現(xiàn)代常見復(fù)合材料根據(jù)基體材料不同分為塑料基復(fù)合材料(本文僅限討論塑料基復(fù)合材料),金屬基復(fù)合材料,陶瓷基復(fù)合材料等;塑料基復(fù)合材料又根據(jù)糅合入基體類的不同材料,分為碳纖維,玻璃纖維(俗稱玻璃鋼),芳綸等材料。更有多種不同材料疊加,如碳纖維+鋁合金,碳纖維+蜂窩材料,玻璃纖維+鈦合金等材料。
復(fù)合材料可以根據(jù)強度設(shè)計要求,設(shè)計不同的纖維編織方向,選擇單方向提高材料強度,分為平織,斜紋織,緞紋織等各種纖維鋪設(shè)方向方法。同時,塑料基復(fù)合材料,又可以根據(jù)基體分為熱塑性復(fù)合材料和熱固性復(fù)合材料;熱塑性材料會在高溫下融化為液體,并且在低于融化溫度后變?yōu)楣腆w。這個過程可以被不斷重復(fù),類似小的方冰塊。熱固性材料特性不同。足夠的熱量會產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng),稱為“交聯(lián)”,材料會永遠(yuǎn)變形。熱固即為,隨熱而固。交聯(lián)后,熱固材料不會融化。過高溫度,熱固材料會燒焦,物理特性會降低。
剪切,切屑流經(jīng)過切削面切削區(qū)有良好的散熱 粉碎,切削刃使基體破碎切削區(qū)的散熱較少
復(fù)合材料與金屬相比,具有以下特點:
◎ 減少重量;
◎ 減少零部件數(shù)量,更高強度和剛性;
◎ 更好耐沖擊性,更好耐疲勞性,更好隔熱和隔音性,更好防振和噪音衰減性,無電流腐蝕性;
◎ 控制纖維方向,確定材料不同方向特性;
◎ 生產(chǎn)復(fù)雜形狀產(chǎn)品。
由于復(fù)合材料由兩種或者多種材料糅合在一起,而且纖維的鋪設(shè)方向,分層不同,所以對加工提出了更高的挑戰(zhàn),在加工過程中容易產(chǎn)生以下問題:刀具快速磨損,毛刺過大,材料分層,剩余纖維未切除,加工過熱等問題。
復(fù)合材料加工與金屬加工機理有著本質(zhì)的不同,金屬加工時被加工材料比切削刀具更軟,切削過程中被加工材料沿著剪切面形成連續(xù)的塑形變形,從而形成連續(xù)的,鋸齒狀的斷續(xù)的切屑變形。而復(fù)合材料加工,本身為一系列脆性破壞過程,切削刃的撞擊使得堅硬的纖維粉碎,形成粉末狀或者毛刷狀的碎屑。
由于復(fù)合材料的高耐磨性,刀具通常采用金剛石涂層或者PCD(聚晶金剛石)刀具切削。同時,復(fù)合材料加工過程中,需要鋒利的切削刃,將纖維切除。金剛石涂層可以顯著提高刀具壽命,但是金剛石涂層在涂層前需要刃口處理,方便涂層附著,同時金剛石涂層本身有一定厚度,所以會造成金剛石涂層刀具較不鋒利,通常刃口圓角約為20um。PCD刀具直接刃磨而成刃口,所以可以比較鋒利,通常刃口圓角約為10um。
兩種刀具的選擇通常根據(jù)客戶生產(chǎn)規(guī)模來定,如果是小批量,多品種產(chǎn)品加工,可以采用金剛石涂層刀具;如果是大批量定型產(chǎn)品,追求效率,可以采用PCD刀具。加工常見碳纖維復(fù)合材料,金剛石涂層刀具銑削線速度約為200~400m/min,而PCD刀具銑削線速度可以達(dá)到400~800m/min。
