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碳纤维复合材料的特性与切削加工刀具分析

发布者: 顺畅 | 发布时间: 2021-2-23 08:36| 查看数: 54| 评论数: 0|帖子模式

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碳纤维复合材料的特性与切削加工刀具分析
尹正军
(中车青岛四方机车车辆股份有限公司,山东 青岛266111)
摘 要:基于对碳纤维复合材料特性与切削加工刀具的研究,首先,阐述碳纤维复合材料具备低密度高强度、抗疲劳等性能。其次,分析碳纤维复合材料在轨道交通中的应用,以及在航空航天领域的应用等。最后,对切削加工刀具进行分析阐述,包括钻削碳纤维复合材料的新型硬质合金钻头、铣削碳纤维复合材料的新型硬质合金立铣刀等。
关键词:碳纤维复合材料;切削加工刀具;航空航天

[size=1em]碳纤维复合材料属于一种树脂基复合材料,将碳纤维作为增强体。在当今社会的快速发展过程中,人们对碳纤维复合材料的认识程度正在不断加深。碳纤维复合材料自身的优势也逐渐凸显出来,所以,近些年碳纤维复合材料的使用量正在不断提升。碳纤维复合材料在二十世纪七十年代之前被视为一种昂贵的材料,被应用在军工以及宇航等尖端技术行业中。在二十世纪八十年代之后,因为其性能的提升以及制造成本的降低,使得碳纤维复合材料被广泛应用在我国轨道交通中。所以,本文将针对碳纤维复合材料的特性与切削加工刀具相应内容进行阐述。

1 碳纤维复合材料性能

[size=1em]碳纤维复合材料不仅有着碳材料自身特点,同时又具备纺织纤维柔软可加工性特点,具备较强的综合性性,是其他任何一款单一材料无法比拟的。碳纤维复合材料的性能主要体现在以下几点中:

1.1 低密度高强度特点

[size=1em]碳纤维复合材料的密度不到铝合金的二分之一,同时也不到刚的四分之一。强度是钢的五倍以上,比模量是其他结构材料的1.3 倍到12.3 倍之间。

1.2 较强的抗疲劳特点

[size=1em]在碳纤维复合材料中包含许多碳纤维与树脂基体界面,此类界面能够在很大程度上防止裂纹的进一步扩大[1]。如果在交变荷载的环境之下工作,那么碳纤维复合材料的使用寿命将会得到提升,并且在很大程度上高于其他材料。

1.3 具备稳定的化学性能

[size=1em]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当中,强度并不会受到影响,并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,并且不会与腐蚀溶液发生化学反应。

1.4 具备良好工艺性特点

[size=1em]碳纤维复合材料属于各项异性材料,铺层取向在较宽的范围内都可以进行调整。因为铺层各向异性特点,可以通过选用适合的铺层方向与层数,使得材料的不同强度需求、刚度需求等得到满足。

2 碳纤维复合材料的应用2.1 在轨道交通中的应用

[size=1em]轨道交通已经成为人们日常出行的重要方式,为人们生活带来很多便利。通常情况下,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,在腐蚀环境中仍然能够正常运行。同时轨道车辆在运行过程中,能够避免受到温度以及气流的影响。除此之外,在轨道车辆的制作过程中,可以使用碳纤维复合材料达到良好隔温降噪效果,延长轨道车辆的使用寿命。

2.2 在航空航天领域的应用

[size=1em]碳纤维复合材料的应用与发展,在很大程度上推动我国航天航空整体技术的进步。碳纤维复合材料自身具备较强的综合性特点,因此,在很早之前就被应用在人造卫星结构体、太阳能电池板当中。随着社会的不断发展与进步,使得碳纤维复合材料被应用在航空航天领域当中,并且将碳纤维复合材料的应用视为一种航天结构先进性的重要标志[3]。与此同时,碳纤维复合材料还被应用在武器装备当中,比如,在战斗机与直升机创造中的应用。碳纤维复合材料一般情况下,会将其应用在机身、主翼等不同部位中,可以达到良好减重效果。而且能够在很大程度上提升飞机的抗疲劳性能与耐腐蚀性能[2]。比如,在美国研发的歼击机与战斗机中,碳纤维复合材料的应用达到25%以上,在军用直升机的应用中,已经达到50%以上。将碳纤维复合材料应用在民用飞机上,可以减轻飞机质量、节省更多油耗,使得飞机航程能够得到增加。比如,在波音787 结构中,碳纤维复合材料的使用达到50%,主要将其应用在机身与机翼中。

