碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加工方法研究

魏同學(xué)，王 崗

（西安工程大學(xué)工程訓(xùn)練中心，陜西西安 710000）

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是由碳纖維和樹脂經(jīng)編制、燒結(jié)壓制而成，樹脂為基體，碳纖維為增強(qiáng)體，也是主要的承力部分。碳纖維一般由聚丙烯腈纖維（PAN 原絲）、瀝青纖維、粘膠絲或酚醛纖維等為原料，經(jīng)過高溫碳化后制得。把基體浸漬在碳纖維中制成預(yù)浸料，預(yù)浸料通過手糊、層壓、噴射、拉擠、模壓等工藝制成碳纖維產(chǎn)品。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料構(gòu)成圖如圖 1所示[1-2]。

圖1 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料構(gòu)成圖Fig. 1 Composition of carbon fiber reinforced composites

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有較高的強(qiáng)度、硬度及耐高溫、耐腐蝕、重量輕等獨(dú)特的性能，因而廣泛被應(yīng)用于飛行器、車輛行業(yè)、醫(yī)用器械、能源行業(yè)、體育裝備等行業(yè)，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料近年來(lái)在汽車制造和飛行器方面大量被使用，如汽車的儀表盤、車架、車門、保險(xiǎn)杠等部件，飛行器的機(jī)翼、機(jī)門、外殼體等部件。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料已經(jīng)作為汽車、飛行器、體育裝備等要求具有輕硬型特性材質(zhì)的主要選擇，并且將逐漸代替鋁材和鋼材等金屬材料作為汽車生產(chǎn)、航空航天、醫(yī)療器械、機(jī)器人、工業(yè)裝備等領(lǐng)域的首要選取材料[3]。

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是新型復(fù)合材料同樣也是難加工材料中最典型的[4]，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料首先經(jīng)過材料成型的方法制作成型材，其次對(duì)制作成的型材進(jìn)行再次加工從而達(dá)到尺寸精度或工藝裝配需求。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料再次加工的方法，目前主要是機(jī)械加工、激光加工和數(shù)控超高壓水切割這3種常用的加工方式。一直以來(lái)傳統(tǒng)機(jī)械加工成為了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加工的常見方法，然而在機(jī)械加工過程中因?yàn)樘祭w維增強(qiáng)復(fù)合材料的高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性及多層不同材質(zhì)等因素，造成了機(jī)械加工在加工時(shí)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料容易出現(xiàn)材料分層、局部脫落、表面不平整等影響加工質(zhì)量的問題，并且對(duì)刀具造成的磨損非常的嚴(yán)重，因而零件的加工精度和工藝要求都極難得到保證，同時(shí)加工成本增加，加工效率低，廢品率高。激光在加工碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料時(shí)，同樣受材料特殊性能的影響，在加工時(shí)容易出現(xiàn)熱損傷、材料分層、表面不平整等質(zhì)量問題，因此機(jī)械加工和激光加工不能成為碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加工的最好方法[5]。

近年來(lái)，數(shù)控超高壓水切割技術(shù)得到迅速發(fā)展，被廣泛地用于各種不同性能材料的加工，包括石材、木材、金屬、泡沫及復(fù)合材等大部分材料，這對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的加工提供了又一種加工方法，它基本可以滿足零件的加工要求，降低了上述2種加工方法所造成的質(zhì)量問題。因此，我們通過使用光纖激光切割、數(shù)控超高壓水切割以及機(jī)械加工3種加工方式對(duì)相同材料、相同尺寸規(guī)格的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行加工試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)中使用激光切割、數(shù)控超高壓水切割以及機(jī)械加工3種加工方式對(duì)相同材料、相同尺寸規(guī)格的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行加工試驗(yàn)。通過對(duì)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)和加工工件進(jìn)行對(duì)比分析，最終試驗(yàn)出哪一種加工方法更適合碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的切削加工。對(duì)于任何類型的加工方式來(lái)說，加工的最終目的就是尺寸精度的高低和表面質(zhì)量的好壞，該試驗(yàn)要求試驗(yàn)件尺寸精度為20±0.05mm×100±0.05mm×2mm，表面質(zhì)量要求平整且不分層，圖2為試件加工零件圖。

