超高压水切割技术在碳纤维及凯芙拉纤维复合材料加工中的应用

任卫安，种日良，马 军

（航空工业洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

先进复合材料以其优异的物理、化学、力学等功能多样性及结构整体化、可设计性等优势被广泛应用到了航空航天领域，如航空发动机、无人机、导弹结构、运载火箭结构、卫星和宇航器结构[1]。但由于复合材料硬度高、层间剪切强度低和热导性差等特点，导致其机械加工性能极差，传统的加工方式易产生分层、撕裂、毛刺、崩块、表面碳化等缺陷 ,严重影响产品质量[2,3]。虽然近年来研究人员对加工切削机理有了更深的认知，也进行加工工艺的改进[4-10]，在复合材料加工质量方面有了一定提高，但是复杂的设备、高昂的刀具也大大提升了制造成本，而且对于凯芙拉纤维复合材料依然没有找到很好的加工解决方案。超高压水切割技术近年在国内外得以快速发展，并成为一种成熟的加工工艺[11]。水切割技术属于冷态加工，不改变加工材料组织、材料的力学、物理和化学性能，可避免加工热变形，对材料不会造成应力破坏，零件加工表面质量好，加工效率高，非常适应以碳纤维为主的复合材料板材加工[12-14]。另外，水切割刀头能够集成在五轴联动主轴上进行三维立体加工[15,16]。在国外，该技术被广泛应用于F117、B-2、V22等军机，波音777、787，空客A320、A350XWB等民机复合材料机身、机翼、尾翼、方向舵、安定面等壁板加工中。目前国内应用较少，本文通过在碳纤维和凯芙拉纤维复合材料上应用超高压水切割技术，得到的试样质量满足要求，且优于常规加工技术。

1 加工设备结构

加工设备是美国福禄公司五轴水切割，型号为马赫4。图1a为设备整体结构，图1b是设备增压泵，图1c是水切割切割头，图1d是砂箱。设备运行方式：龙门控制设备的X、Y、Z运动，切割头控制转角及摆角的运动从而实现五轴联动控制。增压泵可以将系统压强提高到600Mpa，水流通过增压泵提高切割能量，再经注射泵形成足以切割任何材质的水柱，喷射出的水柱最终实现材料加工功能。当切割硬质材料时，可以通过水流里添加石英砂的方式以增加其切割穿透力。

2 加工测试

2.1 碳纤维复合材料板

2.1.1 实验方案

实验按照图2设计，共5组，11个试样。a组：60mm×40mm方块，3个试样分别倒角R6mm、R3mm、R1.5mm。b组：60mm等边三角形，3个试样分别倒角R6mm、R3mm、R1.5mm。c组：顶角 30°，边长 60mm 等腰三角形，3个试样分别倒角R6mm、R3mm、R1.5mm。d组：边长60mm,夹角30°锯齿，倒角R6mm。e组：R30mm的圆。通过对比实验设计，验证水切割加工碳纤维复合材料边缘、转角及加工锯齿能力及加工质量。

2.1.2 切割实验结果

图3为碳纤维板水切割试样效果图，整体加工耗时非常短。从a1、b1、c1、外形图可以看出，所切割试样的直线、倒圆角，形状规则，棱角分明。从a2、b2、c2可以看出，切边光滑，无任何毛刺等缺陷，转角光滑，即使R1.5mm倒角依然规则，加工表面质量良好。

图4显示加工锯齿边缘及切割圆的效果图，a1显示连续锯齿加工及倒角，可以看出，30°尖角处十分平直尖锐，尖角头部无损伤，而传统的机械加工或手工加工容易崩掉尖角头部；a2锯齿连接处导圆也平滑光顺，无任何毛刺、撕裂等损伤。图b1,b2切圆边缘也展示了良好的表面质量，无毛刺、撕裂等缺陷。

图2 碳纤维板试样切割设计图

图3 碳纤维板试样边缘切边倒角对比图

通过图4加工结果可以看出，加工实验基本覆盖复合材料加工主要特征：切边、倒角、钻孔、混合切边导内圆等，并且试样加工质量很好。

2.2 凯芙拉复合材料板

2.2.1 实验方案

实验按照图5设计，分为3组,3个试样。a组：切割一个60mm×60mm方块，方块一边倒60°斜边，一边倒45°斜边，另外两边90°垂直切割。b组：切割一个R30mm圆孔。c组：切割一条长直线。通过对比实验设计，验证水切割加工凯芙拉复合材料切边倒角能力及加工质量。

图5 凯芙拉板试样切割设计图

2.2.2 实验结果

图6为凯芙拉板切割实验结果图，从图a1、a2可以看出，水切割设备切割凯芙拉材料形状规整，表面光滑、无毛刺、劈丝等缺陷。图b1、b2倒边很好地表现了水切割设备三维加工能力。不管是45°还是60°倒斜边，棱角分明，其效果都很好。图c1为水切割设备切割的直线效果图，另外对比普通的手工加工凯芙拉纤维效果图c2，可以看出，水切割设备加工表面光滑、无毛刺、劈丝等缺陷，而手工加工试样出现了明显的切割不精确、毛刺、劈丝等缺陷。凯芙拉复合材料韧性非常好，传统的手工加工、机床铣削加工非常困难，很难找到合适的加工刀具及工艺方法，而水切割技术解决了这一困难。

图6 凯芙拉复合材料切割板实验结果

3 结论

通过采用超高压水切割设备加工各类碳纤维及凯芙拉纤维复合材料试样可知，超高压水切割技术在复合材料加工方面有很大优势：

1)超高压水切割加工技术能够覆盖复合材料加工主要特征：切边、倒角、倒圆等，可以满足复合材料加工要求，尤其在连续的锯齿、倒小内圆角加工技术方面，可以保证试样不损伤。

2)超高压水切割加工技术对于碳纤维和凯芙拉纤维加工都具有较好的适应性。

3)超高压水切割设备对于复合材料切割加工效率很高，加工质量很高，无毛刺、撕裂、分层、崩块等质量缺陷。

4)凯芙拉复合材料机械加工相当困难，其精度、加工质量控制也较难。而超高压水切割技术对于切割凯芙拉材料有较好的效果，可以解决传统机械加工难以解决的问题。