摘要:由于碳纤维增强复合材料(CFRP)具有比强度高、比模量大等优异性能,在航空航天、国防行业具有广泛的应用前景。
关键词:碳纤维复合材料;特性;应用;切削加工刀具
碳纤维复合材料具有强度高、耐热性与耐腐蚀性好、出色的抗冲击特性及比重小等性能,已广泛应用于国防、航空航天、汽车等领域。但由于具有各向异性的特征及纤维束的脆性,容易在切削加工过程中产生毛刺、分层、断裂等缺陷,属于典型的难加工材料,这些加工缺陷也严重制约着加工质量和加工效率。针对这些切削加工存在的问题,本文论述了碳纤维复合材料的特性及其切削加工刀具。
一、碳纤维复合材料的性能
1、低密度高强度。CFRP密度不到钢的1/4,铝合金的1/2;比强度为钢的5倍以上,比模量则是其它结构材料的1.3～12.3倍。
2、较强的抗疲劳特点。在碳纤维复合材料中包含许多碳纤维与树脂基体界面,此类界面能在很大程度上防止裂纹的进一步扩大。若在交变荷载的环境下工作,将会提升碳纤维复合材料的使用寿命,并在很大程度上高于其他材料。
3、具备稳定的化学性能。碳纤维复合材料不仅耐高温,而且耐低温,有着较强的耐腐蚀性特点。在两千摄氏度以上的高温惰性环境中,强度不会受到影响,且是唯一一个不受影响的物质。在零下一百八十摄氏度的低温环境下,具备一定的柔韧性,且不会与腐蚀溶液发生化学反应。
4、良好的工艺性。CFRP是一种各向异性材料,其铺层取向能在很宽的范围进行调整,由于铺层的各向异性特征,通过选择合适的铺层方向和层数,能满足材料强度、刚度和各种使用要求。
二、碳纤维复合材料的应用
1、在轨道交通中的应用。轨道交通已成为人们日常出行的重要方式,为人们生活带来很多便利。通常,轨道车辆的运行寿命要保证在三十年以上,因此,对车体材质有着较高要求。比如,要具备较强的耐腐蚀能力与耐气候能力等。碳纤维复合材料是非金属惰性材料,自身有着较强的化学稳定性特点,在腐蚀环境中仍能正常运行。同时轨道车辆在运行过程中,能避免受到温度及气流的影响。此外,在轨道车辆的制作过程中,可使用碳纤维复合材料达到良好隔温降噪效果,从而延长轨道车辆的使用寿命。
2、在航空航天领域的应用。碳纤维复合材料的发展推动了航空、航天整体技术的发展。由于CFRP优良的综合性能,很早就被应用于人造卫星结构体、太阳能电池板和天线中。法国电信一号通信卫星的蒙皮由T300 CFRP制成,卫星上的展开式太阳能电池帆板也采用了CFRP。日本东丽公司近年来连续推出的B00和T1000等高强度碳纤维和M50J、M60J等高模量碳纤维,使CFRP在卫星上的应用从次承力结构件转入主承力结构件。人们甚至将碳纤维复合材料在航天结构上应用的规模视为衡量航天结构先进性的重要标志之一。
碳纤维复合材料还是生产武器装备的重要材料。在战斗机和直升机上,CFRP主要应用在机身、主翼、垂尾翼、平尾翼及蒙皮等部位,起到了明显的减重作用,提高了抗疲劳、耐腐蚀等性能。美国在歼击机和战斗机上先进复合材料的用量已达到25％以上,军用直升机用量达到50％以上。在民用飞机上大量应用CFRP能减轻质量、节省燃油、降低排放,从而增大航程。波音787中结构材料有近50％使用CFRP,包括主机翼和机身。
3、在风能发电叶片中的应用。风能是大自然的可再生资源,取之不尽,用之不竭。风力发电机叶片正朝着大型化方向发展,最长的风轮叶片已达到61.5m,一般叶片自重12～18t,这对材料的比强度、比刚度和耐疲劳性提出了更高的要求。大部分的GFRP叶片已无法满足叶片大型化、轻量化的要求,GFRP叶片在苛刻条件下的临界长度大约是60m。
