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CFRP加工切削面表面粗糙度僅Ra0.4μm,既無(wú)分層也

文章出處:網(wǎng)絡(luò)責(zé)任編輯:管理員人氣:發(fā)表時(shí)間:2015-09-24【

碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料(CFRP)是在碳纖維上層疊多層浸漬了環(huán)氧樹(shù)脂的片材(預(yù)浸材),然后加熱加壓制成的。因此在切削時(shí)容易出現(xiàn)的問(wèn)題是預(yù)浸材之間和纖維之間出現(xiàn)分層和劈裂。解決了這些問(wèn)題,開(kāi)始面向摩托車(chē)和汽車(chē)策劃、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)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(shí)例和使用的機(jī)床

主要面向摩托車(chē)和賽車(chē)加工CFRP部件,從部件的提案到設(shè)計(jì)、成形、加工提供一條龍服務(wù)。左圖為發(fā)動(dòng)機(jī)上的導(dǎo)流部件——通風(fēng)筒的加工實(shí)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(guò)去只有一級(jí)方程式賽車(chē)(F1)及MotoGP等賽車(chē)的零部件對(duì)CFRP存在需求。每種賽車(chē)零部件需要的個(gè)數(shù)都很少。因此,與其用昂貴的夾具機(jī)械切削,不如用旋轉(zhuǎn)工具人工切削成本更低。東京R&D從15年前就開(kāi)始積累機(jī)械切削CFRP的技術(shù)經(jīng)驗(yàn),但此前都不大有用武之地。  內(nèi)容來(lái)自123456

東京R&D制造部部長(zhǎng)白巖一行表示“但最近1~2年,形勢(shì)大大改變”。因?yàn)椴粌H是賽車(chē),量產(chǎn)型汽車(chē)也開(kāi)始采用CFRP。 


重要的“工具材質(zhì)” 

東京R&D的優(yōu)勢(shì)在于切削面的品質(zhì)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(xì)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(xì)的加工也沒(méi)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(nèi)容來(lái)自123456

圖2:通過(guò)微細(xì)加工也能實(shí)現(xiàn)平滑的切削面

這是制造的回紋針樣品。厚度為900μm,設(shè)有300μm的高度差。這么微細(xì)的加工也很光滑,表面粗糙度僅Ra1.6μm。加工時(shí)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(diào)整工具的旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速以及進(jìn)刀方向和速度,[3]合理設(shè)定切削程序。下面逐條來(lái)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(guān)重要。 

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比如,切削CFRP主要使用超硬合金工具,而超硬合金工具也分有金剛石涂層的和無(wú)金剛石涂層的。據(jù)該公司制造部機(jī)械加工組組長(zhǎng)國(guó)益徹也介紹,要想實(shí)現(xiàn)平滑的切削面,關(guān)鍵在于工具的“鋒銳度”。國(guó)益介紹說(shuō):“無(wú)金剛石涂層的工具在鋒銳度方面更為出色,但缺點(diǎn)是磨損得快。關(guān)鍵是如何使用短壽命工具實(shí)現(xiàn)平滑的切削面”。 

順便一提,東京R&D還在工具廠商的幫助下開(kāi)發(fā)出了將金剛石砂粒電沉積在機(jī)械構(gòu)造用碳鋼(S45C)上的自制工具(圖3)。  copyright 123456

 

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圖3:CFRP加工中使用的部分工具

上面的兩個(gè)是通過(guò)CVD(化學(xué)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(gè)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(zhuǎn)和進(jìn)刀方面,加工CFRP特別需要注意的是工具的旋轉(zhuǎn)方向和進(jìn)刀方向。因?yàn)橛深A(yù)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(yù)浸材(僅一個(gè)方向配備了碳纖維)的CFRP時(shí)的工具旋轉(zhuǎn)方向和進(jìn)刀方向。工具的刀刃順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)時(shí),在刀刃遠(yuǎn)離工件的部分,刀刃沿著上挑纖維的方向移動(dòng)。因此,這一部分容易出現(xiàn)分層。于是,從右向左進(jìn)刀,刀刃對(duì)著工件始終在壓著纖維的方向上移動(dòng)。這樣,就可以防止分層。  本文來(lái)自123
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圖4:加工UD(單方向)預(yù)浸材的CFRP時(shí)的刀具旋轉(zhuǎn)方向和進(jìn)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(zhuǎn)方向與進(jìn)刀方向的關(guān)系非常主要。之所以容易分層,是因?yàn)樵诘度羞h(yuǎn)離工件的部分,刀刃沿著從工件上上挑纖維的方向移動(dòng)。這時(shí),如果從右向左進(jìn)刀,刀刃就會(huì)沿著始終壓著纖維的方向移動(dòng),能夠避免分層。 

雖然道理很簡(jiǎn)單,但要不斷積累這么精細(xì)的技巧才能實(shí)現(xiàn)平滑的切削面。不過(guò),該公司未公布具體的工具轉(zhuǎn)數(shù)和進(jìn)刀速度。 

下料量也有講究 

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3]切削程序方面,也需要下細(xì)工夫。為了淺顯易懂地說(shuō)明重點(diǎn),筆者將比較由芳輪纖維與碳纖維交織的片材層疊而成的復(fù)合材料的切削程序與普通CFRP的切削程序。 

以兩種材料都開(kāi)直徑10mm的孔為例。普通CFRP在粗加工時(shí)首先從直徑10mm中切掉中心直徑9.8mm。然后,用合適的工具精加工剩下的下料(厚度為100μm的中空?qǐng)A筒)。 

而上述的復(fù)合材料在粗加工時(shí)切掉比CFRP小的直徑,保留更多下料。并且,通過(guò)精加工,一下去掉剩余的厚度。因?yàn)檫@樣的話,芳輪纖維“發(fā)粘,容易出現(xiàn)殘留”(國(guó)益)。這樣的材料最好多留下料,一下切掉。 
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這里比較了復(fù)合材料和CFRP,但CFRP也有很多種,因此可以采用同一方法。除材料特性外,根據(jù)板厚和加工形狀分配粗加工和精加工也非常重要。 

東京R&D計(jì)劃利用這些經(jīng)驗(yàn),打入量產(chǎn)摩托車(chē)和汽車(chē)零部件市場(chǎng),同時(shí)擴(kuò)大飛機(jī)領(lǐng)域的業(yè)務(wù)。

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