【原】超硬材料在碳纖維復合材料加工中的應用與發展機遇

DT_Carbontech 2021-09-15

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航空、航天、交通等領域高端裝備是國家制造水平和綜合實力的集中體現，碳纖維復合材料（CFRP）可以為高端裝備減重增效，具有非同尋常的戰略意義。然而這種材料是典型的難加工材料，在加工過程中極易產生毛刺、撕裂、分層等加工損傷，難以滿足碳纖維復合材料構件的高性能要求，制約了這種高性能材料的推廣應用，限制了裝備性能的提升。

碳纖維復合材料的加工難點

碳纖維具有更高的強度，更輕的重量，被稱為新材料之王，兼具碳材料強抗拉力和纖維柔軟可加工性兩大特征，是一種的力學性能優異的新材料。和我們常見的鋼材對比，碳纖維的強度在 400 到 800 兆帕左右，而普通鋼材的強度為 200 到 500 兆帕。再看韌性，碳纖維和鋼材基本類似，沒有明顯的區別。

碳纖維增強復合材料（CFRP）具有各向異性，在加工過程中，基體和纖維存在較為復雜的內部相互作用，使其物理特性與金屬有較大區別，CFRP密度遠小于金屬，而強度大于絕大部分金屬。因為 CFRP 的不均勻性，在加工過程中往往會出現纖維拉出或基質纖維的脫離、毛刺、纖維撕裂、分層、崩等加工缺陷，嚴重影響了工件的強度和疲勞壽命；另外，CFRP 具有較高的耐熱性和耐磨性，使其在加工過程中對設備的要求較高，切削力在工件分層處引起基體的裂，高速切削和材料本身的低導熱性能產生的溫會引起樹脂的溶解等。切削力和切削溫度也會直接影響刀具的使用壽命，并且影響工的表面完整性。因此，碳纖維復合材料的高性能加工至關重要！

CFRP切削機理研究

CFRP屬典型難加工材料，切削加工過程除了受刀具參數和加工參數的影響，而且更受增強纖維和樹脂基體性能的影響，與金屬材料切削機理截然不同。CFRP的切削機理主要研究切削參數和刀具參數對切削力?切削熱?刀具磨損和已加工表面質量的影響規律

CFRP屬典型難加工材料，切削加工過程除了受刀具參數和加工參數的影響，而且更受增強纖維和樹脂基體性能的影響，與金屬材料切削機理截然不同。CFRP的切削機理主要研究切削參數和刀具參數對切削力?切削熱?刀具磨損和已加工表面質量的影響規律。

1、纖維取向

纖維的脆性斷裂是CFRP切屑形成的主要形式，切屑呈小段粉末狀。CFRP切屑形成是纖維斷裂和基體材料破壞相互交織的過程，切斷形式與切削方向和纖維方向的夾角θ(纖維方向角)有關。

CFRP 工件和刀具接觸面的斷裂是由刀尖所施加的壓力導致的。在多種纖維取向方面，共有3 種切削機理：

（1）θ 為 0°時，被切削部分在刀具作用下發生層間分離，被切削部分被掀起并發生斷裂形成切屑;

（2）0° ＜ θ≤90°時，纖維受剪切應力發生剪切斷裂，同時沿纖維方向發生層間剪切斷裂，形成切屑;

（3）90° ＜ θ ＜ 180°時，纖維受刀具彎曲作用，在纖維底部發生彎曲折斷

2、切削力

在CFRP切削過程中，纖維材料強度硬度高，切削力大，直接影響到切削熱?刀具磨破損和加工表面質量，因此，研究切削力是研究CFRP切削機理的重點。

采用傳統的硬質合金麻花鉆加工碳纖維復合材料時，由于碳纖維與樹脂兩種材料性能的巨大差異，且材料為層鋪結構，在切削軸向力的作用下，可能導致孔入口、出口處形成各種各樣的缺陷。當作用在材料層間的軸向力大于層間強度時，材料發生分層現象，材料表面形成撕裂缺陷，未被切斷的纖維形成毛刺缺陷。