而CFRP的比强度约为GFRP的2倍,比模量约为GFRP的3倍,故采用CFRP能增加叶片的临界长度,适应了叶片大型化的要求;此外,碳纤维的密度是玻璃纤维的0.7倍,适应了大型叶片轻量化的要求。使用CFRP叶片代替GFRP叶片,成本可降低14%;另外,由于碳纤维具有优异的导电性能,因而对CFRP叶片进行某些特殊的防护设计,可避免雷击对叶片造成的破坏,从而延长CFRP叶片的工作寿命。
4、在汽车外覆盖件中的应用。CFRP制造的外覆盖件具有轻质高强、抗冲击性强和外观设计独特等特点,因而已在高档汽车产品中获得了应用。
梅赛德斯-奔驰公司2012年推出了SLR超级跑车,全车车身外覆盖件几乎全部采用高强度的CFRP材料,其最高速率可达到300km/h,0～100 km/h的加速时间仅需3.8s。由于CFRP的密度只有钢材的1/4,而在碰撞中的抗冲击性能却是钢材的4倍,不仅降低了车身自重、减少了燃油消耗,而且符合低碳、环保的潮流,并且还能为乘员提供最大限度的安全保障。在SLR超级跑车的前端结构中嵌入CFRP纵梁作为车头碰撞缓冲部件,可确保乘员舱完好无损,符合了汽车驾驶安全的潮流。
三、碳纤维复合材料切削加工刀具
1、钻削CFRP的新型硬质合金钻头。针对碳纤维复合材料钻孔工艺的主要技术要求,是在保证被加工孔精度的前提下,尽可能防止出现分层或毛刺、撕裂现象,同时提高加工效率。
1)W型钻头。它采用“三尖两刃”的结构,相比普通麻花钻,缩短了横刃的长度,只留下较短的横刃(刃尖)在钻削过程中起定心作用。使用W型钻头钻削CFRP时,钻头刃尖先接触到复合材料,主要起定位作用,随即钻头外缘的W刃尖接触材料并开始切削,先将被加工孔圆周的纤维层剪切断,然后再由钻头的主切削刃继续剪切碳纤维层。在W型钻头出孔时,钻尖将已剪切完成的柱状纤维板完整推出,同时副切削刃对已形成的孔进行修正,进一步将少量毛刺切断,形成孔最终形态。
2)钻扩铰复合刀具。其采取的是多刀刃设计,切削刃由不同部分构成,能进一步实现碳纤维复合材料的钻、扩、铰一体化。在实际切削工作的开展中,复合刀具的刃尖会与复合材料先行接触,能起到一定的定心作用。然后利用底刃开始钻孔,在复合材料中形成定位锥孔。接着其他部分展开相应的铰削工作或切除工作等,钻孔质量与加工效率会在很大程度上得到提升。
2、铣削CFRP的新型硬质合金立铣刀。CFRP的铣削加工体现在将成形后复合材料板材周边的多余部分切削去除,以及将大块的CFRP板材切削加工成小块或将CFRP板材按设计要求铣削成形。
1)交错刃立铣刀。其切削刃分为上下两部分,采用近端部刃右旋、近柄部刃左旋的交错设计,下端右旋切削刃用于铣削工件下表面,工件下表面受到了向上的切削分力;而上端左旋切削刃用于铣削工件上表面,工件上表面受到了向下的切削分力,切削合力始终指向工件材料板厚的中心。铣削过程中,材料上、下表面的纤维层容易完全被切断,从而避免了工件上、下表面撕裂、毛刺、分层等加工缺陷的产生。交错刃立铣刀主要用于侧面铣削CFRP的半精和精加工,加工时应使左右螺旋切削刃的交汇处始终保持在复合材料板厚的中间位置。
2)菱齿形立铣刀。菱齿形立铣刀的不同切削刃均由两部分构成,即右旋、左旋切削刃,在不同的截面切削加工中,右旋、左旋切削刃都会参与到其中。在切削速度影响下,促使工件表面层纤维材料,会受到向上切削力与向下切削力的影响,使纤维材料容易被剪断。通过该种方式能在很大程度上,防止上、下表面出现毛刺、撕裂等情况,复合材料的加工质量将会在很大程度上得到提升。在利用菱齿形立铣刀对碳纤维复合材料进行切削过程中,会有许多切削刃数参与到其中,从而使单位切削力减小,这在很大程度上提升切加工质量与加工效率。
参考文献:
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[2]鄢国洪.碳纤维复合材料的特性及其切削加工刀具研究[J].制造技术与机床,2015(08)．