碳纤维复合材料的应用与机械加工.doc

碳纤维复合材料的应用与加工
1 应用领域
目前，碳纤维广泛用于民用，军用，工业，航天以及超级跑车领域。

图 碳纤维复合材料不同领域所占比例
国外将碳纤维复合材料应用在战机机身、主翼、垂尾翼、平尾翼及蒙皮等部位，起到了明显的减重作用，大大提高了抗疲劳、耐腐蚀等性能。
由于碳纤维增强复合材料不但是轻质高强的结构材料，还具有隐身的重要功能，能有效地吸收雷达波，美国已用来制造最新型的隐形轰炸机。美国的P-22 超音速飞机的主要结构就是采用了中等模量的碳纤维增强的特种工程塑料。幻影III战斗机的减速降落伞盖和弹射的弹射装置也由这种材料制成。碳纤维已成功地用于飞机的肋条、蒙皮及一些连接件、紧固件等雷达波的吸收件。战斧式巡航导弹壳体、B-2隐型轰炸机的机身基材，F117A隐型飞机的局部也都采用了碳纤维改性的高分子吸波材料。

图 美国B-2隐身轰炸机（机身基材）
图 幻影III战斗机 （减速降落伞盖和弹射装置）
图 美F117A隐身轰炸机（肋条及蒙皮等）
英国ICI公司用碳纤维复合材料生产战斗机上的阀门，使飞机阀门在很宽的温度范围内与燃料长期接触也能保持其性能和形状的稳定；其它国家的飞机F/A-18、 RAH-66、A330 / A340、B77、Y-22上面也都采用了这种材质来制造机翼、蒙皮、主承力结构、中央冀盒、地板、尾冀、设备箱体及结构件。
在民用领域，飞机25%重量的部件由复合材料制造，其中22%为碳纤维增强材料(CFRP)。这些部件包括：减速板、垂直和水平稳定器(用作油箱)、方向舵、升降舵、副翼、襟翼扰流板、起落架舱门、整流罩、垂尾翼盒、方向舵、升降舵、上层客舱地板梁、后密封隔框、后压力舱、后机身、水平尾翼和副翼均采用CFRP制造。
2 加工特点
碳纤维复合材料一般以叠合制成多层板使用，通常有两种复合形式，一种是碳纤维在基体中呈同向排列，即每层的纤维方向相同，通常称这种复合材料为单向纤维复合材料；一种是各层纤维方向呈不同角度，通常称为多向纤维复合材料。

