碳纤维加工刀具的材质选择.pdf

1、碳 纤 维 加 工 刀 具 的 材 质 选 择碳 纤 维 多 作 为 增 强 材 料 加 入 到 树 脂 、 金 属 、 陶 瓷 、 混 凝 土 等 材 料 中 ， 构 成 复 合材 料 ， 碳 纤 维 已 成 为 先 进 复 合 材 料 最 重 要 的 增 强 材 料 。 由 于 碳 纤 维 复 合 材 料 具 有 轻而 强 、 轻 而 刚 、 耐 高 温 、 耐 腐 蚀 、 耐 疲 劳 、 结 构 尺 寸 稳 定 性 好 以 及 设 计 性 好 、 可 大面 积 整 体 成 型 等 特 点 ， 已 在 航 空 航 天 、 国 防 军 工 和 民 用 工 业 的 各 个 领 域 得 到 广

2、泛 应用 。 由 碳 纤 维 复 合 材 料 特 殊 的 组 织 结 构 和 特 殊 的 物 理 力 学 性 能 给 材 料 的 切 削 加 工 带来 了 一 系 列 的 在 金 属 加 工 中 从 来 未 遇 到 的 问 题 ， 本 文 就 对 碳 纤 维 加 工 刀 具 进 行 探 讨 。1.碳纤维材料的性能碳 纤 维 复 合 材 料 既 有 碳 材 料 的 固 有 本 征 特 性 ， 又 有 纺 织 纤 维 的 柔 软 可 加 工 性 ，其 优 异 的 综 合 性 能 是 任 何 单 一 材 料 无 法 比 拟 的 。（ 1 ） 低 密 度 高 强 度 。 CFRP 密 度 不 到 钢

3、的 1 /4 ， 铝 合 金 的 1 /2 ； 比 强 度 为 钢 的 5倍 以 上 ， 比 模 量 则 是 其 他 结 构 材 料 的 1 .3 1 2 .3 倍 。（ 2 ） 良 好 的 抗 疲 劳 特 性 。 由 于 CFRP 中 存 在 着 许 许 多 多 的 碳 纤 维 和 树 脂 基 体 界面 ， 这 些 界 面 能 够 阻 止 裂 纹 的 扩 展 ， 在 长 期 交 变 载 荷 条 件 下 工 作 时 CFRP 构 件 的 寿命 远 高 于 传 统 材 料 构 件 。（ 3 ） 稳 定 的 化 学 性 能 。 CFRP 耐 高 低 温 ， 耐 腐 蚀 ， 在 2 0 0 0 以

4、上 高 温 惰 性 环 境中 ， 是 唯 一 强 度 不 下 降 的 物 质 ， 在 -180 左 右 的 低 温 下 ， 仍 具 有 较 好 的 柔 韧 性 ， 不与 酸 、 碱 等 腐 蚀 溶 液 发 生 化 学 反 应 。（ 4 ） 良 好 的 工 艺 性 。 CFRP 是 一 种 各 向 异 性 材 料 ， 其 铺 层 取 向 可 以 在 很 宽 的 范围 进 行 调 整 ， 由 于 铺 层 的 各 向 异 性 特 征 ， 通 过 选 择 合 适 的 铺 层 方 向 和 层 数 可 以 满 足材 料 强 度 、 刚 度 和 各 种 使 用 要 求 。2.碳纤维材质的切削加工碳 纤 维

5、复 合 材 料 强 度 高 、 比 热 容 大 、 耐 热 震 、 质 量 轻 ， 且 材 料 摩 擦 系 数 稳 定 ，耐 磨 性 优 良 。 由 碳 纤 维 复 合 材 料 特 殊 的 组 织 结 构 和 特 殊 的 物 理 力 学 性 能 ， 切 削 加 工时 常 会 遇 到 以 下 问 题 ：(1 )材 料 呈 层 状 、 块 状 崩 落 、 撕 脱 ， 严 重 时 将 使 加 工 件 报 废 ， 影 响 产 品 的 成 材 率和 加 工 质 量 。(2 )刀 具 磨 损 快 ， 钝 刀 具 加 工 ， 更 容 易 造 成 坯 料 损 伤 ； 精 加 工 时 ， 刀 具 尺 寸 和 形

