至一文读懂碳纤维复合材料加工原理及方法

公司新闻发布时间:2021-10-10

一文读懂碳纤维复合材料加工原理及方法

DT导读:随着各行业对材料轻量化和出色性能的寻求,碳纤维及其复合材料的利用愈来愈广泛,目前还没有大批量利用的缘由主要是本钱和生产效力的问题。而本钱主要是材料本钱和批量化成型加工本钱,如何高速、高效大批量生产高质量、低本钱的碳纤维复合材料,减少材料浪费,已成为业内的共鸣。今天小编跟各位聊1聊碳纤维复合材料加工方法。

至一文读懂碳纤维复合材料加工原理及方法

为何难加工

碳纤维增强复合材料(CFRP)在加工进程中,基体和纤维存在较为复杂的内部相互作用,使其物理特性与金属有较大区分,CFRP密度远小于金属,而强度大于绝大部份金属。由于 CFRP 的不均匀性,在加工进程中常常会出现纤维拉出或基质纤维的脱离;CFRP 具有较高的耐热性和选择拉力机夹具耐磨性,使其在加工进程中对装备的要求较高,由于生产进程中产生大量切削热对装备磨损较为严重。

同时,其利用领域的不断扩大,要求也愈来愈细腻,对材料适用性做出要求,对CFRP 的质量要求也愈来愈刻薄,也导致加工本钱上浮。

原理介绍

纤维取向

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纤维取向在 CFRP 工件和刀具接触面的相互作用中会产生重大影响,切屑构成和纤维取向密切相干。CFRP 工件和刀具接触面的断裂是由刀尖所施加的压力致使的。在多种纤维取向方面,共有3 种切削机理:

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(1)纤维的断裂沿着纤维和基体接触面的方向,即纤维取向是0°。

(2)刀具剪切时方向垂直于纤维轴,纤维取向为75°。

(3)纤维取向为 90°乃至负角度,纤维方向角度 30°、60°、90°是最关键的方向,它们会致使大的切削力和集中磨损及工件破坏,通过增加刀具后角值可以有效地减小进给推力。

切削热

CFRP 的切削进程是碳纤维断裂和基体材料去除的复杂进程,工件和切削刀具之间磨擦升温,

乃至引发刀具高温软化或分解。CFRP 导热性较差,所以在切削进程制止使用冷却液,导致产生的切削热不能快速散出,从而将热量传到切削刀具上,加重了切削装备的磨损,使其使用寿命大打折扣,同时使工件的表面热量更加重,影响复合材料表面成型,下降了复合材料使用中的性能。

复合材料切削热的研究主要集中在切削温度的丈量方法上,国内外很多学者采取红外测温仪、热像仪或埋入热电偶等方式对碳纤维复合材料的切削温度进行丈量研究。

刀具磨损机理

CFRP 属于难加工材料,主要缘由是其对刀具的磨损非常迅速。加工进程中对刀具的磨损机理为:工件在刀具上被加工时,2者表面接触大,在加工进程中,长时间的磨损,震动,使刀具上的硬质颗粒偶有脱离,从而构成了所谓的刀具磨损。展出的系列产品包括:混凝土外加剂、水泥添加剂和化学溶液

磨损类型大致可分为刀具破坏和磨损,依照磨损的位置不同,磨损又可分为刀尖磨损、刀具侧面磨损、刀具边沿破坏和边沿磨损。

影响刀具磨损的因素有很多,主要包括:加工工艺参数、刀具几何形状和材料等。在 CFRP 切削进程中,工艺参数(如切削速度、进给速度、纤维取向等)会显著地影响刀具磨损。1般而言,切削速度增加会加重侧面磨损。刀具几何形状和材料对加工表面、切屑构成、切削力和刀具磨损有着显著的影响。

加工方法

车削加工

车削是在 CFRP 加工中利用最多的方法也是最基础的方法,通常适用于圆柱表面预定公差的实现。合适车削可以利用的刀具主要材料为:硬质合金或陶瓷和聚晶金刚石。加工工艺中进刀速率,所切深度,和切削的速度都会影响工件成品表面质量和道具破坏程度,这也是进行技术优化的目标方向。

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铣削加工

铣削通常是对成品工件再加工的1种加工方式,要求的加工精度较高,对复杂工件粗加工后的修缮性的铣削进程。在加工进程中,一样端铣刀和CFRP 之间要进行复杂的相互作用,造成 CFRP 工件存在没切断的纤维纱线和分层现象。为减少和避免类似缺点产生,只要在加工前期,科学预测切削力和轴分层和未切断的纤维纱线毛边的现象时有产生的大小,控制加工工艺参数设置,将有效减少了毛刺毛边的产生。

主要的工艺参数,如纤维取向、轴向和切向进给速度、切削速度等,都会对工件表面粗糙度产生显著影响。铣削加工的技术要求:反复实验纤维取向,轴向和切向进给速度,构成最好参数,进行铣削加工。

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钻孔加工

工件要求螺栓或铆接装配时需钻孔操作,在CFRP 钻孔进程中依然存在1定问题:材料的离层现象,刀具的严重消耗和孔内壁的质量问题。经实验分析,设置的切削参数、钻头的几何形态和切削的质量对上诉产生的问题均产生明显影响。通常把损伤区最大直径和孔径比率称为损伤因子,也是表示分层现象的程度,分层因子越大,表示分层问题越为严重。