图 碳纤维多向复合材料的一种铺层方式
碳纤维复合材料是一种难切削加工材料，它的脆性大、硬度高，加工时容易出现分层、撕裂、毛刺等问题。碳纤维复合材料是由质软而粘性大的基体和强度高、硬度大的纤维混合而成的二相或多相结构，其力学性能呈各向异性，机械加工条件比较恶劣，碳纤维复合材料切削加工的主要特点如下：
(1)材料产生分层破坏。分层是复合材料铺层之间脱胶而形成的一种破坏现象，当切削参数不合理时会使层间受力过大而导致分层，分层会严重降低材料的性能甚至使零件报废，即使是微小的分层也是非常严重的安全隐患。
(2)刀具磨损严重，耐用度低。切削区温度高且集中于刀具切削刃附近很窄区域内，纤维的回弹及粉术状的切屑又加重了擦伤刃口和后刀面，加之碳纤维的硬度非常高，故刀具磨损严重，后刀面产生沟状磨损，耐用度低。
(3)产生残余应力。表面的尺寸精度和表面粗糙度不易达到要求，容易产生残余应力。这主要是因为切削温度较高，增强纤维和基体树脂的热膨胀系数相差太大。由于复合材料呈现各向异性，层间强度低，切削时在切削力的作用下容易产生分层、撕裂等缺陷，钻孔时尤为严重，加工质量难以保证。据统计，飞机在最后组装时，钻孔不合格率要占全部复合材料构件报废率的60％以上。
(4)切削温度高。碳纤维复合材料切屑形成过程是一个基体破坏和纤维断裂相互交织的复杂过程，在此过程中，碳纤维作为切削硬质点连续磨耗刀具，因碳纤维断裂和基体剪切，以及切屑与前刀面、后刀面与已加工表面之间的摩擦而产生大量的切削热，加之碳纤维复合材料导热性差等原因，切削热主要传向刀具和工件，导致刀具的快速磨损。
3 主要加工方法
碳纤维复合材料构件在制作时一次成形一般只能做到比较规整的形状，并不能实现所有的设计特征，这就需要进行大量的二次机械加工来完成剩余的设计特征。对于碳纤维复合材料壳体其主要的二次机械加工包括孔加工、特殊形状切割加工、盲槽加工、表面打磨加工。
碳纤维复合材料的二次加工方法主要有传统的机械加工和特种加工两种，目前传统的机械加工方法仍是复合材料加工的主要手段，但在切削加工过程中遇到越来越多的问题，如刀具快速磨损、钻孔分层等。实践证明，由于碳纤维复合材料的性质与金属不同，因此在碳纤维复合材料的加工中不能简单地沿用金属材料的加工刀具和工艺，而在众多的研究中主要集中在碳纤维复合材料钻削制孔方向，这是碳纤维复合材料的关键加工工艺之一。
碳纤维复合材料钻孔加工特性主要表现在：（1）碳纤维复合材料层间强度低，在钻孔过程中，如果复合材料构件所受的钻削轴向力过大，导致层间应力过大，超过其基体树脂的强度就会引起分层等缺陷；（2）碳纤维复合材料属于各向异性材料，其纤维铺层方向对制孔有较大影响，特别是单向板制孔时，钻孔处的应力集中较大，极易引起劈裂等缺陷；（3）碳纤维复合材料硬度大，在钻孔时钻头磨损很快；（4）碳纤维复合材料导热性差，在钻孔过程中钻头与复合材料产生大量的摩擦热，而碳纤维复合材料热导率小，热量难以在加工中排除，使切削区温度迅速上升，进而导致钻头发生退火，加速钻头磨损；（5）碳纤维复合材料有缩孔现象，这是由于碳纤维复合材料的热导率小，而线胀系数和弹性恢复都较大的原因。
防止钻孔时出口端纤维分层的工艺措施：在结构开敞条件下，孔的出口面要用硬质高密度板支撑并垫实，这样能有效地防止孔出口分层和劈裂。在条件允许的情况下，制造碳纤维复合材料构件时可考虑在出口面加贴１～２层玻璃布，并与构件同时固化，待钻完孔后将玻璃布撕去，这样也可防止孔出口面分层。在碳纤维复合材料需要钻孔的出口面均匀地涂　上一层结构胶，待固化后钻孔，同样可防止孔出口面分层和劈裂。
碳纤维复合材料加工其他工艺：碳纤维复合材料采用金刚砂刀具切割加工工艺，切割效果好。切割工艺参数与碳纤维复合材料厚度有很大关系，进给量应与厚度成反比例。激光加工可用于复合材料的切割加工和孔加工，可以得到非常小的切缝宽度和接近平行的切缝侧面，其加工效率高，但热损伤很大。超声波振动切削能够改善碳纤维复合材料的切削状况，刀超声波振动切削材料时，采用小的切削参数能有效地降低主切削力。由于具有小的切削力，所以超声波振动切削可用于碳纤维复合材料薄壁件的加工。目前碳纤维复合材料磨削加工的研究比较少，且主要集中在对不同砂轮磨削性能的比较方面，需要促进磨削加工在碳纤维复合材料中的应用。
4 加工设备及刀具
北京林业大学的张厚江等人通过试验研究发现保证获得钻削碳纤维复合材料高质量孔的关键因素有两个：一个是保持钻头切削刃的良好锋利性，另一个是在保证切削刃锋利的基础上采用高的钻削速度。高速钻削试验及分层检测试验表明，厚膜金刚石钻头钻削的孔质量非常好，它在碳纤维复合材料钻削加工中具有巨大的应用潜力。
大连理工大学的鲍永杰等人提出了“以磨代钻”加工工艺，研制了电镀金刚石钻磨刀具，通过与硬质合金钻头钻孔对比试验，得出结论：电镀会刚石钻磨刀具更适合碳纤维复合材料的钻孔加工；电镀金刚石钻磨刀具寿命远高于硬质合金钻头，采用电镀金刚石钻磨刀具能够提高加工效率，降低加工成本。电镀金刚石复合钻头是一种新型孔加工刀具，与其它类型的金刚石刀具相比，其制造工艺简单，刀具成本低；由于具有刀尖锋利、多刃切削等优点，该钻头在高速、低进给条件下钻削CFRP板材时，基本无分层、劈裂现象，可明显提高生产率。可有效解决普通麻花钻加工CFRP时出现的分层和劈裂问题，并可使钻头寿命显著提高。
GMl000回转类碳纤维复合材料构件高速数控钻磨机床。大连理工人学现代制造技术研究所研制了GMl000回转类碳纤维复合材料构件高速数控钻磨机眯，如图所示即为机床的运动结构图。它的基本构成主要包括：底座、回转工作台、直柱、滑枕阴大部件。底庠和立桂作为整个设备基础部分，z向滑台通过直线导轨与始杠的配合来完成z轴上的移动与精确定位。同样滑枕也通过直线导轨与丝杠的配合束完成Y轴向的移动与精确定位。回转工作台放置在底座上，通过自身的传动结构在伺服电机的带动下来完成C轴的旋转定位。Ⅰ、Ⅱ两个工位分别为其左上和右下两个极限位置，其中Ⅰ工位中的回转摆头处于垂直状态．可以实现工件端面加工，Ⅱ工位中的回转摆头处于水平状态，可以实现工件侧面的加工。
该机床在采用西门予802D数控系统基础上实现了诸多功能：进给轴监控功能、速度闭环控制、手动操作、程序运行功能、补偿功能、辅助控制功能、人机通信功能。

图 GM1000机床运动结构图

图 机床实物图

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