凯芙拉纤维复合材料孔加工技术

在凯芙拉复合材料构件中,经常需要加工各种尺寸的通孔、台阶孔和孔口锪窝。凯芙拉纤维复合材料层压板加工难度很大。加工中轻易产生材料分层、抽丝、拉毛、出进口材料隆起、孔表面粗糙、尺寸收缩等加工缺陷。本文探讨了凯芙拉复合材料孔加工技术措施,为凯夫拉复合材料孔加工提供有益的借鉴。

文章来源: 复材在线

    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。加工中轻易产生材料分层、抽丝、拉毛、出进口材料隆起、孔表面粗糙、尺寸收缩等加工缺陷,导致孔四周材料破坏,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,探讨了进步凯芙拉复合材料孔加工质量的技术措施,加工试验取得了满足的效果,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,易于在切削区四周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四周材料施加一定的预压力,进步钻削区及四周材料的刚度,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:设计合适的刀具几何角度参数,使孔四周的纤维快速剪断而不从基体中拉出:选择合适的工艺参数和适当的冷却润滑方式是进步加工质量的保证。

    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四周材料施加预压力,一方面进步了钻削区材料的刚度,改善复合材料的钻削加工性,另一方面增强孔四周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进、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,对进步复合材料的钻孔质量起到了决定性的作用。

图1 钻头工艺装置示意图

        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涂层刀具可大大进步钻头的耐用度。重磨后,由于钻尖和后角的涂层被磨往,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,排屑也较轻易,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°螺旋角的钻头可进步钻孔质量。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四周迅速切削凯芙拉纤维,对进步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,钻孔时中心尖先切进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,能够较轻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进步加工质量有利。在凯芙拉板材上钻孔,当孔径为Ø10~Ø20mm 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,但本钱较高。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Ø20mm 的孔样品,质量完全满足加工装配要求。

    3 凯芙拉复合材料的台阶孔加工技术

    在凯芙拉复合材料的结构连接中,有时需加工出台阶孔。台阶孔的加工除采用图1所示工艺装置外,必须采用专用的刀具。台阶孔的加工既可利用复合刀具,也可利用硬质合金平底中心钻和通孔钻分两次完成。
如图2所示复合扩孔钻,前部分是通孔钻头,后部分为平底扩孔钻。前部分用于钻小孔,后部分用于把孔扩大,从而形成门路的台阶孔。后部端面刀刃在最外侧两点要高于内侧1mm,先切断凯芙拉纤维以便形成光滑孔壁,为了使其刀具锋利,端面两主切削刃的前角取20°~25°,后角取10°~15°。该复合扩孔钻制造比较复杂,刀具成本高。 

图2 复合钻

如图3所示为硬质合金平底中心钻,可用来加工盲孔或平底浅孔。钻头有垂直于中心线的两个主切削刃(2Ø=180°),圆周上有两个沉割刃,两个沉割刃的尖部高出主切削刃口1mm,起划圆切断孔壁纤维的作用。中心部分的钻尖有四个刃,即是圆锥形成的对称的四个刃,其尖部高出主切削刃2~3mm,起定心作用。两个主切削刃,两个沉割刃及中心部分的钻尖均用硬质合金镶成。使用该中心钻,可先加工出台阶,然后在此基础上再加工出通孔形成台阶孔,加工过程中只更换刀具,压紧力不松开,这种刀具制造较轻易,硬质合金刀具寿命较长,只是加工效率较低。

图3 平底钻

 4 孔口锪窝加工
    凯芙拉复合材料构件在安装时,为了避让焊接螺栓或四周根部的焊逢,通常在贴近钢板一侧的孔口进行锪窝。图4所示为锪窝加工示意图。孔口锪窝刀具可用图中所示的带导柱的锪窝锪钻。为取得良好的加工质量,刀具刃口在保证其强度和散热性的条件下越锋利越好。一般取前角g0>20°,后角a0=10°~15°,圆环压块的内部外形与图1中有区别,考虑与锪钻锥面相适应。

图4 锪钻

5 结论
    立足传统加工方法,针对凯芙拉复合材料的结构和机械性能特点,通过巧妙地设计工艺装置给材料施加预压力以改善材料的切削性能,选择合适的加工工艺参数和刀具几何角度,完全可以达到理想的加工效果。本文提供的加工方法经济实用,便于现场加工。

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