圖2 試件加工零件圖Fig.2 Parts drawing

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料板，材料板厚度為2mm，表1為碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的主要性能參數(shù)，以此主要來(lái)研究碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在3種不同加工方式下的參數(shù)變化。

表1 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的主要性能參數(shù)Table 1 Main performance parameters of carbon fiber reinforced composites

1.2 試驗(yàn)平臺(tái)

試驗(yàn)采用了光纖激光加工、數(shù)控銑削加工及數(shù)控超高壓水切割加工3種試驗(yàn)平臺(tái)，通過3種平臺(tái)分別對(duì)相同材質(zhì)和尺寸的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料板進(jìn)行試驗(yàn)加工，表2為試件加工方式及試驗(yàn)平臺(tái)參數(shù)表。

表2 試件加工方式及試驗(yàn)平臺(tái)參數(shù)Table 2 Machining method and test platform parameters

2 試驗(yàn)加工

2.1 激光加工

光纖激光切割是運(yùn)用光纖激光器輸出的1064nm激光光束經(jīng)過放大、折射后聚焦到工件表面，經(jīng)過自動(dòng)化控制激光設(shè)備的能量大小、功率大小和離焦量等參數(shù)，使工件產(chǎn)生高溫熔化并形成切割縫隙，從而完成對(duì)工件的加工[6]，圖3為激光切割示意圖。激光切割在加工時(shí)，加工參數(shù)、材料性能等對(duì)工件的質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用，因此通過反復(fù)調(diào)整激光功率、激光切割速度、離焦量等主要加工參數(shù)，制定了激光切割碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料板的最優(yōu)加工參數(shù)，最終選用如表3所示光纖激光切割碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料板工藝參數(shù)作為此次試驗(yàn)的加工參數(shù)，并以此數(shù)據(jù)來(lái)檢驗(yàn)光纖激光切割加工碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)和缺陷。

圖3 激光切割示意圖Fig. 3 Laser cutting schematic diagram

表3 激光切割碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料板工藝參數(shù)Table 3 Process parameters of carbon fiber reinforced composite sheet by laser cutting

光纖激光切割碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料板的優(yōu)勢(shì)是：切割縫隙窄、加工速度快、不產(chǎn)生切削力、節(jié)約材料等方面，缺陷是：由于碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在熱膨脹系數(shù)及熱性能上有著較大的差異，造成激光切割碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料板時(shí)出現(xiàn)表面損傷、分層、尺寸精度及表面質(zhì)量差等問題，如圖4試件1激光切割表面局部放大圖及表4試樣件加工質(zhì)量表所示。

圖4 試件1激光切割表面局部放大圖Fig. 4 Specimen 1 local magnification of laser cut surface

表4 試樣件激光切割加工質(zhì)量表Table 4 Quality table for laser cutting of specimen

2.2 機(jī)械加工

機(jī)械加工選用數(shù)控銑床來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)，機(jī)械加工是利用金屬刀具與工件的相互作用進(jìn)行加工，如圖5所示，加工時(shí)產(chǎn)生較大的切削力、工件易變性、刀具磨損快、材料浪費(fèi)率高。機(jī)械加工時(shí)通常通過設(shè)置轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、背吃刀量等主要加工參數(shù)來(lái)控制工件加工的質(zhì)量，因此通過多次優(yōu)化加工參數(shù)制定了機(jī)械加工碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料板的最優(yōu)加工參數(shù)，最終選用如表5所示機(jī)械加工碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料工藝參數(shù)作為此次試驗(yàn)的加工參數(shù)，通過加工試驗(yàn)得出如表6所示試樣件加工質(zhì)量數(shù)據(jù)表。

圖5 數(shù)控銑削加工示意圖Fig.5 Diagram of CNC milling

表5 機(jī)械加工碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料工藝參數(shù)Table 5 Process parameters of carbon fiber reinforced composites machined

表6 試樣件機(jī)械加工質(zhì)量數(shù)據(jù)Table 6 Sample machining quality data

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料因?yàn)槠渚哂刑厥獾牟牧闲阅芎蛷?fù)雜的組成結(jié)構(gòu)，因此采用機(jī)械加工碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是比較困難的，加工時(shí)試驗(yàn)材料容易出現(xiàn)分層、表面局部脫落、切削變形等嚴(yán)重影響工件尺寸精度和表面質(zhì)量的問題[7-8]，如圖6所示，并造成刀具磨損加快、成本增高、粉塵污染等問題。

