复合材料薄壁曲面件一次成型加工技术研究

陈晨

摘要：从复合材料薄壁曲面件的结构特点、加工难点入手，在无加工经验可借鉴的情况下，探索复合材料薄壁曲面件一次成型加工技术，并对刀具与编程技术进行研究，该新加工技术有效保证了复合材料薄壁曲面件的加工质量，同时使加工效率提升，已推广至多类敷制产品的生产加工中。

关键词：复合材料薄壁曲面件;一次成型;加工技术

中图分类号：TG75                                       文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）02-0084-02

0  引言

纤维复合材料是目前最先进的复合材料之一，具有质量轻、强度高、刚度大、隔热减震、耐冲击等特点，是当前高强轻质结构材料的翘楚，广泛应用于航空航天、列车、船舶等领域。在飞机制造业的应用中尤为突出，复合材料应用的多少已经成为飞机先进程度的重要标志。但该类材料切削加工性差，是典型的难加工材料，切削加工中易产生毛刺、拉丝、分层、崩裂等加工缺陷，且刀具磨损严重、耐用度低，其难加工性与使用需求之间的矛盾日益突出。本文将针对复合材料薄壁曲面件切削性能差，在加工过程中易出现撕裂、分层、掉渣等问题，对影响其加工精度的因素分析，从刀具选用、切削参数优化、切削路径等方面进行优化，完成加工工艺的改进优化。

1  复合材料薄壁曲面件结构

复合材料薄壁曲面件结构如图1、图2所示。该零件为复杂的不规则曲面，主要由E-玻璃纤维布、环氧树脂、碳纤维T300复合敷制成型、厚度薄仅为1.85mm，A面与B面之间的距离公差为±0.05mm、A面波纹度D（波的最大深度）≤0.5mm，D/λ≤0.001，λ为波长（相邻高点之间的距离），零件不允许有起层、裂纹、崩裂现象。由于该零件为敷制产品二次加工，相关尺寸精度要求高，行业内无成熟加工经验或技术供参照。

2  工艺流程

2.1 原工艺流程

加工敷制模具（钢）——敷制成型——脱模——配铣胎膜（铝）——胎膜压持装夹、数控加工——脱模。（图3）

按此方案敷制件从敷制模具上脱模后，零件容易变形，再次装夹到铝制胎膜上，敷制件与胎膜贴合不好（压板压持位置贴合较好，其余位置贴合情况无从知晓），这样在加工零件厚度时不能保证零件的尺寸精度、公差，尺寸1.85±0.05超差，最多达0.35mm，并且加工过程中易产生毛刺、拉丝、分层等现象，刀具磨损严重，生产效率低下，加工成品率低，严重影响了产品生产质量与进度。

2.2 优化工艺流程

为解决零件尺寸超差、效率低下、合格率低的问题，对原工艺方案进行优化。将原工艺流程（敷制-脱模-配铣胎膜-胎膜压持装夹-数铣）优化，取消敷制后的脱模、实现零件敷制后随敷制模具直接进行数控加工。因敷制零件没有取下，不存在敷制件取下发生的变形，而且减少了中间环节，同时提高敷制模具的精度要求，确保其能满足后续数控加工要求。优化敷制工艺要求，敷制时四周留余量20MM延伸到凹台外便于压持，同时固定位置。这样有效解决敷制件脱模后容易变形，再次装夹到胎膜上贴合不好，加工时不能保证零件尺寸精度的问题。同时减少了工序和工艺准备时间（重新加工胎膜），良好的切合精益生产的思想。（图4）

3  加工技术研究

3.1 机床

因该零件的材料主要为玻璃纤维、碳纤维，加工时要求不加切削液干铣，加工过程中会产生的粉尘、纤维颗粒。需要专用机床来加工，机床需配备吸尘装置，否则容易损害机床设备、危及人员健康。同时因零件尺寸精度高，要求机床稳定性好。为此采用阿奇夏米尔公司的HEM800高效数控加工中心。

