碳纤维复合材料切削工艺研究

碳纤维复合材料切削工艺研究

施伟

贵州航天天马机电科技有限公司  贵州省遵义市   563000

摘要：轻质高强、易于整体近净成形制造的碳纤维增强树脂基复合材料在航空航天、船舶、能源等领域先进装备的制造中优势显著，广泛用于制造各类构件。碳纤维复材构件的加工是其连接装配最终制造装备的重要环节之一。然而此类材料具有多相态、层叠、各向异性等特征，加工易产生分层等损伤，严重影响其服役性能和生产效率。基于此，本文主要就碳纤维复合材料切削工艺进行了分析，以供参考。

关键词：碳纤维复合材料；切削；工艺

引言

碳纤维增强树脂基复合材料不仅具有高比强度、高比模量等优异机械物理性能，还具有可进行材料结构功能一体化设计与整体近净成形制造等突出优点，在航空航天、船舶、能源等领域先进装备的制造中优势显著。近年来，碳纤维复材实现了从非承力构件到主承力构件、小型构件到大型构件、简单构件到复杂构件的应用场景升级，已成为先进装备减重增效的优选材料，其用量更是衡量装备先进性的重要标志之一。碳纤维复材的大量应用离不开其制造技术的发展，碳纤维复材构件的制造一般需要经过赋形、成型、加工、装配等过程。因此，加强碳纤维复合材料切削工艺的研究具有重要的现实意义。

1碳纤维复材基础切削理论研究

切削加工过程的实质是被加工材料受到刀具的作用产生变形直至破坏的过程。此过程中，被切削材料在刀具作用下，哪个部位、在何时、发生什么形式的变形，最终如何发生破坏，形成何种形式的切屑和加工表面，统称为材料的切削机理。只有充分阐明材料的切削机理，才能开发合适的加工刀具和工艺技术，并对切削加工过程进行有效控制，进而保证加工质量，降低生产成本，提高生产效率。碳纤维复材在细观尺度上呈纤维、树脂及界面的多相混合态，在宏观尺度上具有层叠和各向异性特征，这使得碳纤维复材的切削过程包括：在细观尺度上，对纤维、树脂及界面的切削；在宏观尺度上，复材整体切削成屑，且呈不同角度切削复材的去除过程也不同。碳纤维复材的细观切削理论发展到目前，在以弹性地基梁理论为基础的前提下，发展出虑及树脂对纤维的多向约束以及树脂温变特性对约束影响的单纤维切削模型，能够更准确描述实际复材的切削受力状态，并针对纤维变形、树脂开裂、纤维断裂发展了多种计算方法，以期更准确计算切削力、揭示碳纤维复材去除机理及损伤形成机制并指导实际钻、铣削加工。

2碳纤维复合材料切削工艺

2.1切削工艺参数优选

切削工艺参数是决定加工过程的另一关键因素，研究切削工艺参数对切削加工损伤的影响规律、优选工艺参数是提高碳纤维复材切削加工质量和效率的重要方法。在钻削碳纤维复材方面，进给速度对钻削轴向力的影响与钻削金属相似，降低进给速度可以大幅降低轴向力，进而可以大幅降低损伤，而适当提高转速也能够一定程度降低损伤，但相比于转速，进给速度对损伤的影响更为显著。然而碳纤维复材热导率低、热量易累积，若采用过低的进给速度会导致碳纤维复材切削区产热增多，切削区温度升高，加剧钻削损伤，同时还会使刀刃和碳纤维复材之间的作用增多，加剧刀具磨损，显著降低刀具寿命。

在铣削碳纤维复材方面，一般来说，采用较高的转速，较低的进给速度都有利于提高表面质量。与钻削的切削方式不同，侧铣时径向切深是另一个典型参数，提高切深会增大材料去除率，进而导致切削区温度以及切削力的提升，加工表面的粗糙度随之增大，损伤程度也可能加重。此外，铣削碳纤维复材时切削刃与表层材料形成的纤维切削角在固定角度范围内变化。随着碳纤维复材构件应用场景正逐渐增多，工艺参数优选需要更多考虑构件特征带来的影响，纤维角度也会导致材料发生不同程度的加工颤振，材料的颤振特性也随着去除过程动态变化。

