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复合材料的切削加工技术

复合材料在航空、航天等工业中得到越来越多的应用。复合材料的种类很多,基体材料分金属和非金属两大类,增强材料分纤维和颗粒两大类。对复合材料进行切削加工的难度较大,一般需采用超硬刀具。

  复合材料的种类和性能

  复合材料是由两种或两种以上的机械、物理和化学性质完全不同的物质,经人工合成制造出多相组成的固体材料,从而获得单一组成材料所不能具备的性能和功能。
  现代工程结构所用的复合材料,按基体材料的类型可分为树脂基、金属基和陶瓷基这三大类;按增强相的形态可分为长纤维、短纤维、晶须、层叠和颗粒增强的复合材料等。
  在航空、航天、汽车、石油化工等工业中,纤维增强复合材料用得较多,主要类型有:
  (1)玻璃纤维增强复合材料(Glass Fiber Reinforced Plastic,GFRP),主要由SiO2玻璃熔体制成,某些性能接近于钢,可代替钢使用,故又称“玻璃钢”。现已成为一种常用的工程结构材料。基体多为酚醛树脂或环氧树脂。
  (2)碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastic,CFRP),其性能优于玻璃钢,现已得到广泛应用。所用基体与“玻璃钢”相同。
  (3)硼纤维增强复合材料(Boron Fiber Reinforced Plastic,BFRP),应用起步稍晚,性能与CFRP接近。基体为树脂。
  (4)芳纶纤维增强复合材料(Kevlar Fiber Reinforced Plastic,KFRP),其增强纤维为芳香族聚酰胺纤维,又称“芳纶纤维”。它的基体也是树脂,性能亦佳。
    上述纤维增强的树脂基复合材料(FRP),多用于航空和其他方面的结构件,可代替铝合金和钛合金,甚至部分钢材,因为它们的机械性能好,且能减轻构件的重量。
  此外,还有颗粒增强的铝基复合材料,如SiCp/Al的耐磨性强,可用于耐磨件,对其加工很困难。

  复合材料的应用

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、减振能力和抗疲劳性能特佳,故首先在飞机结构上得到广泛应用。可使飞机重量减轻,加速快,转弯变向灵活,飞行高度高,航程加长,节省燃料。后来,在汽车、船舶、纺织机械、化工设备、建筑和体育器材上也得到了广泛应用。
  近年来,在民用飞机B757、B767、B777、A300、A340上,复合材料用量已占飞机全部用料的11%~20%。商用飞机B787上大量使用CFRP,已占飞机体积的11%,占结构件重量的50%。B787每年所用的燃料费,比B767减少500万美元。A380上的机身、机翼板,用大量的复合材料制造。武装直升飞机AH-60、NH-90、V-22、RAH-66上,从整流罩、地板、壁板等次承力结构到旋翼框架等主承力结构上都使用复合材料,且高达飞机重量的50%[3-4]。
  例如一架哥伦比亚号航天飞机,飞机大部分均用复合材料制造。如,货舱门用CFRP制造,体积很大,长为18.2m,宽为4.6m;气瓶用KFRP制造;防热瓦用CMC制造;框架用C/A1制造;发动机架用B/Ti制造;发动机喷管用C/C制造。树脂、金属和陶瓷这3种基体的复合材料都使用上了[4]。 

纤维加强复合材料的切削加工

复合材料的应用如此之广,对其部分产品或构件需要进行切削加工。因此,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。笔者针对有代表性的纤维增强和颗粒增强的复合材料,用不同的刀具进行了切削试验,得到了一些切削数据,为复合材料的切削加工提供了实践基础。

1 低速切削GFRP材料
  试验选用一种酚醛树脂基玻璃纤维加强的复合材料GFRP,用硬质合金K10刀具及两种超硬刀具(人造金刚石PCD和立方氮化硼PCBN)进行车削。
  •切削用量为:
  切削深度ap=0.3mm,进给量f=0.1mm/r,切削速度υ=80m/min。
  •刀具几何参数为:
  K10刀具:γ0=0°,α0=8°,Kr=45°,λs=-4°,rε=1mm。
  PCD,PCBN刀具:γ0=0°,
  α0=8°,γ01=-15°,bγ=0.2mm,
  Kr=45°,λs=0°,rε=0.5mm,干切。
  由图1可知,对GFRP加工有一定难度。用硬质合金K10刀具进行车削时,切削时间达30min时,刀具后刀面磨损量约为0.2mm。PCBN刀具切削50min时,磨损量约为0.16mm。PCD刀具耐用度最长,切削60min以上时,磨损量才达0.05mm。因此加工GFRP时,用PCD刀具最好。
  笔者还用CVD涂层金钢石刀具和C3N4涂层超硬刀具,对GFRP进行过切削试验,效果接近PCD刀具。
  加工树脂基的纤维加强复合材料,还有一些共同特点为:
  (1)由于复合材料的导热系数低(仅及中碳钢的1/5~1/10),故切削温度高,基体容易软化或烧焦;
  (2)切削力比加工钢材时小,但切深抗力Fp和进给抗力Ff常大于主切削力Fc;
  (3)纤维排列方向对切削力和加工表面粗糙度有较大影响,一般对纤维顺切时,切削力大,但表面粗糙度小;
  (4)因纤维的硬度较高,故对刀具切削刃具有擦伤作用,且在后刀面能形成沟槽磨损。
  (5)因金刚石刀具的硬度很高,且切削刃能够磨得很锋利,有利于割断纤维,故切削效果最好。

   

  近年来,复合材料迅速发展,广泛应用于航空、航天及其他工业。纤维增强复合材料用得最多,颗粒增强的次之。经笔者试验证实,纤维增强树脂基复合材料的切削加工有一定难度,但难度尚不太大;硬颗粒增强金属基复合材料的切削加工难度很大。在刀具材料的选择上,最好用PCD金刚石,其次为PCBN。

 


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