机加工工艺
2、刀具几何形状 至少在一个方面，复合材料的“粉碎”去除机理与金属材料 的“变形”去除机理有相似之处：正如在金属切削中一样， 切削能量也会转化为热量。 CFRP的散热特别困难，因为加工时不会产生能带走热量的切 屑，加之复合材料的导热性很差。由此造成的热量积聚使基 体材料面临融化或以其他方式受损的危险。冷却液可能也于 事无补，因为有些复合材料零件的加工不允许使用冷却液。 因此，只能通过合理选用刀具和走刀路径来抑制切削热。
陶瓷基复合材料的成型方法主要有固相烧结、化学 气相浸渗成型、化学气相沉积成型等
五、复合材料常用的机加工工艺
五、复合材料常用的机加工工艺
复合材料的应用如此之广，材料种类之多，其加 工性能各异。因此，对其部分产品或构件需要进行 切削加工，应认识和掌握复合材料切削加工的规律， 正确选择刀具材料和切削用量，才能保证加工质量 和较高的加工效率。一般情况下，树脂基的复合材 料较易切削，金属基的稍难，陶瓷基的更难；纤维 加强的复合材料较易切削，颗粒加强的很难切削。
树脂基复合材料的成型方法较多，有手糊成型、 喷射成型、纤维缠绕成型、模压成型、拉挤成型、 树脂传递模塑成Leabharlann Baidu、热压罐成型、隔膜成型、迁移 成型、反应注射成型、软膜膨胀成型、冲压成型等。
四、复合材料典型的成型加工
金属基复合材料成型方法分为固相成型法和液相 成型法。前者是在低于基体熔点温度下，通过施加 压力实现成型，包括扩散焊接、粉末冶金、热轧、 热拔、热等静压和爆炸焊接等。后者是将基体熔化 后，充填到增强体材料中，包括传统铸造、真空吸 铸、真空反压铸造、挤压铸造及喷铸等。
复合材料、难加工零件加工
复合材料、难加工零件加工
一、概述
复合材料，是由两种或两种以上不同性质的材料， 通过物理或化学的方法，在宏观（微观）上组成具 有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短， 产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成 材料而满足各种不同的要求。复合材料的基体材料 分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、 镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、 橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤 维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石 棉纤维、须晶、金属丝和硬质细粒等。
三、复合材料的应用 生物陶瓷人造关节
三、复合材料的应用
可调节的太阳镜 耐高温纤维制成的消防人员的服装
三、复合材料的应用
体育用品
三、复合材料的应用
四、复合材料典型的成型加工
四、复合材料典型的成型加工
复合材料成型工艺是复合材料工业的发展基础和 条件。随着复合材料应用领域的拓宽，复合材料工 业得到迅速发展，其老的成型工艺日臻完善，新的 成型方法不断涌现。复合材料的成型方法按基体材 料不同各异。
五、复合材料常用的机加工工艺
（二） 复合材料切削加工 在某种程度上，加工复合材料实际上是将加工流程前后颠 倒，因为加工时的注意力转移到了加工流程的不同部分。加 工金属材料航空零件可能需要大功率机床，但只需使用普通 刀具，且用简单的夹具就能确保加工的安全性。与此相反， 铣削和钻削复合材料通常是在功率小得多的轻型机床上进行， 但可能需要采用高端刀具，并要使用专门定制的夹具，以便 在整个加工过程中紧密支撑工件，防止其刚性薄壁产生振动 和破损。
三、复合材料的应用 硼纤维金属基复合材料制成的火箭履轴的管道输送部件
三、复合材料的应用 美国B-2隐形轰炸机表面为具有良好吸波性能的碳纤维复合材料
三、复合材料的应用 由光导纤维构成的光缆
三、复合材料的应用
先进橡胶轮胎
赛车上使用的特殊轮胎
三、复合材料的应用
人工合成的金刚石
三、复合材料的应用 人工肾脏
二、复合材料的分类和性能
二、复合材料的分类和性能
（一）性能
复合材料中以纤维增强材料应用最广、用量最大。 其特点是比重小、比强度和比模量大。 还具有优良的化学稳定性、减摩耐磨、自润滑、耐热、耐疲劳、耐蠕变、 消声、电绝缘等性能。 各向异性，因此可按制件不同部位的强度要求设计纤维的排列。 以碳纤维和碳化硅纤维增强的铝基复合材料，在500℃时仍能保持足够 的强度和模量。碳化硅纤维与钛复合，不但钛的耐热性提高，且耐磨损， 可用作发动机风扇叶片。碳化硅纤维与陶瓷复合，使用温度可达1500℃， 比超合金涡轮叶片的使用温度（1100℃）高得多。 非金属基复合材料由于密度小，用于汽车和飞机可减轻重量、提高速度、 节约能源。用碳纤维和玻璃纤维混合制成的复合材料片弹簧，其刚度和承 载能力与重量大5倍多的钢片弹簧相当