2.3 在风力发电、汽车领域中的应用

[size=1em]在风力发电装备中,叶片是其中的关键部件,在将风机叶片质量增加到一定程度背景下,叶片质量的增加幅度,要大于风机能量的输出增加幅度。在这一过程中,就要尽量减轻质量。因此,要加强对碳纤维复合材料的应用,碳纤维复合材料已经成为制作叶片的重要材料。碳纤维有着良好的导电性能,经过特殊结构设计,能够在很大程度上防止雷击对叶片产生的影响。

3 切削加工刀具3.1 钻削碳纤维复合材料的新型硬质合金钻头

[size=1em]针对碳纤维复合材料钻孔工艺提出相应技术要求,主要目的是要保证加工孔精度,在此基础上,防止的分层、毛刺情况的产生,使得加工效率可以得到提升。在这一过程中,可以使用的W 型钻头与钻扩铰复合刀具。(1)W 型钻头。W 型钻头钻头的结构主要是三尖两刃,相较于传统的麻花钻横刃长度在一定程度上缩短,并且留下相对较短的横刃,横刃在实际钻削工作的开展中,主要起到的是定心作用。在使用W 型钻头对碳纤维复合材料进行钻削过程中,钻头刃尖会与复合材料先行接触,并将自身的定位作用充分发挥。接着钻头外缘的W 刃尖会接触材料并展开切削工作。将被加工孔圆周的纤维层剪断,钻头的主切削刃将碳纤维层切断。(2)钻扩铰复合刀具。钻扩铰复合刀具采取的是多刀刃设计,切削刃由不同部分构成,能够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之间进行先行接触,能够起到一定的定心作用。然后利用底刃开始钻孔,在复合材料中会形成定位锥孔。接着其他部分展开相应的铰肖工作或者切除工作等,钻孔质量与加工效率将会在很大程度上得到提升。

3.2 铣削碳纤维复合材料的新型硬质合金立铣刀

[size=1em]新型铣削碳纤维复合材料专用刀具,一般包含交错刃立铣刀和菱齿形立铣刀。(1)交错刃立铣刀。交错刃立铣刀的切削刃会被分为上部分与下部分,采取交错设计方式,近端部刃右旋、近柄部刃左旋交错设计。下端右旋切削刃通常会将其应用在铣削工件下表面中,在这一过程中,工件的下表面会受到向上切削分力[4]。上端左旋切削刃,会将其应用在铣削工件上表面,工件上表面会受到向下的切削分力。切削合力的主要指向为,工件材料板厚中心。在实际铣削期间,无论是材料的上表层纤维层,还是下表层纤维层,很容易被完全切断,这样可以在很大程度上防止,上表面、下表面出现撕裂加工缺陷或者毛刺加工缺陷情况的产生。(2)菱齿形立铣刀。菱齿形立铣刀的不同切削刃,都是由两部分构成,分别是右旋切削刃与左旋切削刃,在不同的截面的切削加工中,右旋切削刃与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,使得纤维材料很容易被剪断。通过该种方式能够在很大程度上,防止上表面、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,使得单位切削力减小,在很大程度上提升切加工质量与加工效率。

[size=1em]综上所述,碳纤维复合材料因为自身优势被广泛应用在不同领域中,对于对碳纤维复合材料的使用与发展要加强重视程度,同时加强对切削加工刀具的应用,这样才能更好实现对碳纤维复合材料的切削,将材料优势充分发挥。

[size=1em]参考文献

[size=1em][1]石文天,侯岩军,刘玉德,等.微切削毛刺形成机理及研究进展综述[J].中国机械工程,2019,30(23):2809-2819+2828.

[size=1em][2],苑泽伟,庄朋.刀具振动对精密切割碳纤维增强树脂复合材料的影响[J].机械设计,2019,36(S1):89-93.

[size=1em][3]李志伟,涂俊翔.芳纶纤维复合材料铣削加工研究进展[J].机械制造与自动化,2019,48(2):1-5+10.

[size=1em][4]王林建,林有希,林华.纤维方向对碳纤维复合材料切削加工影响综述[J].机械制造与自动化,2019(2):6-10.



[size=1em]中图分类号:TQ342.742,TB33

[size=1em]文献标识码:A

[size=1em]文章编号:2096-4390(2020)14-0007-02

[size=1em]作者简介:尹正军,中车青岛四方机车车辆股份有限公司,高级技师。



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