3、切削熱

切削加工 CFRP 的切削熱一方面來自纖維斷裂和切削基體所消耗的功；另一方來自切屑對前刀面的摩擦和后刀面與回彈纖維的摩擦所消耗的功 ? 切削熱的存在會加速刀具磨損, 縮短刀具壽命。

此外，切削力及切削熱是導致復合材料加工缺陷產生的主要原因。CFRP 的切削過程是碳纖維斷裂和基體材料去除的復雜過程，工件和切削刀具之間摩擦升溫，甚至引起刀具高溫軟化或分解。CFRP 導熱性較差，所以在切削過程禁止使用冷卻液，致使產生的切削熱不能快速散出，從而將熱量傳到切削刀具上，加劇了切削設備的磨損，使其使用壽命大打折扣，同時使工件的表面熱量更加劇，影響復合材料表面成型，降低了復合材料使用中的性能。復合材料切削熱的研究主要集中在切削溫度的測量方法上，國內外很多學者采用紅外測溫儀、熱像儀或者埋入熱電偶等方式對碳纖維復合材料的切削溫度進行測量研究。

刀具磨損機理

刀具磨損機理CFRP 屬于難加工材料，主要原因是其對刀具的磨損非常迅速。加工進程中對刀具的磨損機理為：工件在刀具上被加工時，二者表面接觸大，在加工過程中，長期的磨損，震動，使刀具上的硬質顆粒偶有脫離，從而形成了所謂的刀具磨損。

磨損類型大致可分為刀具破壞和磨損，按照磨損的位置不同，磨損又可分為刀尖磨損、刀具側面磨損、刀具邊緣破壞和邊緣磨損。

影響刀具磨損的因素有很多，主要包含：加工工藝參數、刀具幾何形狀和材料等。在 CFRP 切削過程中，工藝參數（如切削速度、進給速度、纖維取向等）會顯著地影響刀具磨損。一般而言，切削速度增加會加劇側面磨損。刀具幾何形狀和材料對加工表面、切屑形成、切削力和刀具磨損有著顯著的影響。

碳纖維復合材料具有較高的硬度、因此加工時應該選用合適的超硬刀具、刀具材料主要有CVD金剛石、PCBN、陶瓷、高性能金屬陶瓷、涂層硬質合金、超細晶粒硬質合金等。

碳纖維復合材料加工方法

1、車削加工

車削是在 CFRP 加工中應用最多的方法也是最基礎的方法，通常適用于圓柱表面預定公差的實現。適合車削可以應用的刀具主要材料為：硬質合金或陶瓷以及聚晶金剛石。加工工藝中進刀速率，所切深度，和切削的速度都會影響工件成品表面質量和道具損壞程度，這也是進行技術優化的目標方向。

2、銑削加工

銑削通常是對成品工件再加工的一種加工方式，要求的加工精度較高，對復雜工件粗加工后的修繕性的銑削過程。在加工過程中，同樣端銑刀和CFRP 之間要進行復雜的相互作用，造成 CFRP 工件存在沒切斷的纖維紗線以及分層現象。為減少和避免類似缺陷產生，只要在加工前期，科學預測切削力和軸分層和未切斷的纖維紗線毛邊的現象時有發生的大小，控制加工工藝參數設置，將有效減少了毛刺毛邊的產生。
主要的工藝參數，如纖維取向、軸向和切向進給速度、切削速度等，都會對工件表面粗糙度產生顯著影響。銑削加工的技術要求：反復實驗纖維取向，軸向和切向進給速度，形成最佳參數，進行銑削加工。

3、鉆孔加工

工件要求螺栓或鉚接裝配時需鉆孔操作，在CFRP 鉆孔過程中仍然存在一定問題：材料的離層現象，刀具的嚴重損耗以及孔內壁的質量問題。經實驗分析，設置的切削參數、鉆頭的幾何形態以及切削的質量對上訴產生的問題均產生明顯影響。通常把損傷區最大直徑和孔徑比率稱為損傷因子，也是表示分層現象的程度，分層因子越大，表示分層問題越為嚴重。

