凯芙拉纤维复合材料的孔加工技术.doc

凯芙拉纤维复合材料的孔加工技术 摘要：分析了凯芙拉纤维增强聚合物基复合材料的组织结构特点和物理机械性能，针对复合材料在孔加工过程中产生各种加工缺陷的原因，提出一种立足传统加工方法且经济实用的孔加工技术，并给出相应的加工工艺装备简图，加工实验取得令人满意的效果，具有实用和推广价值。 在凯芙拉复合材料构件的连接中，机械连接占据主要的地位，因此往往需要在复合材料构件上加工出大量的紧固件孔，包括各种尺寸的通孔、台阶孔和孔口锪窝。凯芙拉纤维韧性、抗拉强度高，但复合材料层压板的层间剪切强度低，纤维与基体的粘接强度远低于纤维的抗拉伸强度，这些给加工带来了很大的困难。加工中容易产生材料分层、抽丝、拉毛、出入口材料隆起、孔表面粗糙、尺寸收缩等加工缺陷，导致孔周围材料破坏，影响了复合材料的连接强度，造成事故隐患。为此，针对凯芙拉复合材料的组织结构及物理机械性能，考虑加工技术的实用性和经济性，既立足传统的加工方法，又有别于金属材料加工，探讨了提高凯芙拉复合材料孔加工质量的技术措施，加工试验取得了满意的效果，为新材料的推广应用打下了良好的基础。 1 凯芙拉复合材料加工工艺性分析凯芙拉复合材料的性能特点：各向异性，纤维拉伸强度高、韧性大、层间剪切强度低，材料的导热性差且纤维和树脂的热膨胀系数差距很大。当切削温度较高时，易于在切削区周围的纤维与基体界面产生热应力，而且当温度过高时，使树脂熔化粘在切削刃上，导致加工和排屑困难，因此凯芙拉复合材料属于难加工非金属复合材料，其加工机理与金属材料完全不同。巧妙地设计钻孔工艺装备，通过夹紧装置给复合材料钻削区及周围材料施加一定的预压力，提高钻削区及周围材料的刚度，改善复合材料的切削加工性，使复合材料在受压状态下切削是保证孔加工质量、防止拉丝、拉毛的关键：合理设计刀具几何角度参数，使孔周围的纤维快速剪断而不从基体中拉出：合理选择工艺参数和适当的冷却润滑方式是提高加工质量的保证。图1 钻头工艺装置示意图 2 凯芙拉复合材料通孔加工技术钻孔工艺装置 对于金属材料，我们通常采用热处理方法来改善材料的切削加工性。而对于纤维增强复合材料我们可以通过工艺装置来给材料施加一定的预压力来改善切削加工性。如图1所示的工艺装置是保证凯芙拉复合材料钻孔质量的关键。 该工艺装置的作用是：通过圆环压块及上压板给复合材料钻削区及周围材料施加预压力，一方面提高了钻削区材料的刚度，改善复合材料的钻削加工性，另一方面增强孔周围纤维和基体的粘接强度，防止孔壁抽丝、拉毛。上压板和下支撑板的作用是改善材料的钻入、钻出条件，防止材料隆起、退让和剥离。上压板和下支撑板的材料可用胶木板、硬塑料板或木板等。加工实验表明，该工艺装置，尤其通过圆环压块均匀施压，对提高复合材料的钻孔质量起到了决定性的作用。钻孔刀具 钻孔实验表明，采用如图1所示的工艺装置后，只要通过夹紧装置给圆环压块施加足够的压紧力，使用普通的高速钢标准麻花钻即可加工符合要求的孔。但综合考虑刀具耐用度、钻孔效率等因素，选用硬质合金钻头更为有利，使用TiC或TiN涂层刀具可大大提高钻头的耐用度。重磨后，由于钻尖和后角的涂层被磨去，钻削速度须降低20%左右。钻头的几何参数及 刃磨效果对钻孔质量有较大影响。较大的螺旋角使钻头的前角增大，切削扭矩和轴向力减少，切削轻快，排屑也较容易，可减少分层和拉毛等缺陷发生。在保证钻头强度的条件下，采用b=25°～30°螺旋角的钻头可提高钻孔质量。对主切削刃和横刃进行修磨，使刃口保持锋利，使钻头能够沿孔径的周围迅速切削凯芙拉纤维，对提高加工质量也十分有利。曾尝试把钻头刃磨成三尖两刃型式，修磨后钻头中心高出两外刀刃1mm，钻孔时中心尖先切入复合材料后起定心作用，当两外刀尖接触复合材料时划圆切割，依靠它的锋利刀尖，能够较容易地切断凯芙拉纤维，使孔壁光滑无拉毛现象。钻孔工艺参数及冷却方式 钻孔工艺参数主要是指钻削速度v和进给量f。较高的钻削速度对迅速切断纤维防止抽丝拉毛有利，但转速太高会影响钻头的使用寿命，过高的切削温度会使基体树脂熔化而粘在刀刃上使切削变得困难。复合材料的层间强度低，进给量增大将使钻削轴向力增大，导致材料分层和剥离，因此采用较小的进给量对提高加工质量有利。在凯芙拉板材上钻孔，当孔径为?10～?20mm 范围内，取v=30～45m/min，f=0.02～0.05mm/r时，钻孔质量较好。 凯芙拉复合材料钻孔的冷却方式有以下三种，即压缩空气、水、液态氮。采用压缩空气冷却会使纤维切屑吹起，污染空气，对身体有害，尽量不采用。水对复合材料没有污染，加工中可大大降低切削区温度，在材料性能许可的情况下可优先采用。液态氮冷却可得到较好的加工效果，但成本较高。作者采用上述工艺装置，使用标准麻花钻，使用水冷却加工出的?20mm 的孔样品，质量完全满足加工装