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  • 技術資料

    復合材料的切削加工與實例

    文章來源:  發布時間:2019/6/6  瀏覽次數:624
      一、復合材料的鉆削加工
      復合材料有別予金屬,若用鉆金屬的刀具在復合材料上鉆孔,那么就會使鉆孔質量很差,同時也會使刀具磨損過快。需要使用經過專門設計的刀具來解決因材料的摩擦而使鉆頭在分層材料上入孔和出孔時造成的材料脫層現象。
      圖4、圖5為肯納飛碩金屬有限公司開發的一種復合材料鉆孔刀具。應用該鉆頭在碳素纖維強化聚合物復合材料上鉆300個孔(鉆穿)以后才開始產生毛刺和脫層現象,而其他的PCD鉆頭在鉆150個孔后就會產生毛刺和脫層現象。
      
      圖4 SPF鉆 圖5 SPF鉆對碳素纖維強化聚合物復合材料的加工
      由于碳素纖維/環氧樹脂復合物的抗拉強度在1500~3000MPa之間,密度在1.5~2.0g/cm3之間。而鋼的抗張強度在1200~1500MPa之問,密度為8.0lg/cm3;鋁抗張強度600MPa,密度為2.769/cm3。在選用刀具材料時,應選用含鈷較低的工具,既可以抗磨損,又可以增加工具的硬度和抵抗切割切削中產生的高溫。含鈷較低的工具降低了韌性,在復合材料上鉆孔時不需要過高的韌性,因為它不像在金屬上鉆孔那樣需要產生太大的鉆孔鉆削力度。金屬切割切削工具中的鍍層涂層很普遍,但是復合材料的切割切削刀具就不需要這樣。碳化物硬質合金的質量和刃磨質量,可使鉆頭獲得最佳的使用壽命。
      對于加工難度較大的復合材料鉆孔,可采用122m/rain的切酎速度以確保鉆孔出口的完整性;對于容易切削材料,為提高生產效率,可采用137m/min的切削速度和最高0.lmm的進鉆速度。被加工材料需要的壓力大于111N時,切削速度和進鉆速度均應降低。
      二、復合材料的切削加工實例
     ?、偾邢鞑Aт摃r,原用YG6X硬質合金刀具切削,c:30m/min,切削對間為6min,刀具因磨損嚴重而不能切削。改用國產PCD刀具后,口。=109m/min,切削時間為169min,刀具的后刀面只磨損了0.2mm。
     ?、谲囅魈畛銼i02的聚四氟乙烯時,用PCD刀具切削路程為70000m,后刀面只磨損了0.17mm,加工精度為IT5,表面粗糙度Ra為0.8~0.4um。而用813硬質合金,只車削了360m,后刀面嚴重磨損,影響車削質量。PCD刀具的耐用度為硬質合金刀具耐用度的194倍。
     ?、圮囅鞣尤├w維制的軸承座時,用硬質合金車刀只能車削1000件,而且質量得不到保證。用PCD車刀則能加工12000件,工件精度完全達到要求。
     ?、芗庸げAЮw維增強塑料時,用PCD刀具,在條件下,刀具耐用度是硬質合金刀具的150倍。
     ?、蒈囅鱏i02填充環氧樹脂的零件端面時,用硬質合金車刀只能加工210個,而用PCD刀具,則能加工3000個。
      用PCD刀具切削碳纖維增強復合材料時,切屑呈粉狀,切削溫度較低,切削路程為硬質合金刀具的10倍,可是刀片磨損卻不到硬質合金的1/3。
     ?、拊诓Aт摬牧仙宪嚶菁y,容易出現起皮、掉渣、崩牙等現象。這是由于玻璃鋼的抗劈強度遠遠小于它的抗拉強度和抗壓強度。如3230酚醛層壓玻璃布板的抗拉強度為98MPa,而它的抗劈強度只有12.7MPa。所以玻璃鋼在切削過程中,應在避免受劈的情況下進行切削,這樣可以避免上述不良現象的產生。這就要求要合理選擇車削玻璃鋼螺紋刀具的幾何參數和切削用量。
      圖6(a)所示為負刃傾角月牙洼型正前角螺紋車刀;圖6(b)所示為負刃傾角負前角螺紋車刀。這兩種刀具車玻璃鋼螺紋,效果都好。它們的共同特點是,都采用了負的刃傾角,這樣就改變了切削分力的大小與方向,對防止螺紋的缺陷十分有利。通過實踐證明,如果采用大于0度的刃傾角,螺紋的車削質量就比較差。
      用硬質合金車刀車削玻璃鋼螺紋的切削速度為20~80m/min,對玻璃布纏繞的管材螺紋的切削速度以20~35m/min為好,切削深度一般為0.1~0.5mm。
     ?、逽iC顆粒增強鋁基復合材料超精密車削。使用天然金剛石刀具(SCD)對顆粒平均尺寸S=7jum的15%(體積分數)SiCp/2024A1復合材料進行端面車削加工。機床轉速,2固定為1000r/min,每轉進給量,和切削深度口。分別在1~10/,m/r和1~20btm內變化。
      切削深度口,對加工表面粗糙Ra的影響較小,當從1um增大到10um時,Ra增加幅度僅為10.23%。故實際生產時,盡可能采用較大的切削深度以提高生產效率。但切深增大時,切削力和切削溫度也增大,刀具磨損率也增大,同時過大的切削深度會造成切削不平穩,從而對加工表面質量不利。
      刀具每轉進給量廠對加工表面粗糙度的影響顯著。當廠從lum/r增大到10/lm/r時, Ra增船幅度達182.16%(對直線刃SCD刀具而言)。隨進給量的增大,刀具與工件相對振動明顯加劇,且加工表面由于SiC顆粒拔出、破碎而留下的坑洞、微裂紋、基體材料撕裂等缺陷也明顯增多。上述這些因素導致加工表面粗糙度值隨進給量的增加而顯著增大。實際生產中,宜采用盡量小的進給量,這樣不但能容易獲得良好的加工表面,還能降低切削力、切削溫度以及增加切削平穩性。但進給量越小,切削層厚度越薄,加工表面與后刀面間的摩擦越嚴重,粉末狀切屑對后刀面的研磨作用越強,從而刀具磨損率就越大。在很小的進給量下(小于0.2mm/r)切削時,金剛石刀具發生了不正常的越度密損。這種現象的出現可能是因為金剛石刀具發生了擴散磨粒磨損。工程實際選擇進給量時,應綜合考慮刀具費用、生產率和加工表面質量。
      增加楓床轉速刀,Ra有所減小,但,l對Ra的影響遠沒有進給量,顯著。對SiCp/A1復合材料,表面質量和表面粗糙度在很大程度上受SiC顆粒去除機制的影響,而SiC顆粒的切斷和拔出機制又決定于基體材料應變率,即由切削時SiC顆粒周圍材料的塑性變形決定。一般來說,當主軸轉速增大,基體材料應變率增大,鋁基體難于(來不及)變形,在這種情況下,SiC顆粒就傾向于被切斷而不是被拔出,從而產生的凹坑和裂紋減少,表面粗糙度也較好。


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