通過實驗可以推理，切削過程中推力和分層現象產生也有相互關系，推削力的大小也可表示分層程度。基于相同的鉆孔材料，不同于其他加工方式，鉆孔加工中切削速率不會給切削力產生很大影響。

在同一切削參數下，與麻花鉆頭相比，參數對復合型特殊鉆頭分層影響較低。對于特殊幾何特征的鉆頭，較大的進給速度和鉆頭直徑可以減少分層，并且不同直徑比鉆孔切削力會隨著直徑比的減小而增大，隨著進給速度的增大而增大。

4、磨削加工

通常在船舶制造，航天工業領域，對 CFRP 的工件質量要求更為苛刻。工件精度和質量都要求在較高加工方式下進行，而磨削加工的施工工藝恰恰符合其制造要求。磨削加工件精度要求十分嚴格，需對已經粗加工的工件進行細磨加工。

磨削加工 CFRP 要比金屬困難和復雜得多，國內外學者也進行了相關研究，設計了一種杯形砂輪，在其內部提供冷卻液對CFRP 進行磨削加工，比較了干式磨削、外部冷卻液磨削和內部冷卻液磨削3種加工方式，結果顯示：內部冷卻液磨削方式加工過程中，附著于砂輪上的基體樹脂明顯減少，砂輪中的磨粒能更有效地磨削纖維且在材料表面不會產生層離或毛刺現象。這種砂輪內部提供冷卻液的方法展示出了更強的冷卻效果，能顯著降低磨削溫度，同時有利于切屑的排出。

5、超聲振動加工技術

超聲振動加工技術超聲振動加工機理是建立在傳統加工過程中刀具和工件相對運動的基礎上的，然后在對兩者施加一定的超聲振動，從而生產出性能更優越的復合型材料。該技術屬于對傳統技術的優化和輔助，較傳統加工方式，技術更加先進，成品工件表面質量更加細膩，同時也降低裂紋產生的現象，節省了加工成本。有效減低了CFRP增強復合材料的加工難度，超聲波的應用，徹底改善了材料去除機理，降低工具和工件相互的摩擦力，減少了工具加工時間，增強了刀具作用力，提高了加工效率，減少了刀具磨損，使工件加工的精度和質量更先進。主要有超聲振動鉆孔加工、超聲振動磨削加工、超聲振動銑削加工，超聲振動切削加工。

刀具的選擇

1、刀具材料的研究

由于CFRP的切削加工朝著高精度?高速?干切削的方向發展，因此對刀具材料提出高硬度?耐熱?耐磨?抗粘結的要求?傳統的各種刀具材料都難以滿足該要求，尋找更適合的刀具材料以滿足CFRP長時間的穩定高速切削成為趨勢?

巴西的J.RFerreira等人研究刀具材料對CFRP切削的影響，采用車削方式，試驗包括陶瓷?硬質合金?立方氮化硼(CBN)和聚晶金剛石等不同刀具材料，結果表明聚晶金剛石刀具具有非常高的耐磨性，特別適合CFRP等的高速切削加工?龔清洪等人的試驗表明：CVD(化學氣相沉積)金剛石涂層刀具對CFRP的切削性能優于聚晶立方氮化硼刀具和硬質合金刀具?肯納金屬公司研究發現金剛石涂層刀具比未涂層刀具的壽命提高10倍，且12μm涂層刀具有最佳的壽命價格比?

