论文部分内容阅读
摘要：复合材料具备减轻飞机结构重量的优势，所以在飞机设计制造中，越来越多的使用复合材料。而复合材料中，碳纤维占的比重是最大的，碳纤维的结构成分较为复杂，因此，在加工方面存在一定的难度。在进行加工碳纤维时，极易引起材料的分层或者劈裂等情况影响使用而报废。因此，如何能够将碳纤维的使用率达到最高，减少碳纤维的损坏，是目前极具研究的一个话题。
关键词：碳纤维复合材料;设备选用;刀具选用;加工工艺
碳纤维，英文名字Carbon Fiber，简称CF。碳纤维主要是指有机纤维进过碳化或者经过石墨化处理之后，得到的微晶石墨材料，这种石墨材料中的碳纤维的含碳量在95%左右，石墨纤维的含碳量在99%左右。是一种分子结构处在石墨和金刚石之间的材料。由于碳纤维材料的特殊性，在加工的时候需要选取合适的方法以及正确的加工设备，这样可以有效的降低对碳纤维材料的伤害。
1碳纤维的加工难点
在进行加工碳纤维时，极易引起材料的分层或者劈裂等情况，加工难点主要原因如下：（1）材料硬度比较大，HRC值达到了53-65，它的硬度类似于高速钢，因此在进行加工的時候，很容易磨损钻头和铣刀。（2）材料的层间强度比较低，因此，在进行钻孔或者铣切的时候，很容易导致材料分层的情况。（3）材料是属于各向异性材料，应力比较集中，因此，在钻孔的时候容易产生劈裂的情况。（4）材料的热导率比较小，在钻孔的时候，线胀的系数和弹性恢复都比较大，因此，容易出现缩孔的现象。（5）材料在切割之后产生的粉尘，会对人体产生巨大的危害。
2碳纤维加工的机床及工装选用
在选用专用机床的时候，应该根据碳纤维复合材料的特点，选择密封性、除尘装置都较好的数控设备，并且设备的主轴转速不得低于6000/min，可采用风冷或者水冷的冷却装置。
为了保证碳纤维复合材料在加装夹工时不受损伤，应该根据零件的特点设置专门的装夹工具，减少压紧力，保护材料内部的架构，针对特殊局部还可以选择少量的辅助定位装置。工装夹具的设计应满足以下要求：（1）选择的夹具需要与数控设备相互配合。（2）选择的夹具主体定位精度需要比零件的精度高1-2级。（3）选择的夹具应该满足便利、简洁的标准以及安装需求。（4）选择的夹具需要都真空吸附的功能。
3加工刀具的选用
因为复合材料在加工的时候导热比较慢，并且加工的部位热量比较高，因此就会导致材料难成屑且易磨损刀具，因此，在复合材料加工的时候对于刀具以及加工工艺的选择就会高于普通的机械加工，对道具和加工工艺就会有更高的要求。在加工的时候，最大的难点就是材料容易分层、毛糙。并且数控加工是符合材料加工的最后一步工序，一旦出现以上情况就会导致前功尽弃。
3.1钻孔刀具的选择
金属零件的厚度都是比较均匀的，因此在加工的时候，受力均匀，不会产生分层或者起毛的情况。但是碳纤维零件是属于多层结构，不管是材料的厚度还是力学性能都有一定的差距，因此在钻孔的时候需要对刀具有一定的要求，根据刀具的结构来讲，一般情况下，钻头采用的是三尖两刃或两尖两刃形式，因为三尖的刀具较为锋利，能够将碳纤维层划断，然后配合两刃，修补孔壁，因此，这种刀具在加工材料的时候效果会比较好。
3.2铣削刀具的选择
碳纤维的边缘一般比较薄，因此，在切割零件边缘的时候一般使用的是合金滚花铣刀或鱼鳞铣刀，因为这两种铣刀整体材质比较硬，并且铣刀表层带有涂层，可以延长刀具的使用寿命。为了解决材料起毛和分层的问题，需要对边缘和开口进行切割，因此，使用的刀具的刀刃都是滚花结构的，因为滚花结构的铣刀有许多小切削刃，这样就可以限制刀片的运动和撕裂，较少起毛和分层的情况。鱼鳞铣刀的优势的锋利，可以快速的切除材料，通过减少碳丝拉出的情况减少分层起毛的情况。
4切削液
切削液在碳纤维零件加工时，是一个必备的物品，不管是在铣削时，还是在加工之后都可以使用去离子水进行冷却。
5车间环境