3.2 刀具

玻璃纤维、碳纤维扭转强度和剪切强度较低，扭剪容易使纤维损伤断裂、力学性能呈各向异性，切削时切削力不断变化，致使刀具更易磨损，加之切断的硬脆纤维发生弹性恢复，同切屑一起不断摩擦、研磨后刀面，使得刀具磨损严重，耐用度低。树脂基体熔点低，切削温度过高时，材料会融化黏结在刀具上，影响刀具的切削性能，进而严重影响材料的加工质量。而树脂跟碳纤维或玻璃纤维硬度相差较大，刀具在切削时受到的载荷交替变化，影响刀具切削性能[1]。这就要求加工此类材料刀具有较好的综合性能，即有较强的耐磨性、较好的刚性及较好的热稳定性。

复合材料薄壁曲面件为复杂不规则曲面，敷制厚度余量用球刀加工，外轮廓用铣刀加工。为此我们用硬质合金刀与金刚石刀具用不同的切削参数进行切削试验，根据刀具磨损、表面质量、加工效率综合比较。结果表明普通硬质合金刀具刀加工后零件四周的起层、毛刺、拉丝缺陷严重，刀具磨损严重，零件尺寸精度难以保证，加工效率低下。不适合玻璃纤维/碳纤维类材料加工。金刚石刀具加工效率高、刀具磨损较小，发生起层、毛刺、拉刀等缺陷少，適合玻璃纤维/碳纤维类材料加工。

3.3 编程技术

加工基准：为保证零件尺寸精度，在编制数控程序时将基准设在敷制模具的底面中心，以消除过程中可能存在的变形误差，方便加工时对刀，以便能够更精确的控制零件的尺寸精度。

刀具路径：一般数控加工落料时采用斜线下刀，而复合材料薄壁曲面件由玻璃纤维布和碳纤维布一层一层的铺敷而成的，斜线下刀更容易引起材料起层。而插铣下刀则可避免下刀造成材料起层。同时要尽量选择顺铣、避免吃刀量过大而造成棱边崩角、掉渣。

底面余量的控制：外轮廓落料时底面需要留有一定的余量，但余量的多少是一个关键点，多了不好取下零件，少了又容易伤到模具，而模具又通常非常贵重。底面余量不管是对于零件还是模具对尤为关键，既要方便零件加工又要不伤到模具，所以要从余量的两个临界值出发，进行尝试加工，通过数值分割来进一步缩小尝试范围，直到最优值出现。通过试验最后得出余量优化值是0.1mm。

4  结果分析

从加工质量来看，加工工艺优化后，取消了取敷制件、重新制造胎膜、再次配装环节，由敷制直接到数铣、由数控加工一次成型。避免了敷制件取下变形、与胎膜贴合不好等问题，而且减少了中间环节，消除了过程中变形造成的质量隐患。经质量数据统计，工艺方案优化后，零件的一次交检合格率达到了100%。

从加工效率来讲，原工艺方案中，加工流程长，考虑流转和钳工工作时间，完成一件零件时间约14小时，优化后减少了中间环节、采用了高效的金刚石刀具，所有环节均在数控加工完成、时间仅3个小时，效率提升78.5%。

5  总结

通过分析复合材料薄壁曲面件的结构特点，识别其加工难点，在无加工经验借鉴的情况下，探索加工方案，应用新型刀具，合理安排工艺路径，优化加工流程，实现复合材料薄壁曲面件一次成型加工技术突破，最终加工出合格的复合材料薄壁曲面件，满足设计指标。与传统工艺方法的结果进行对比，确认优化后的工艺方法有效地保证了复合材料薄壁曲面件的加工质量，同时加工效率大幅提升。复合材料薄壁曲面件一次成型加工技术已推广至类似的敷制产品的加工中，验证了方法的可行性，实现了复合材料薄壁曲面件的高质量、高效率加工。

参考文献：

[1]于东民.玻璃纤维/碳纤维芳纶纸蜂窝板铣削实验研究[D].集美大学，2015.

[2]王洋，侯宁，周丽，黄树涛.SiCp/Al复合材料加工边缘断裂特性分析[J].工具技术，2014（01）.

[3]周家林，黄树涛，崔岩.高速铣削SiC_P/Al时切削力及影响因素的研究[J].机械工程师，2007（11）.