复合材料高硅氧/酚醛、碳纤维/酚醛类零件价值高, 材料加工性能差, 不仅加工效率不高, 而且切削中表面与棱边崩裂缺损 (块状崩脱) 严重。本文通过对复合材料典型零件的加工技术研究, 探索复合材料高硅氧/酚醛、碳纤维/酚醛类零件的加工方法。
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。
摘要：本文以单、多层复合材料碳纤维/酚醛、高硅氧/酚醛典型零件为研究对象, 分析复合材料加工特性, 通过从加工方法、切削刀具、切削参数等方面解决复合材料加工问题。
关键词：复合材料,基体相,增强相,碳纤维/酚醛,高硅氧/酚醛
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.