碳纖維、芳綸纖維、蜂窩芯等復合材料具有重量輕,耐高溫,破損安全性高,機械強度、邊緣強度好,耐化學腐蝕等特性,今天正被廣泛地應用到許多領域,如航空、航天、能源、建筑、船舶等。尤其是在飛機制造業,復合材料應用的多少已經成為先進程度的重要標志之一。復合材料的加工需要使用精準的數控加工設備以及合適的刀具來完成。
加工機床的選用
根據復合材料所具有的性能特點,其切割及鉆孔加工必須選擇主軸轉速在每分鐘8000轉以上的數控機床。在吸附方式的選擇上,平板類零件一般選用真空平臺吸附,而曲面類零件一般采用帶真空吸附。至于冷卻方式,大部分復合材料宜采用風冷冷卻,只有碳纖維零件可采用水冷方式。
真空吸盤式柔性夾具系統就是一種專門針對復合材料部件加工發展起來的配套裝夾系統,這一系統可在三維空間內將彎曲的工件按照預先設計的程序固定好,由在工作區域內的真空吸盤固定。其通用支撐夾具可在2分鐘內自動重新配置,從針對一種工件的配置轉換成適應另外一種形狀工件的配置,具有相當高的柔性。真空吸盤式柔性夾具系統非常適合玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、Nomex蜂窩芯、鋁蜂窩芯等復合材料壁板零件的外形和孔加工。已被國外航空企業廣泛使用,國內哈飛、西飛、成飛等廠家也已經引進。
加工刀具的選用
眾所周知,金屬工件加工時傳熱快,切削屑和冷卻液也可以帶走大量熱量。而復合材料導熱慢、難以成屑的特點容易導致加工部位熱量積累,造成刀具的磨損。另外,這類材料還容易產生分層、起毛、拉絲等情況,表面精度不容易得到滿足。這就讓選擇合適的刀具變得非常必要。復合材料的加工刀具一定要特別鋒利、耐磨,保證加工中少換刀,而且針對不同種類的符合材料,也要選擇不同類型的刀具。
碳纖維材料
碳纖維零件分為兩種,分別是碳帶和碳布,前者在加工中更容易出現分層現象。碳纖維零件屬于多層結構,這種結構在厚度和水平方向力學性能有很大差異遠,因此加工時,出刀部位非常容易產生分層和起毛的現象,在鉆孔時,鉆頭應采用三尖兩刃或兩尖兩刃形式,鋒利的三尖可先將碳纖維層劃斷,兩刃對孔壁起到修補的作用,所以使用這種刀具效果很好。還有一種鑲金剛石鉆頭,以其鋒利和耐磨取勝,鉆孔質量也相當不錯,但價格比較昂貴。
在進行邊緣切割時,也需要解決起毛和分層的問題,一般要使用刀具的刃部進行切割。滾花結構形式的銑刀,由于有好多鋒利的小切削刃,有效限制了每一層在厚度方向的運動和撕裂,有效防止起毛和分層。鑲金剛石銑刀以其鋒利的刀刃,在使用高轉速的情況下,迅速切除材料,保證碳絲不被拉出而分層起毛。對小型、薄壁碳纖維零件一般采用整體硬質合金滾花銑刀,而對壁厚在5毫米以上以及大型的碳纖維零件,一般采用鑲金剛石銑刀或帶各種涂層的整體硬質合金滾花銑刀。
芳綸纖維
芳輪纖維目前是復合材料中最難進行機械加工的,選用的刀具不合適,極容易產生邊緣分層、起毛、燒焦等情況。目前看來,美國生產的一種ONSRUD
450521整體硬質合金滾花銑刀比較可靠。這種刀具有多個鋒利的小切削刃,配以適當的加工參數后,利用高速數控機床基本能加工出合格的邊緣。
蜂窩芯零件
跟前兩種材料不同,蜂窩芯零件由于其結構的特殊性,最容易出現的問題不是分層和起毛,而是撕裂、壓塌、芯格變形、外形缺損等缺陷。加工這類材料,HSS Hollow CoreCutters刀具表現比較優異。這種刀具可以垂直切斷蜂窩芯的晶格,產生一個未被壓倒的、整齊的邊緣。蜂窩邊緣經過整齊的切割后,再使用一般切割蜂窩的無齒銑刀,將蜂窩自根部割斷,徹底分離,此刀專用于在蜂窩上加工出深槽,并能高效率地去除大余量及切割出整齊的蜂窩芯邊緣。還有加工飛機壁板的槽銑刀,這種組合式刀具適用于飛機內飾面板蜂窩夾層的開槽,以便于灌注混合體,加固板的邊緣。刀具帶PCD切割刃,可嵌以金剛石或高速鋼材料,以螺絲固定。
通過以上所述刀具材料的選擇以及加工中應注意的事項,可以很好地完成這些復合材料零件的數控加工。但復合材料的范圍很廣泛,各種材料由于其結構和性能不同,其加工所使用的刀具及其結構、所使用的參數各不相同,在好多方面我們還應努力研究與摸索,制造出更好的復合材料零件。