復(fù)合材料薄壁曲面件一次成型加工技術(shù)研究

陳晨

摘要：從復(fù)合材料薄壁曲面件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、加工難點(diǎn)入手，在無加工經(jīng)驗(yàn)可借鑒的情況下，探索復(fù)合材料薄壁曲面件一次成型加工技術(shù)，并對(duì)刀具與編程技術(shù)進(jìn)行研究，該新加工技術(shù)有效保證了復(fù)合材料薄壁曲面件的加工質(zhì)量，同時(shí)使加工效率提升，已推廣至多類敷制產(chǎn)品的生產(chǎn)加工中。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料薄壁曲面件;一次成型;加工技術(shù)

中圖分類號(hào)：TG75? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）02-0084-02

0? 引言

纖維復(fù)合材料是目前最先進(jìn)的復(fù)合材料之一，具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、剛度大、隔熱減震、耐沖擊等特點(diǎn)，是當(dāng)前高強(qiáng)輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的翹楚，廣泛應(yīng)用于航空航天、列車、船舶等領(lǐng)域。在飛機(jī)制造業(yè)的應(yīng)用中尤為突出，復(fù)合材料應(yīng)用的多少已經(jīng)成為飛機(jī)先進(jìn)程度的重要標(biāo)志。但該類材料切削加工性差，是典型的難加工材料，切削加工中易產(chǎn)生毛刺、拉絲、分層、崩裂等加工缺陷，且刀具磨損嚴(yán)重、耐用度低，其難加工性與使用需求之間的矛盾日益突出。本文將針對(duì)復(fù)合材料薄壁曲面件切削性能差，在加工過程中易出現(xiàn)撕裂、分層、掉渣等問題，對(duì)影響其加工精度的因素分析，從刀具選用、切削參數(shù)優(yōu)化、切削路徑等方面進(jìn)行優(yōu)化，完成加工工藝的改進(jìn)優(yōu)化。

1? 復(fù)合材料薄壁曲面件結(jié)構(gòu)

復(fù)合材料薄壁曲面件結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。該零件為復(fù)雜的不規(guī)則曲面，主要由E-玻璃纖維布、環(huán)氧樹脂、碳纖維T300復(fù)合敷制成型、厚度薄僅為1.85mm，A面與B面之間的距離公差為±0.05mm、A面波紋度D（波的最大深度）≤0.5mm，D/λ≤0.001，λ為波長(zhǎng)（相鄰高點(diǎn)之間的距離），零件不允許有起層、裂紋、崩裂現(xiàn)象。由于該零件為敷制產(chǎn)品二次加工，相關(guān)尺寸精度要求高，行業(yè)內(nèi)無成熟加工經(jīng)驗(yàn)或技術(shù)供參照。

2? 工藝流程

2.1 原工藝流程

加工敷制模具（鋼）——敷制成型——脫模——配銑胎膜（鋁）——胎膜壓持裝夾、數(shù)控加工——脫模。（圖3）

按此方案敷制件從敷制模具上脫模后，零件容易變形，再次裝夾到鋁制胎膜上，敷制件與胎膜貼合不好（壓板壓持位置貼合較好，其余位置貼合情況無從知曉），這樣在加工零件厚度時(shí)不能保證零件的尺寸精度、公差，尺寸1.85±0.05超差，最多達(dá)0.35mm，并且加工過程中易產(chǎn)生毛刺、拉絲、分層等現(xiàn)象，刀具磨損嚴(yán)重，生產(chǎn)效率低下，加工成品率低，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量與進(jìn)度。

2.2 優(yōu)化工藝流程

為解決零件尺寸超差、效率低下、合格率低的問題，對(duì)原工藝方案進(jìn)行優(yōu)化。將原工藝流程（敷制-脫模-配銑胎膜-胎膜壓持裝夾-數(shù)銑）優(yōu)化，取消敷制后的脫模、實(shí)現(xiàn)零件敷制后隨敷制模具直接進(jìn)行數(shù)控加工。因敷制零件沒有取下，不存在敷制件取下發(fā)生的變形，而且減少了中間環(huán)節(jié)，同時(shí)提高敷制模具的精度要求，確保其能滿足后續(xù)數(shù)控加工要求。優(yōu)化敷制工藝要求，敷制時(shí)四周留余量20MM延伸到凹臺(tái)外便于壓持，同時(shí)固定位置。這樣有效解決敷制件脫模后容易變形，再次裝夾到胎膜上貼合不好，加工時(shí)不能保證零件尺寸精度的問題。同時(shí)減少了工序和工藝準(zhǔn)備時(shí)間（重新加工胎膜），良好的切合精益生產(chǎn)的思想。（圖4）

3? 加工技術(shù)研究

3.1 機(jī)床

因該零件的材料主要為玻璃纖維、碳纖維，加工時(shí)要求不加切削液干銑，加工過程中會(huì)產(chǎn)生的粉塵、纖維顆粒。需要專用機(jī)床來加工，機(jī)床需配備吸塵裝置，否則容易損害機(jī)床設(shè)備、危及人員健康。同時(shí)因零件尺寸精度高，要求機(jī)床穩(wěn)定性好。為此采用阿奇夏米爾公司的HEM800高效數(shù)控加工中心。