金剛石具有很高的硬度和彈性模量?良好的導熱性?很小的熱膨脹系數?低摩擦系數以及較低的斷裂韌性，除斷裂韌性不足外，金剛石是良好的超硬刀具材料?聚晶金剛石(PCD)刀具有釬焊PCD刀片?在切削刃處燒結PCD和金剛石涂層等?隨著CVD?PVD(物理氣相沉積)技術在硬質涂層的應用發展，金剛石涂層可以大大改善刀具的切削性能?與PCD比，CVD膜金剛石有更高的耐磨強度?更好的熱傳導性?更長的使用壽命?更低的造價，但CVD涂層較厚，降低了切削刃的鋒利性，甚至會使切削刃的幾何形狀發生偏離?而PCD刀具在斷裂強度方面占有優勢，近年發展的PVD涂層技術相比CVD涂層技術，具有沉積溫度低?不影響基體材料強度?涂層光滑?抗裂紋擴展能力強?環保等優點?

2、刀具結構及幾何參數的研究

CFRP加工中需解決的主要問題是切削熱和分層的問題?合理地選擇刀具的結構和幾何參數，可以減小切削力，利于斷屑?排屑，減少磨損，減少切削熱的產生，降低零件表面粗糙度?CFRP在鉆孔時的粉末狀切屑主要集中在鉆頭的磨料層?鉆孔時，這些切屑對材料進行研磨，產生的大量熱無法及時散發，加速了鉆頭的磨損，降低了鉆頭壽命?大連輕工業學院的張偉等人對帶錐體的電鍍金剛石鉆頭與硬質合金導向鉆頭合成的復合鉆進行研究發現：金剛石耐磨的特性能提高鉆頭的壽命;而采用分屑槽結構則可以像麻花鉆的螺旋槽一樣容屑?排屑，使熱量及時散發，延長了刀具的使用壽命?

另外有的鉆頭采用中心直刃鉆尖設計，可以防止孔口出現撕裂;有的鉆頭采用八面體鉆尖結構，其鉆尖副切削角具有自定位功能，且有更多的刀刃同時參與切削，延長了刀具壽命;還有一種雙刃帶結構的定心階梯鉆頭，可以提高鉆削精度?

目前銑削時常用螺旋刃立銑刀或直刃刀具，它們的切削刃都比較長，也不鋒利，增大了切削時的阻力，刀具更容易磨損?為此，研究人員將切削刃變短?變多，不僅使切削刃鋒利，而且大大降低了切削阻力，這種新型的“魚鱗式”銑刀在高速切削時，可以達到以銑代磨的效果?此外，為解決復合材料層間剪切強度低，銑削時產生層間分層的問題，人們將銑刀的側刃采用左右對稱雙螺旋刃結構，很好地避免了分層或抽絲的現象?尖銳的刀具切削角是減少切削熱的關鍵之一，建議刀具采用大正前角，以減小切削力，最大限度地減少發熱?適當增大刀具后角，防止刀具切削刃與工件摩擦發熱，增大刀尖圓弧，以改善散熱?為防止產生層間剝離，銑刀和鉆頭宜采用雙向螺旋式結構。

總之，開發新型切削工具與加工工藝以及探索復合材料加工損傷機理至關重要！

行業活動

基于此，第六屆國際碳材料大會暨產業展覽會（Carbontech 2021）舉辦超精密加工技術研討會，特邀碳纖維行業、超硬材料領域專家、知名企業、相關應用單位共同探討超硬刀具在碳纖維復合材料的應用與技術解決方案。

2021年11月18-20日上海跨國采購會展中心

1、航空航天高端裝備中的碳纖維復合材料構件加工面臨的難題和挑戰

2、碳纖維復合材料高質高效加工技術與裝備

3、纖維增強復合材料、碳碳復合材料的性能與加工質量要求

4、高性能碳纖維復合材料構件低損傷加工成套工藝和解決方案

5、碳纖維復合材料切削機理、加工損傷機理、加工去除機理、加工損傷產生機制

6、高性能切削策略：切削條件與刀具結構、材料的合理選擇

7、新型高效切削技術與工具設計與研發：如何降低刀具磨損和提高加工質量

8、切削、鉆削工藝參數優化：切削性能、晶粒尺寸、元素含量、失效分析、磨損機理分析