在碳纤维加工时，车间环境同样重要，必须满足以下要求：（1）为了保证数控机床的系统以及机械部件正常运行，最好选择可以调节温度和湿度的车间。（2）待加工的数控设备最好是放置在避免阳光的车间。（3）为避免碳纤维加工时产生的粉尘对周围的人员及设备造成影响，最好将碳纤维设备与其他设备分开。（4）在进行钳工工序时，最好有一个装置，专门收集粉尘。
6加工工艺流程
在进行碳纤维零件数控加工时，最好分别使用粗铣和精铣，例如：粗铣的刀具以及其他设备最好不在精铣的时候使用，具体的加工参数，可以通过实验，最后综合给出。并且再此期间，需要注意刀具的磨损，任何一个程序在加工的时候，工序时长都不能超过刀具的磨损时间。在工艺流程方面，碳纤维零件加工时需要注意以下要求：（1）工序不得返工，每个工艺路线按照集中原则设计。（2）根据原材料的结构特点进行设计以及加工。（3）根据零件的结构特点选取专门的夹具。（4）根据零件的结构特点选择合适的精铣和粗铣两种加工方法。（5）在加工之前检测、修复定位基准。（6）在进行零件加工时，粗铣的工艺参数取参考值的上限，相反，精铣的工艺参数取参考值的中、下限。（7）在进行加工时，采用工装基准定位找正，误差不能超过0.1/1000mm。（8）在对零件外形加工时，主要先进行下刀加工。（9）在对零件内形加工时，需要先钻再铣，并且在铣刀下刀时不可以切削。（10）在进行零件精铣的时候，必须使用新刀，磨损的刀具可以使用粗铣加工。
7结语
随着社会科技的进步，碳纤维加工的难度也会逐渐降低，选择合适的加工设备、刀具以及合理的加工工艺，将会对碳纤维材料的加工有很大的帮助意义，如何降低成本，增加工作效率也将是今后碳纤维加工研究的新方向。
参考文献：
[1]董强，文佳蓉.航空碳纤维复合材料的数控加工工艺研究[J].中国高新区，2019，000（003）：31.
[2]康永峰，陈树巍，袁士平，邵坤，& 安铮.（2013）.大型碳纤维复合材料壁板轮廓数控铣削工艺技术.航空制造技术，000（015），70-73.
[3]孙艳杰.（2012）.碳纤维复合材料窗口及孔自动加工技术研究.（Doctoral dissertation，大连交通大学）.
关键词：碳纤维复合材料;设备选用;刀具选用;加工工艺
碳纤维，英文名字Carbon Fiber，简称CF。碳纤维主要是指有机纤维进过碳化或者经过石墨化处理之后，得到的微晶石墨材料，这种石墨材料中的碳纤维的含碳量在95%左右，石墨纤维的含碳量在99%左右。是一种分子结构处在石墨和金刚石之间的材料。由于碳纤维材料的特殊性，在加工的时候需要选取合适的方法以及正确的加工设备，这样可以有效的降低对碳纤维材料的伤害。
1碳纤维的加工难点
在进行加工碳纤维时，极易引起材料的分层或者劈裂等情况，加工难点主要原因如下：（1）材料硬度比较大，HRC值达到了53-65，它的硬度类似于高速钢，因此在进行加工的時候，很容易磨损钻头和铣刀。（2）材料的层间强度比较低，因此，在进行钻孔或者铣切的时候，很容易导致材料分层的情况。（3）材料是属于各向异性材料，应力比较集中，因此，在钻孔的时候容易产生劈裂的情况。（4）材料的热导率比较小，在钻孔的时候，线胀的系数和弹性恢复都比较大，因此，容易出现缩孔的现象。（5）材料在切割之后产生的粉尘，会对人体产生巨大的危害。
2碳纤维加工的机床及工装选用
在选用专用机床的时候，应该根据碳纤维复合材料的特点，选择密封性、除尘装置都较好的数控设备，并且设备的主轴转速不得低于6000/min，可采用风冷或者水冷的冷却装置。
为了保证碳纤维复合材料在加装夹工时不受损伤，应该根据零件的特点设置专门的装夹工具，减少压紧力，保护材料内部的架构，针对特殊局部还可以选择少量的辅助定位装置。工装夹具的设计应满足以下要求：（1）选择的夹具需要与数控设备相互配合。（2）选择的夹具主体定位精度需要比零件的精度高1-2级。（3）选择的夹具应该满足便利、简洁的标准以及安装需求。（4）选择的夹具需要都真空吸附的功能。