3.2 刀具

玻璃纖維、碳纖維扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度較低，扭剪容易使纖維損傷斷裂、力學(xué)性能呈各向異性，切削時(shí)切削力不斷變化，致使刀具更易磨損，加之切斷的硬脆纖維發(fā)生彈性恢復(fù)，同切屑一起不斷摩擦、研磨后刀面，使得刀具磨損嚴(yán)重，耐用度低。樹脂基體熔點(diǎn)低，切削溫度過高時(shí)，材料會(huì)融化黏結(jié)在刀具上，影響刀具的切削性能，進(jìn)而嚴(yán)重影響材料的加工質(zhì)量。而樹脂跟碳纖維或玻璃纖維硬度相差較大，刀具在切削時(shí)受到的載荷交替變化，影響刀具切削性能[1]。這就要求加工此類材料刀具有較好的綜合性能，即有較強(qiáng)的耐磨性、較好的剛性及較好的熱穩(wěn)定性。

復(fù)合材料薄壁曲面件為復(fù)雜不規(guī)則曲面，敷制厚度余量用球刀加工，外輪廓用銑刀加工。為此我們用硬質(zhì)合金刀與金剛石刀具用不同的切削參數(shù)進(jìn)行切削試驗(yàn)，根據(jù)刀具磨損、表面質(zhì)量、加工效率綜合比較。結(jié)果表明普通硬質(zhì)合金刀具刀加工后零件四周的起層、毛刺、拉絲缺陷嚴(yán)重，刀具磨損嚴(yán)重，零件尺寸精度難以保證，加工效率低下。不適合玻璃纖維/碳纖維類材料加工。金剛石刀具加工效率高、刀具磨損較小，發(fā)生起層、毛刺、拉刀等缺陷少，適合玻璃纖維/碳纖維類材料加工。

3.3 編程技術(shù)

加工基準(zhǔn)：為保證零件尺寸精度，在編制數(shù)控程序時(shí)將基準(zhǔn)設(shè)在敷制模具的底面中心，以消除過程中可能存在的變形誤差，方便加工時(shí)對(duì)刀，以便能夠更精確的控制零件的尺寸精度。

刀具路徑：一般數(shù)控加工落料時(shí)采用斜線下刀，而復(fù)合材料薄壁曲面件由玻璃纖維布和碳纖維布一層一層的鋪敷而成的，斜線下刀更容易引起材料起層。而插銑下刀則可避免下刀造成材料起層。同時(shí)要盡量選擇順銑、避免吃刀量過大而造成棱邊崩角、掉渣。

底面余量的控制：外輪廓落料時(shí)底面需要留有一定的余量，但余量的多少是一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，多了不好取下零件，少了又容易傷到模具，而模具又通常非常貴重。底面余量不管是對(duì)于零件還是模具對(duì)尤為關(guān)鍵，既要方便零件加工又要不傷到模具，所以要從余量的兩個(gè)臨界值出發(fā)，進(jìn)行嘗試加工，通過數(shù)值分割來進(jìn)一步縮小嘗試范圍，直到最優(yōu)值出現(xiàn)。通過試驗(yàn)最后得出余量?jī)?yōu)化值是0.1mm。

4? 結(jié)果分析

從加工質(zhì)量來看，加工工藝優(yōu)化后，取消了取敷制件、重新制造胎膜、再次配裝環(huán)節(jié)，由敷制直接到數(shù)銑、由數(shù)控加工一次成型。避免了敷制件取下變形、與胎膜貼合不好等問題，而且減少了中間環(huán)節(jié)，消除了過程中變形造成的質(zhì)量隱患。經(jīng)質(zhì)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，工藝方案優(yōu)化后，零件的一次交檢合格率達(dá)到了100%。

從加工效率來講，原工藝方案中，加工流程長(zhǎng)，考慮流轉(zhuǎn)和鉗工工作時(shí)間，完成一件零件時(shí)間約14小時(shí)，優(yōu)化后減少了中間環(huán)節(jié)、采用了高效的金剛石刀具，所有環(huán)節(jié)均在數(shù)控加工完成、時(shí)間僅3個(gè)小時(shí)，效率提升78.5%。

5? 總結(jié)

通過分析復(fù)合材料薄壁曲面件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，識(shí)別其加工難點(diǎn)，在無加工經(jīng)驗(yàn)借鑒的情況下，探索加工方案，應(yīng)用新型刀具，合理安排工藝路徑，優(yōu)化加工流程，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料薄壁曲面件一次成型加工技術(shù)突破，最終加工出合格的復(fù)合材料薄壁曲面件，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。與傳統(tǒng)工藝方法的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，確認(rèn)優(yōu)化后的工藝方法有效地保證了復(fù)合材料薄壁曲面件的加工質(zhì)量，同時(shí)加工效率大幅提升。復(fù)合材料薄壁曲面件一次成型加工技術(shù)已推廣至類似的敷制產(chǎn)品的加工中，驗(yàn)證了方法的可行性，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料薄壁曲面件的高質(zhì)量、高效率加工。

參考文獻(xiàn)：

[1]于東民.玻璃纖維/碳纖維芳綸紙蜂窩板銑削實(shí)驗(yàn)研究[D].集美大學(xué)，2015.

[2]王洋，侯寧，周麗，黃樹濤.SiCp/Al復(fù)合材料加工邊緣斷裂特性分析[J].工具技術(shù)，2014（01）.

[3]周家林，黃樹濤，崔巖.高速銑削SiC_P/Al時(shí)切削力及影響因素的研究[J].機(jī)械工程師，2007（11）.