金刚石刀具解决碳纤维复合材料切削加工难题

 作者:伞齿轮    |      2019-10-09 04:19

  碳纤维增强复合材料具有较高的比强度、比刚性,是以碳纤维或碳纤维织物为增强体,以树脂、陶瓷、金属、水泥、碳质或橡胶等为基体所形成的复合材料,轻量化效果十分明显,在航空航天、汽车行业、军工产品中得到广泛应用。但是对碳纤维复合材料的切削加工有一定的难度,本文对如何选择刀具解决碳纤维复合材料的切削加工难题进行探讨。

  一、碳纤维复合材料的分类

  碳纤维复合材料可从以下两个方面进行分类:

  (1)根据碳纤维的力学性能可分为高模量,超高模量,高强度和超高强度4种,常用的有碳纤维增强复合材料(CFRP)、碳纤维增强陶瓷基复合材料、碳\碳复合材料、碳纤维增强金属基复合材料、碳纤维增强树脂复合材料等。

  (2)根据原丝的类型可分为聚丙烯腈基碳纤维(PAN)、纤维素基碳纤维(粘胶基碳纤维)、沥青基碳纤维、酚醛基碳纤维等。

金刚石刀具解决碳纤维复合材料切削加工难题

  碳纤维复合材料应用

  二、碳纤维复合材料切削加工难题

  为什么说碳纤维复合材料难加工呢?是因为碳纤维复合材料在加工过程中,树脂与纤维存在复杂的内部相互关系,往往会出现碳纤维拉丝或者脱离,并且碳纤维复合材料具有较高的耐热性和耐磨性,在加工过程中会产生大量的切削热以及磨损,对加工设备的要求也很高。碳纤维方向30°、60°、90°是最关键的方向,它们会导致大的切削力集中磨损,碳纤维复合材料难加工的一个主要原因就是对刀具的磨损非常严重,而且磨损很快,磨损主要分为刀尖磨损、刀具侧面磨损、刀具边缘磨损;另外,切削工艺参数也会显著影响到刀具的磨损。

  三、如何选择刀具材质加工碳纤维复合材料?

  碳纤维复合材料加工刀具材质与硬质合金、金刚石涂层刀具、聚晶金刚石(PCD)刀具。

  (1)硬质合金刀具采用YG类添加TaC或NbC超细颗粒硬质合金,此类材质刀具耐热性和抗氧化性好,但加工碳纤维复合材料时,刀具磨损严重,零件外表面粗糙有撕裂痕迹,切削加工中需要频繁换刀、磨刀,加工效率低,对操作者的要求高、质量不稳定,不能满足产品的批量生产要求。

  (2)金刚石涂层刀具是在硬质合金整体刀具或PCD刀片的基体上做金刚石涂层,可使切削刃耐磨性更高,不仅拥有金刚石的高硬度和耐磨性,而且能在较长的加工周期内保持原有刀具的几何结构,保证加工效果。

  (3)聚晶金刚石刀具是目前加工碳纤维复合材料较为理想的刀具,聚晶金刚石PCD的硬度可达9000HV,是硬质合金的4~6倍,具有很高的耐磨性(是硬质合金的几百倍),如华菱超硬CDW010材质,具备优异的耐磨性,同时保持锋利的刃口,可有效地切断纤维,保证较高的表面光洁度,减少刃磨刀具、抛光等辅助时间,减轻操作者的劳动强度,大大提高生产效率。

金刚石刀具解决碳纤维复合材料切削加工难题

  华菱超硬PCD刀具牌号性能

  四、金刚石刀具解决碳纤维复合材料切削加工难题

  由于纤维材料和金属材料的机械性能有很大的差别,容易在加工过程中出现毛刺、分层断裂等缺陷,所以在加工航天航空行业内的零配件时,聚晶金刚石(PCD)刀具要比传统的碳化钨硬质合金刀具获得更高的加工质量。

  (1)碳纤维复合材料钻孔刀具

  华菱超硬研发的碳纤维复合材料钻孔刀具有:金刚石钻头、金刚石钻铰刀、金刚石麻花钻、金刚石阶梯钻及非标金刚石钻头等,采用进口PCD片材为切削刃,具有很好的耐磨性能,以碳化钨硬质合金为基体,硬质合金基体具有很好的刚性和尺寸精度,能够确保钻孔铣削的加工质量,并设计内冷(内部螺旋冷却)通道提高冷却性能,钻头螺旋式排屑槽可提高排屑性能,进而提高加工效率,这对碳纤维复合材料的钻孔加工是非常重要的。

  华菱超硬碳纤维复合材料钻孔刀具可进行多刃口设计,并且可根据具体加工情况调整角度及锋利度,在复合材料上进行孔加工时,减少钻头的切削力,可避免材料分层现象,锋利的切削刃部能够保证孔的良好质量;钻铰锪一体刀具,钻孔和锪窝一次完成,省略了用常规钻头和铰刀加工时所需要的退刀、换刀和转位,可以大大提高加工效率。

金刚石刀具解决碳纤维复合材料切削加工难题

  华菱超硬PCD钻头

  (2)碳纤维复合材料铣削刀具

  华菱超硬推出的碳纤维复合材料铣削刀具有:金刚石铣刀片及配套铣刀盘、金刚石立铣刀、金刚石螺旋立铣刀、金刚石单刃铣刀、金刚石双刃铣刀、金刚石球头铣刀以及非标金刚石铣刀等,华菱超硬金刚石铣刀的优势在于规格齐全、非标定制可快速交货,并能够根据样品效果快速进行改进提升;另一优势在于其具备内冷性能,在对CFRP碳纤维增强复合材料板材进行铣削加工时,在压缩空气的作用下,内冷孔可以促进CFRP碳纤维增强复合材料切屑经铣刀螺旋排屑槽快速排出;在对CFRP\钛层叠板材料进行加工时,可以通过密封的内部冷却通道进行冷却润滑,在促进润滑的同时还可以降低在钛材料加工中形成的高热,因为这种材料的热传导率较低,而金刚石PCD刀具的切削温度不宜过高(600°以内为佳)。

金刚石刀具解决碳纤维复合材料切削加工难题

  华菱超硬pcd铣刀

  (3)碳纤维复合材料车削刀具

  华菱超硬推出的碳纤维复合材料车削刀具有:金刚石刀片、金刚石车刀以及非标金刚石刀具等,车削加工是在CFRP碳纤维增强复合材料加工中应用非常多的方法也是很基础的方法,通常适用于圆柱表面预定公差的实现。适合车削碳纤维复合材料可以应用的刀具主要材料为:硬质合金或陶瓷以及聚晶金刚石。加工工艺中进刀速率,吃刀深度,和切削的速度都会影响工件成品表面质量和道具损坏程度,这也是进行技术优化的目标方向。

金刚石刀具解决碳纤维复合材料切削加工难题

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