圖6 試件2機(jī)械加工表面局部放大圖Fig.6 Local magnification of machined surface 2

2.3 數(shù)控超高壓水切割加工

數(shù)控超高壓水切割是一種新型的特種加工方法，利用普通的水通過增壓的方式將水增壓到200～400 MPa以上，然后經(jīng)過0.1～1 mm的噴嘴噴射產(chǎn)生800～1000 m/s的高速水射流，利用高速水射流和加入少量金剛砂顆粒物實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的加工。數(shù)控超高壓水切割在加工時(shí)工件瞬間溫度控制在60℃以內(nèi)，因而也被稱作“冷態(tài)加工”，圖7為數(shù)控超高壓水切割示意圖。其廣泛被用于非金屬材料和金屬材料的加工以及用于特殊情況下消防救援的超高壓水切割搶險(xiǎn)救援消防車（也稱冷切割救援車）。數(shù)控超高壓水切割與傳統(tǒng)機(jī)械激光切割、激光加工、電火花加工等相比較，具有低溫冷態(tài)加工、不受材料性能限制、加工能力強(qiáng)、切割范圍廣、不產(chǎn)生熱變形、加工效率高、刀具損耗小等顯著優(yōu)勢(shì)[9-10]。

圖7 數(shù)控超高壓水切割示意圖Fig.7 Diagram of NC UHP water cutting

數(shù)控超高壓水切割在加工時(shí)通過調(diào)整壓力、進(jìn)給速度、磨料耗量等主要加工參數(shù)來(lái)控制工件加工的質(zhì)量，因此通過多次優(yōu)化加工參數(shù)制定了數(shù)控超高壓水切割碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料板的最優(yōu)加工參數(shù)，最終選用如表7所示數(shù)控超高壓水切割碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料板工藝參數(shù)作為此次試驗(yàn)的加工參數(shù)，并以此數(shù)據(jù)來(lái)檢驗(yàn)數(shù)控超高壓水切割碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)和缺陷。

表7 數(shù)控超高壓水切割碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料工藝參數(shù)Table 7 Process parameters of carbon fiber reinforced composites by NC UHV water cutting

數(shù)控超高壓水切割碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料板具有切縫窄、速度快、不產(chǎn)生熱變形、不使材料分層、節(jié)約材料等優(yōu)勢(shì)，通過試驗(yàn)得出了表8試樣件加工質(zhì)量數(shù)據(jù)表，從數(shù)據(jù)可以看出，試樣件加工后的尺寸精度控制在圖紙公差范圍內(nèi)，試樣件尺寸合格，并且表面質(zhì)量符合要求，未出現(xiàn)分層、缺陷等表面問題，如圖8試件3加工表面局部放大圖所示。

表8 試樣件加工質(zhì)量數(shù)據(jù)表Table 8 Sample processing quality data sheet

圖8 試件3加工表面局部放大圖Fig.8 Local magnification of machined surface of specimen 3

3 試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過使用光纖激光切割、數(shù)控超高壓水切割和機(jī)械加工3種加工試驗(yàn)平臺(tái)分別對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行試驗(yàn)加工，在試驗(yàn)樣品尺寸、材質(zhì)相同的情況下，3種加工平臺(tái)分別通過多次試驗(yàn)選取了最佳的加工工藝參數(shù)完成對(duì)試樣件的加工，最終得出如表9碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料試樣尺寸精度對(duì)比數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)可以看出，數(shù)控超高壓水切割基本能夠達(dá)到碳纖維強(qiáng)化復(fù)合材料二次加工所要求的尺寸精度和表面質(zhì)量。

表9 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料試樣尺寸精度對(duì)比數(shù)據(jù)Table 9 Comparison of dimensional accuracy data of carbon fiber reinforced composites

4 結(jié)論

通過3種加工試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加工的結(jié)果可以得出，數(shù)控超高壓水切割在碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加工方面優(yōu)勢(shì)明顯，分別在尺寸精度、表面質(zhì)量、加工效率及環(huán)保節(jié)約方面對(duì)比光纖激光切割和機(jī)械加工有著顯著的提高，并且在航空航天飛行器、醫(yī)療器械、體育用品等零部件加工以及復(fù)合材料分析研究等方面得到了充分的論證。