2.2特殊轨迹加工工艺

可以通过合理控制切削刃与工件材料之间作用的特殊轨迹，提高碳纤维复材的加工质量。螺旋铣孔是特殊轨迹加工的典型代表，其使用专用立铣刀，通过刀具自身高速旋转的同时沿着螺旋轨迹进给，在材料上铣削出一个直径大于刀具自身的圆孔。螺旋铣削加工工艺具有降低轴向力，改善排屑、散热条件等优点，与传统钻削制孔相比，径向螺旋铣削制孔能够有效降低轴向力，减小出口损伤。除螺旋铣削外，基于增强纤维层支撑作用以减少分层的思想，双向钻孔的碳纤维复材钻孔工艺得到了应用，首先钻削一定深度但不钻透材料，然后进行从另一侧反向钻孔至形成通孔，进而抑制出口分层损伤。通过优选转速和进给速度组合，使主切削力尽量平行于侧边方向，实现了表层损伤的有效抑制。

特殊轨迹加工工艺通过改变刀具对碳纤维复材切削加工损伤易发的上下表层的切削力的主要作用方向，能够使用普通刀具即可达到较高的加工质量，在工业应用中具有一定的潜质，然而部分方法加工工艺流程较为复杂、耗时长，一般需依靠专用设备或专属程序，加工表面应力状态也会发生较大变化，导致部分技术应用仍较为受限。

2.3冷却加工工艺

切削碳纤维复材产生的温升相比于切削金属低很多，但复材中的树脂对温度敏感，玻璃转化温度低，这导致切削碳纤维复材产生的温升仍会对其加工质量产生较为显著的影响，还可能加剧刀具磨损。通过冷却工艺降低被切削材料及刀具的温度，改善刀具对材料的切削作用效果，也是提高碳纤维复材加工质量的有效方式。碳纤维复材构件的加工大量在装配工位，受限于环境等因素，复材切削加工主要采用干式或近干式冷却工艺，主要包括微量油雾润滑冷却和低温气体冷却。

在低温气体冷却方面，主要采用液氮、液态二氧化碳等超低温冷却介质或压缩空气、借助涡流管产生的低温空气等喷射到切削区，在无污染的环境中实现切削区冷却。压缩空气或低温空气冷却具有较为便捷的优势，易于与加工系统集成。冷却有助于提高表面质量，然而各冷却方式对于钻削出口表层的加工质量影响不一致，如喷射式液氮冷却，特别是内喷式冷却，虽然降温效果更好，但会导致出口损伤加剧，其原因可能是冷却温度不合适，导致材料去除机理发生变化而加剧损伤，或喷射冷却产生额外的轴向力加剧了损伤。

采用超低温介质冷却能够快速、大幅降低切削区温度，甚至使切削区温度降至室温、或零下，这会导致碳纤维复材的性能从高温软化的极端转向低温脆硬的另一个极端，甚至影响加工质量，通过调节液氮喷射距离实现对切削区温度的控制，通过对温度影响的综合评定，当切削区域温度在−10～25℃之间时，切削力、粗糙度数值适中，切削边缘整齐，损伤小，较适合切削碳纤维复材多向层合板，但确定合适的切削温度仍需综合考虑铺层顺序、树脂特性、切削用量等参数。

结束语

在当前追求高性能、轻量化的工程应用中，碳纤维复合材料的广泛使用使其切削工艺的研究成为一个备受关注的热点。通过深入了解和解决碳纤维复合材料切削过程中的问题，将有助于推动相关领域的技术进步，促进碳纤维复合材料的更广泛应用。通过不断提升碳纤维复合材料切削工艺的精度和效率，将为相关产业的发展注入新的动力。

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