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碳纖維增強樹脂基復合材料(CFRP)是在碳纖維上層疊多層浸漬了環(huán)氧樹脂的片材(預浸材),然后加熱加壓制成的。因此在切削時容易出現(xiàn)的問題是預浸材之間和纖維之間出現(xiàn)分層和劈裂。解決了這些問題,開始面向摩托車和汽車策劃、設計和生產CFRP部件的是日本東京R&D公司(總部:東京)(圖1)。
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圖1:日本東京R&D的加工實例和使用的機床
主要面向摩托車和賽車加工CFRP部件,從部件的提案到設計、成形、加工提供一條龍服務。左圖為發(fā)動機上的導流部件——通風筒的加工實例。CFRP切削使用的加工中心是山崎馬扎克的“VTC-200B”(右圖)和發(fā)那科的“ROBODRILL α-T14iAL”。
過去只有一級方程式賽車(F1)及MotoGP等賽車的零部件對CFRP存在需求。每種賽車零部件需要的個數(shù)都很少。因此,與其用昂貴的夾具機械切削,不如用旋轉工具人工切削成本更低。東京R&D從15年前就開始積累機械切削CFRP的技術經驗,但此前都不大有用武之地。 內容來自123456
東京R&D制造部部長白巖一行表示“但最近1~2年,形勢大大改變”。因為不僅是賽車,量產型汽車也開始采用CFRP。
重要的“工具材質”
東京R&D的優(yōu)勢在于切削面的品質高。圖2是該公司制造的回紋針樣品。大小跟500日元硬幣差不多,仔細觀察發(fā)現(xiàn)厚度方向上有三層。整體厚度為900μm,每層相差300μm。這么微細的加工也沒出現(xiàn)分層和殘留,表面粗糙度僅Ra1.6μm。另外,該公司的其他部件有的表面粗糙度僅Ra0.4μm。 內容來自123456
圖2:通過微細加工也能實現(xiàn)平滑的切削面
這是制造的回紋針樣品。厚度為900μm,設有300μm的高度差。這么微細的加工也很光滑,表面粗糙度僅Ra1.6μm。加工時間為3分鐘。
據(jù)東京R&D介紹,切削CFRP主要有三大技巧。即[1]根據(jù)切削部位區(qū)別使用工具,[2]根據(jù)部位調整工具的旋轉方向和轉速以及進刀方向和速度,[3]合理設定切削程序。下面逐條來介紹。
首先是[1]區(qū)別使用工具,了解什么樣的工具適合什么樣的切削至關重要。
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圖3:CFRP加工中使用的部分工具
上面的兩個是通過CVD(化學氣相沉淀)涂布了金剛石的超硬合金立銑刀,屬于市售工具。下面兩個是電沉積了金剛石砂粒的工具,是在工具廠商協(xié)助下自制的工具。
2]工具的旋轉和進刀方面,加工CFRP特別需要注意的是工具的旋轉方向和進刀方向。因為由預浸材層疊而成的CFRP具有各向異性。
圖4表示切削采用了UD預浸材(僅一個方向配備了碳纖維)的CFRP時的工具旋轉方向和進刀方向。工具的刀刃順時針方向旋轉時,在刀刃遠離工件的部分,刀刃沿著上挑纖維的方向移動。因此,這一部分容易出現(xiàn)分層。于是,從右向左進刀,刀刃對著工件始終在壓著纖維的方向上移動。這樣,就可以防止分層。 本文來自123
圖4:加工UD(單方向)預浸材的CFRP時的刀具旋轉方向和進刀方向
圖為俯視工件和工具的狀態(tài)。在CFRP切削中,工具的旋轉方向與進刀方向的關系非常主要。之所以容易分層,是因為在刀刃遠離工件的部分,刀刃沿著從工件上上挑纖維的方向移動。這時,如果從右向左進刀,刀刃就會沿著始終壓著纖維的方向移動,能夠避免分層。
雖然道理很簡單,但要不斷積累這么精細的技巧才能實現(xiàn)平滑的切削面。不過,該公司未公布具體的工具轉數(shù)和進刀速度。
下料量也有講究
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