復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于航空航天,能源(風(fēng)電葉片),汽車,運動器材,醫(yī)療,游艇等行業(yè),主要目的為材料的高強度和低密度。如常見的碳纖維,強度接近高強度鋼,而密度為2.4g/cm3,比鋁合金密度還低;芳綸材料密度更低至1.3~1.4g/cm3。山高刀具提供完整的加工復(fù)合材料銑刀和鉆頭,分為兩個系列,金剛石涂層和PCD銑刀,全部為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品推向市場。
金剛石涂層銑刀工分為5種:
◎ 小螺旋角銑刀:減小軸向切削力,減少毛刺,可以應(yīng)用于所有塑料基復(fù)合材料,并可以很好加工高含硅鋁合金;
◎ 小螺旋角球頭銑刀:主要用于加工材料成形,如航空起落架型面加工;
◎ 左旋右旋銑刀:將材料至于螺旋角交叉處,完全抵消加工過程中的軸向切削力,從而實現(xiàn)最好的加工表面質(zhì)量,主要用于軍工行業(yè);
◎ 菠蘿銑刀:采用更多的左旋齒,將材料下壓,提供工裝剛性,獲得較好表面質(zhì)量,主要用于加工碳纖維復(fù)合材料;
◎ 蜂窩材料專用銑刀:鋸齒狀切削刃設(shè)計,鋒利刃口,輕快切除,防止壓倒蜂窩,主要用于加工,紙蜂窩板,鋁蜂窩板和鈦合金蜂窩板。PCD銑刀分為3種:
◎ 0度刃傾角PCD銑刀:適用于絕大多少應(yīng)用的各種復(fù)合材料(包括塑料基復(fù)合材料,金屬基復(fù)合材料和陶瓷基復(fù)合材料);
◎ 正3度刃傾角PCD銑刀:加工過程中將材料下壓,從而得到最好的上表面表面質(zhì)量;
◎ 負(fù)3度刃傾角PCD銑刀:加工過程中將材料上推,從而得到最好的上表面表面質(zhì)量。
金剛石涂層鉆頭分為2種:
◎ C1鉆尖設(shè)計:由兩個頂點角形成,減小軸向切削力,防止分層,用于加工出口為復(fù)合材料的材料;
◎ C2鉆尖設(shè)計:由180度平面頂點角和小鉆尖形成,較好的斷屑和排屑設(shè)計,保證孔的質(zhì)量。適用于加工出口為金屬材料的疊加復(fù)合材料,如碳纖維+鋁合金等材料。
PCD鉆頭為復(fù)合鉆尖設(shè)計,可以加工復(fù)合材料出口材料,也可以加工金屬材料出口材料,也可以實現(xiàn)加工芳綸孔,最好的孔面質(zhì)量。
山高刀具也可以根據(jù)客戶要求,專門定制各種加工復(fù)合材料的刀具。下面為一些加工航空航天工件的案例:隨著復(fù)合材料生產(chǎn)成本的不斷降低,產(chǎn)量大幅提升,其應(yīng)用范圍也越來越廣,隨之帶來的加工挑戰(zhàn)也不斷增加,我們必須不斷研制更多新型專用復(fù)合材料刀具,滿足市場需求。 ■
案例1:俄羅斯RUSAVIAINTER
● 材料:碳纖維
● 山高刀具: JC840左旋右旋銑刀
● 輪廓銑削:ae=5 mm
● Ap=工件厚度8mm
● Vc=180 m/min
● Fz=0.02
● 順銑,切削順滑,表面質(zhì)量良好
案例2:空中客車公司(法國)
● 材料:碳纖維
● 機床:Jobs Jomach 159
● 山高刀具:標(biāo)準(zhǔn)PCD鉆頭X31,直徑6.35 mm
● 線速度:Vc=180 m/min
● 進(jìn)給: 850 mm/min
● 切削毛刺較小,刀具壽命達(dá)到60分鐘以上
案例3:某航空發(fā)動機客戶
● 材料:碳纖維+鋁蜂窩+碳纖維板
● 機床: Creno liner 5軸
● 山高刀具: JC860蜂窩加工銑刀,直徑10mm
● 切削寬度:銑削開槽
● 切削深度:40 mm
● 線速度: 160 m/min
● 進(jìn)給速度:300 mm/min