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CFRP加工切削面表面粗糙度僅Ra0.4μm,既無分層也

文章出處:網絡責任編輯:管理員人氣:發表時間:2015-09-24【

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的問題是預浸材之間和纖維之間出現分層和劈裂。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,仔細觀察發現厚度方向上有三層。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。

據東京R&D介紹,切削CFRP主要有三大技巧。即[1]根據切削部位區別使用工具,[2]根據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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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金剛石涂層的。據該公司制造部機械加工組組長國益徹也介紹,要想實現平滑的切削面,關鍵在于工具的“鋒銳度”。國益介紹說:“無金剛石涂層的工具在鋒銳度方面更為出色,但缺點是磨損得快。關鍵是如何使用短壽命工具實現平滑的切削面”。 

順便一提,東京R&D還在工具廠商的幫助下開發出了將金剛石砂粒電沉積在機械構造用碳鋼(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
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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。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平滑的切削面。不過,該公司未公布具體的工具轉數和進刀速度。 

下料量也有講究 

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3]切削程序方面,也需要下細工夫。為了淺顯易懂地說明重點,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合材料的切削程序與普通CFRP的切削程序。 

以兩種材料都開直徑10mm的孔為例。普通CFRP在粗加工時首先從直徑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的中空圓筒)。 

而上述的復合材料在粗加工時切掉比CFRP小的直徑,保留更多下料。并且,通過精加工,一下去掉剩余的厚度。因為這樣的話,芳輪纖維“發粘,容易出現殘留”(國益)。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計劃利用這些經驗,打入量產摩托車和汽車零部件市場,同時擴大飛機領域的業務。

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