复合材料加工技术研究

复合材料加工技术研究
1 复合材料简介
1.1 复合材料基本组成
复合材料是由两种或两种以上不同化学性能或不同组织结构的材料,通过不同的工艺方法组成的多相材料,主要包括两相:基体相和增强相。

2 复合材料在我院的应用情况
2.1 我院典型零件结构特点
我院复合材料零件大多由柱、锥、曲面等构成的回转体,结构较为复杂;有单层乱纤维复合材料件,多层乱纤维复合材料组合件,还有多层乱纤维复合材料与金属材料组合件;成型工艺以普通压制法为主。

由于受零件结构、材料成型特性限制,纤维增强相复合材料均匀性较差,在压制中因应力分布不均容易产生收缩变形,影响零件几何精度(尺寸、表面轮廓度等)。

因此,零件主要工作表面精度一般由机械加工保证。

2.2 典型零件加工情况
考虑到这类非金属材料脆性大、均匀性差、纤维密集处难切断等
特点,刀具应满足耐冲击、耐磨损、锋利等基本要求,选用了焊接式硬质合金YW1刀具加工。

加工方法方面,采取了小进给量(小切削深度)、连续轮廓切削法加工。

加工中出现的主要问题:(1)表面缺损、崩边缺陷;(2)刀具磨损严重,生产效率低。

典型故障样件如图1。

3 复合材料加工难点分析
3.1 材料切削性能差
碳纤维/酚醛、高硅氧/酚醛乱纤维复合材料,基体相都是热固性酚醛树脂,脆性大,损伤容限低,固化时有小分子挥发物生成;与纤维复合强度较高,均匀性较差。

酚醛树脂密集处脆性大,切削容易崩裂,若有含小分子的区域,分子间结合力较小,更是如此;纤维密集处不易切断,若刀具不锋利而切削进给量过大的情况下,可能导致纤维被成片的扯离而产生缺陷。

两种材料相比,碳纤维/酚醛强度较高,切削性能更差,切削中更容易出现表面“起毛”和“扯离”现象。

另外,这类材料切削中,刀具容易磨损变钝,甚至刀尖破损,不仅影响表面质量、尺寸精度,而且严重影响加工效率。

总之,碳纤维/酚醛、高硅氧/酚醛乱纤维复合材料因其自身组成与
复合特点,决定了切削性能较差。

3.2 零件结构工艺性差
如前所述,零件大多由柱、锥、曲面等构成的回转体,主要工作表面有阶梯柱面、单个圆孔或锥孔、两锥孔等形成的尖边结构,对乱纤维复合材料加工非常不利,切削中很容易出现翻边、崩边现象。

4 解决复合材料加工问题的途径
4.1 影响加工质量的主要因素
4.1.1 毛坯组织均匀性
从典型故障样件(图1)可以看出,发生在台阶边缘处崩碎缺陷最严重,该部位材料组织不均匀致密现象明显。

由于模压后边角部分含胶量大,组织不均匀,容易产生疏松,使该处脆性增大、强度降低,加工中容易掉渣或蹦边。

4.1.2 刀具
碳/酚醛、高硅氧/酚醛是纤维增强相复合材料,属强度较高的脆性难加工材料。

如刀具不锋利,纤维很难切断,而是分离酚醛树脂、扯离纤维,表面出现“起毛”、崩裂现象。

4.1.3 加工方法
加工方法不当,也会引起表面缺陷,尤其边缘崩裂缺陷。

4.2 解决复合材料加工问题的措施
4.2.1 改进毛坯结构和模压成型工艺
结构改进主要是减少直角边,台阶光滑连接,避免尖角结构,改善其流动性。

复合材料的组织均匀性是影响其切削性能的主要因素之一。

模压中预浸料预烘环节的均匀性,对复合材料均匀性有显著影响。

4.2.2 选择合适的刀具与切削参数
由碳纤维/酚醛、高硅氧/酚醛乱纤维复合材料的特性,切削刀具应满足硬度高、锋利、耐冲击与耐磨性良好等基本要求。

我们知道,硬质合金(YW1)通用性较好,能承受一定的冲击负荷;人造金刚石是一种超硬材料,硬度高,耐磨性很好;立方氮化硼也是一种超硬材料。

为此,选择这三种材质刀具进行切削对比试验。

试验情况见表1。

试验结论:复合材料碳/酚醛、高硅氧/酚醛选择金刚石刀具,采用低速、小进给切削参数。

4.2.3 优化加工方法
探索加工方法是解决复合材料加工难题的重要方面,经过材料特性分析和反复试验,总结出以下解决措施。

(1)合理编排切削路径。

纤维相复合材料加工中,若切削分力使零件切削部位受拉应力,容易产生“翻边”、“扯离”、“崩边”等问题。

因此,切削路径应按“入体”的方向切削。

(2)设置工艺槽,防止零件崩边。

乱纤维复合材料因钻头锋利程度有限,不宜用常规的钻孔方法加工通孔。

采取增加工艺槽的办法,即车锥孔前先加工工艺槽,待锥孔加工完毕,掉头车掉隔膜,能有效防止孔口崩边。

(3)采用粗、精加工。

乱纤维复合材料模压件不宜采用大切深加工。

为了防止出现上述问题,提高刀具耐用度,同时尽可能提高加工效率,采取分粗、精加工的办法加工。

即用粗加工刀具、精加工刀具分别进行。

粗加工为提高加工效率采用适当选大些切深加工,切削深度一般取0.7mm～1mm,精加工余量(单边)一般留0.25mm;精加工为提高加工质量,同时提高刀具耐用度(刃口锋利的持久性),采用小切深加工,一般
用0.1mm～0.25mm。

5 结语
通过对复合材料高硅氧/酚醛类零件加工技术研究,对复合材料加工特性有了一定的认识。

通过改进模压毛坯结构和模压工艺,探索加工方法、加工刀具等工作,解决了复合材料高硅氧/酚醛类零件加工技术难题。

参考文献
[1] 王先逵.精密加工技术实用手册[M].北京:机械工业出版社,2001.
[2] 黄锐.塑料工程手册[M].北京:机械工业出版社,1998.。