3加工刀具的选用
因为复合材料在加工的时候导热比较慢，并且加工的部位热量比较高，因此就会导致材料难成屑且易磨损刀具，因此，在复合材料加工的时候对于刀具以及加工工艺的选择就会高于普通的机械加工，对道具和加工工艺就会有更高的要求。在加工的时候，最大的难点就是材料容易分层、毛糙。并且数控加工是符合材料加工的最后一步工序，一旦出现以上情况就会导致前功尽弃。
3.1钻孔刀具的选择
金属零件的厚度都是比较均匀的，因此在加工的时候，受力均匀，不会产生分层或者起毛的情况。但是碳纤维零件是属于多层结构，不管是材料的厚度还是力学性能都有一定的差距，因此在钻孔的时候需要对刀具有一定的要求，根据刀具的结构来讲，一般情况下，钻头采用的是三尖两刃或两尖两刃形式，因为三尖的刀具较为锋利，能够将碳纤维层划断，然后配合两刃，修补孔壁，因此，这种刀具在加工材料的时候效果会比较好。
3.2铣削刀具的选择
碳纤维的边缘一般比较薄，因此，在切割零件边缘的时候一般使用的是合金滚花铣刀或鱼鳞铣刀，因为这两种铣刀整体材质比较硬，并且铣刀表层带有涂层，可以延长刀具的使用寿命。为了解决材料起毛和分层的问题，需要对边缘和开口进行切割，因此，使用的刀具的刀刃都是滚花结构的，因为滚花结构的铣刀有许多小切削刃，这样就可以限制刀片的运动和撕裂，较少起毛和分层的情况。鱼鳞铣刀的优势的锋利，可以快速的切除材料，通过减少碳丝拉出的情况减少分层起毛的情况。
4切削液
切削液在碳纤维零件加工时，是一个必备的物品，不管是在铣削时，还是在加工之后都可以使用去离子水进行冷却。
5车间环境
在碳纤维加工时，车间环境同样重要，必须满足以下要求：（1）为了保证数控机床的系统以及机械部件正常运行，最好选择可以调节温度和湿度的车间。（2）待加工的数控设备最好是放置在避免阳光的车间。（3）为避免碳纤维加工时产生的粉尘对周围的人员及设备造成影响，最好将碳纤维设备与其他设备分开。（4）在进行钳工工序时，最好有一个装置，专门收集粉尘。
6加工工艺流程
在进行碳纤维零件数控加工时，最好分别使用粗铣和精铣，例如：粗铣的刀具以及其他设备最好不在精铣的时候使用，具体的加工参数，可以通过实验，最后综合给出。并且再此期间，需要注意刀具的磨损，任何一个程序在加工的时候，工序时长都不能超过刀具的磨损时间。在工艺流程方面，碳纤维零件加工时需要注意以下要求：（1）工序不得返工，每个工艺路线按照集中原则设计。（2）根据原材料的结构特点进行设计以及加工。（3）根据零件的结构特点选取专门的夹具。（4）根据零件的结构特点选择合适的精铣和粗铣两种加工方法。（5）在加工之前检测、修复定位基准。（6）在进行零件加工时，粗铣的工艺参数取参考值的上限，相反，精铣的工艺参数取参考值的中、下限。（7）在进行加工时，采用工装基准定位找正，误差不能超过0.1/1000mm。（8）在对零件外形加工时，主要先进行下刀加工。（9）在对零件内形加工时，需要先钻再铣，并且在铣刀下刀时不可以切削。（10）在进行零件精铣的时候，必须使用新刀，磨损的刀具可以使用粗铣加工。
7结语
随着社会科技的进步，碳纤维加工的难度也会逐渐降低，选择合适的加工设备、刀具以及合理的加工工艺，将会对碳纤维材料的加工有很大的帮助意义，如何降低成本，增加工作效率也将是今后碳纤维加工研究的新方向。
参考文献：
[1]董强，文佳蓉.航空碳纤维复合材料的数控加工工艺研究[J].中国高新区，2019，000（003）：31.
[2]康永峰，陈树巍，袁士平，邵坤，& 安铮.（2013）.大型碳纤维复合材料壁板轮廓数控铣削工艺技术.航空制造技术，000（015），70-73.
[3]孙艳杰.（2012）.碳纤维复合材料窗口及孔自动加工技术研究.（Doctoral dissertation，大连交通大学）.