航空碳纤维复合材料的切削探究

宋兴龙

[摘 要]碳纤维复合材料具有优越的材料特性，被广泛的应用到了航空领域。但因为其材料成分和结构特殊、复杂，也是机械加工的难点。其加工过程中易出现毛刺、拉丝、崩块等缺陷等等而导致碳纤维复合材料基体表面产生碳化现象，影响表面质量。因此，对高碳纤维复合材料的切削问题进行探讨对于其切削工艺的提高具有重要的意义和价值。

[关键词]航空；碳纤维复合材料；切削成型方法；刀具选用

中图分类号：V257 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）27-0130-01

作为先进复合材料的典型代表， 碳纤维复合材料具有较高的比刚度和比强度等优异特性，是一种结构、功能一体化复合材料，在玩过的航天制造业以及国防装备但中具有无法取代的作用，同时在低碳绿色生活和节能减排的发展以及多样化能源利用率提高等方面都具有积极的促进作用。但是，因为与金属材料相比，碳纤维复合材料的组织结构特点具有较大的差异，因此在结构上呈现出层状形态，同时在各向性能上具有较大的差别，纤维轴方向上的强度很高，因此在对其进行切削加工的过程中，很容易出现刀具磨损快、刀具耐用度低，出现撕裂和分层等缺陷。就当前来看，我国的航空碳纤维复合材料切削加工方面的研究依然处在起步时期，相关的研究也仅仅限于切削机理、刀具磨损机理等基础研究方面，很多时候关于碳纤维复合材料制件切削加工的切削参数以及工艺设计的选择主要结合个人的经验，缺少工艺优化，因此使得碳纤维复合材料制件的切削加工质量、加工效率和加工成本收到了直接的影响。所以，对航空碳纤维符合材料的切削工艺进行研究和探讨具有重要的价值和意义。

一、航空碳纤维复合材料切削加工的成型方法

切削加工实质是利用刀具或磨具去除工件上多余的材料层得到相应的尺寸、几何形状和表面质量的一种加工手段。因此，在探索碳纤维复合材料切削加工中，应该深入了解加工成型的方法和特征。

（一）进行铺层设计

铺层设计包括铺层角度、铺层顺序、铺层的层数的设计，它不仅是碳纤维复合材料成型的关键，而且直接决定材料性能和强度的主要工序。在材料的结构设计中应首先满足支撑杆轴向膨胀系数和强度的要求，再结合根据材料的实用性和加工方法选取轴向与沿管周铺设两种形式。因为复合材料的各向异性非常的分突出，同时碳纤维轴向上集中了材料的物理性和力学性，所以在不同的铺层比例设计上会得到不同的膨胀系数。最后，结合复合材料铺层工艺性和强度要求，对铺层的顺序进行确定。

（二）对表面质量进行分析

应用袋压工艺成型的管件经常会出现皱折、富胶和条纹的现象。因此给复合材料铺层时一定要对预浸料叠层块施加足够的力，以确保防止出现复合材料松散以及结构尺寸加厚的问题。在工序中要注意在成型时期对各层复合材料進行加压，确保树脂的排出。碳纤维复合材料的质量问题都出现在加压的工序中，因此我们在操作的过程中一定要注意在复合材料叠层块压紧的过程中壁厚会减小，其周长也会相应的减小，因此，在铺层工艺时一定要最大限度的压实复合材料层，避免出现外观质量问题。

（三）热缩工艺

在高温固化的状态下，热缩材料可以很好的将热压力进行传递，并能够使皱折对复合辅助材料的影响消除。同时，热缩工艺需要一定的温度环境，以确保收缩和压实的质量。热缩工艺中最重要的质量参数是加热时间和对温度的控制，在确定热缩工艺时以热缩材料的收缩性能为根据，并充分考虑模具的热容滞后因素，对具体的复合材料制件灵活运用。

（四）预胶工艺

预吸胶工艺就是将预压实工艺与热缩工艺相互配合使用，我们在进行固化前都在适当的温度压力下对复合材料的叠层进行吸取树脂的工序，这样做的主要目的是对复合材料中的树脂含量进行控制。在整个工艺的制定过程中要保证工艺的合理性，在完成吸胶工序的同时，还要达到压实的目的，同时更要减少对复合料凝胶性的影响。

二、碳纤维复合材料刀具切削部分组成及刀具材料的选用

刀具切削部分的组成有刀刃和刀面。在切削过程中，刀刃起着主要的切削作用，而刀面是其主要构造之一。刀具材料是指在切削加工中起切削作用部分的材料，其材料的不同，切削性能也不一，直接影响着刀具的使用寿命和加工表面质量等。因此，切削碳纤维复合材料中，掌握刀具切削部分的组成，分析刀具材料性能对切削质量的影响，对提高加工效率和加工质量有着积极的意义。

（一）刀具切削部分的组成

切削刀具的种类繁多，形状复杂，但却有共同的特征。车刀是最简单的刀具，其他刀具则可认为是车刀的演变和组合。因此以普通外圆车刀为代表来确定切削部分的基本定义，也必然适合用于其他刀具。车刀由刀杆和刀头两部分组成，其切削部分组成要素的名称和定义如下：

前刀面A：一切削沿其流出的刀面；

主后刀面An一与工件加工表面相对的刀面；

副后刀面A”n一与工件已加工表面相对的刀面；

主刀刃一前刀面与主后刀面的交线，它负担主要切削工作；

副刀刃一前刀面与副后刀面的交线，它配合主刀刃最终形成已加工表面；

刀尖（过渡刃）一主刀刃与副刀刃的交点。为了加强刀尖的强度，一般将刀尖做成圆弧。

（二）刀具材料

通常刀具起切削作用的部分为刀具材料。它的性能是影响加工表面质量、切削效果、刀具寿命和加工成本的重要因素。目前，在机械制造加工中常用的刀具材料有高速钢、硬质合金刀和涂层刀具。

结语

碳纤维复合材料属难加工材料，其加工过程中易产生分层、撕裂、毛刺、拉丝、崩块等缺陷，尺寸控制比较困难，加工时刀具温度很高，极易产生发热堵塞，从而导致碳纤维复合材料基体表面产生碳化现象，影响表面质量。因此，选择合适的切削刀具以及刀具的材料，对提高碳纤维复合材料加工用刀具耐用度和切削加工质量具有重要的意义。

参考文献

[1] 徐倩.航空碳纤维复合材料切削研究[D].北方工业大学，2010.

[2] 叶衔真.碳纤维复合材料制件切削工艺优化[D].集美大学，2014.endprint