通过实验可以推理,切削进程中推力和分层现象产生也有相互关系,推削力的大小也可表示分层程度。基于相同的钻孔材料,不同于其他加工方式,钻孔加工中切削速率不会给切削力产生很大影响。

在同1切削参数下,与麻花钻头相比,参数对复合型特殊钻头分层影响较低。对特殊几何特点的钻头,较大的进给速度和钻头直径可以减少分层,并且不同直径比钻孔切削力会随着直径比的减小而增大,随着进给速度的增大而增大。

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磨削加工

通常在船舶制造,航天工30~94HRG业领域,对 CFRP 的工件质量要求更加刻薄。工件精度和质量都要求在较高加工方式下进行,而磨削加工的施工工艺恰恰符合其制造要求。磨削加工件精度要求10分严格,需对已粗加工的工件进行细磨加工。磨削加工

CFRP 要比金属困难和复杂很多,国内外学者也进行了相干研究,设计了1种杯形砂轮,在其内部提供冷却液对CFRP 进行磨削加工,比较了干式磨削、外部冷却液磨削和内部冷却液磨削3种加工方式,结果显示 :内部冷却液磨削方式加工进程中,附着于砂轮上的基体树脂明显减少,砂轮中的磨粒能更有效地磨削纤维且在材料表面不会产生层离或毛刺现象。这类砂轮内部提供冷却液的方法展现出了更强的冷却效果,能显著下降磨削温度,同时有益于切屑的排出。

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超声振动加工技术

超声振动加工机理是建立在传统加工进程中刀具和工件相对运动的基础上的,然后在对二者施加1定的超声振动,从而生产出性能更优越的复合型材料。该技术属于对传统技术的优化和辅助,较传统加工方式,技术更加先进,成品工件表面质量更加细腻,同时也下降裂纹产生的现象,节省了加工本钱。有效减低了CFRP增强复合材料的加工难度,超声波的利用,完全改良了材料去除机理,下降工具和工件相互的磨擦力,减少了工具加工时间,增强了刀具作用力,提高了加工效力,减少了刀具磨损,使工件加工的精度和质量更先进。主要有超声振动钻孔加工、超声振动磨削加工、超声振动铣削加工,超声振动切削加工。

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(1)超声振动钻孔加工

超声振动钻孔加工是1种非传统的加工方法,在高效钻削加工复合材料方面具有很大发展潜能,其主要优点包括:减小切削力和力矩;提高加工表面质量,减少毛刺;避免分层现象产生等。

有学者研究以金刚石磨粒旋转超声振动钻孔加工 CFRP,旋转超声钻孔加工如图 3 所示。对 CFRP的机理分析表明:CFRP 的材料去除机理更适用于脆性断裂而不是塑性变形,建立切削力模型用于预测加工参数和加工环境对切削力影响的关系,并通过实验验证了该力学模型的准确性。

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(2)超声振动磨削加工

超声振动磨削加工结合了金刚石磨削加工材料去除机理和具有超声加工特点的复合式磨削加工技术。其优点主要有:可产生切削力减小和切屑减薄的效果;改良工件表面精度和形状精度;提高材料去除率,延长工具的寿命;提高脆性与延性域产生转变的临界切削深度,实现脆性材料的延性域加工。

品牌知名度进1步扩大

如何高速、高效大批量生产高质量、低本钱的碳纤维复合材料,提高材料利用率,我们会延续关注相干话题,下1期再与大家分享复合材料成型工艺相干内容。

在此给大家推荐1场不容错过的行业盛会——2017年11月16⑴7日,DT新材料将在北京组织第2届国际碳材料大会暨产业展览会,届时在碳纤维及其复合材料论坛上将会有众多重量级佳宾共同探讨热门话题。以下为大家预告论坛议题。

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主要议题

模块1:碳纤维及其复合材料宏观分析

· 全球碳纤维及其复合材料产业现状和发展趋势解读

· 全球碳纤维及其复合材料利用现状分析

· 碳纤维产业发展政策解读

· 碳纤维及其复合材料投融资介绍

模块2:碳纤维及其复合材料材料设计、工艺、设备、检测

· 碳纤维本钱、质量控制经验分享

· 碳纤维原丝制备工艺探讨

· 碳纤维集成自动生产工艺介绍

· 沥青基碳纤维的发展介绍

· 碳纤维复合材料结构设计和模型仿真

· 碳纤维复合材料加工工艺介绍

· 热固性/热塑性碳纤维复合材料预浸料成型工艺介绍

· 碳纤维复合材料新型拉挤与缠绕工艺探讨

· 碳纤维复合材料自动铺放装备和工艺探讨

· 热塑性碳纤维复合材料自动化装备及成型技术

· RTM成型工艺在碳纤维复合材料中的利用

· 碳纤维复合材料回收工艺和现状介绍

模块3:碳纤维及其复合材料下游利用开辟及发展

· 碳纤维及其复合材料在航天航空中的利用剖析

· 碳纤维复合材料在风电叶片中的利用介绍

· 碳纤维复合材料在建筑工程和海洋工程中的利用探讨

· 碳纤维复合材料在汽车和轨道交通中的利用介绍

· 碳纤维复合材料做芯导线在电力、通讯行业的利用

· 碳纤维复合材料在体育器材、防护用具领域的利用

· 碳纤维复合材料在3D打印中的利用

· 碳纤维在地暖行业的利用

更多精彩话题延续更新中,欢迎大家留言补充交换!

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联系人:王侨婷

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