6、状 的 变 化 ， 严 重 影 响 产 品 的 形 状 、 尺 寸 精 度 。(3 )刀 具 使 用 寿 命 短 ， 耐 用 度 低 ， 大 大 提 高 了 产 品 的 加 工 成 本 。3.碳纤维加工刀具的材质选择针 对 碳 纤 维 复 合 材 料 的 切 削 加 工 特 性 ， 选 择 合 适 的 刀 具 材 质 及 刀 具 结 构 、 合 理的 几 何 参 数 成 为 优 质 、 高 效 切 削 加 工 CFRP 的 关 键 。 碳 纤 维 复 合 材 料 具 有 脆 性 大 、硬 度 高 特 点 ， 切 削 过 程 存 在 难 成 屑 、 导 热 慢 、 切 削 区 域 温 度 高 ，

7、 刀 具 易 磨 损 等 问 题 ，加 工 后 的 产 品 则 表 现 为 分 层 、 撕 裂 、 翻 边 等 缺 陷 。 因 此 要 求 刀 具 具 有 良 好 的 耐 磨 性和 散 热 性 ， 并 有 抑 制 分 层 和 撕 裂 的 结 构 特 点 。聚 晶 金 刚 石 (PCD)材 质 的 钻 头 能 够 更 好 的 钻 入 和 钻 出 增 强 型 碳 纤 维 复 合 材 料 ， 减少 碳 纤 维 复 合 材 料 的 分 层 趋 势 ， 为 能 够 更 好 的 切 断 碳 纤 维 ， 该 类 刀 具 可 采 用 在 整 体硬 质 合 金 钻 头 焊 接 PCD 的 切 削 方 式 制 造

8、 ， 以 获 得 更 好 的 耐 磨 性 能 ， 能 够 在 加 工 过 程中 长 久 的 保 持 刀 具 的 锋 利 性 。4.碳纤维加工应用（ 1 ） 碳 纤 维 复 合 材 料 （ CFRP） 在 航 空 航 天 领 域 的 应 用碳 纤 维 复 合 材 料 的 发 展 推 动 了 航 空 、 航 天 整 体 技 术 的 发 展 。 由 于 CFRP 优 良 的综 合 性 能 ， 在 民 用 飞 机 上 大 量 应 用 CFRP 能 够 减 轻 质 量 、 节 省 燃 油 、 降 低 排 放 ， 从而 增 大 航 程 。 碳 纤 维 复 合 材 料 (CFRP)已 成 为 航 空 航 天

9、 应 用 最 为 普 遍 的 碳 纤 维 W 增 强塑 料 ， 聚 晶 金 刚 石 （ PCD） 刀 具 对 该 材 料 的 加 工 特 别 有 效 。 典 型 的 CFRP 复 合 材 料 的应 用 零 部 件 是 飞 行 器 的 翼 梁 ， 还 有 由 这 种 零 件 材 料 制 成 的 轴 承 、 泵 零 件 和 套 筒 。航 空 航 天 行 业 的 碳 纤 维 复 合 材 料 零 件 的 加 工 常 用 到 钻 削 和 铣 削 ， 华 菱 PCD 钻 头和 PCD 铣 刀 采 用 在 硬 质 合 金 刀 具 基 体 上 焊 接 PCD 材 料 的 切 削 刃 ， 具 有 超 高 硬 度

10、 和 耐磨 性 ， 常 用 的 PCD 刀 具 有 PCD 麻 花 钻 、 PCD 立 铣 刀 、 PCD 球 头 铣 刀 、 PCD 钻 头 和 金刚 石 涂 层 铣 刀 。（ 2 ） 碳 纤 维 复 合 材 料 （ CFRP） 在 风 力 发 电 领 域 应 用风 力 发 电 装 备 的 关 键 部 件 是 叶 片 ， 当 风 机 叶 片 质 量 增 加 到 一 定 程 度 时 ， 叶 片 质量 的 增 加 幅 度 将 大 于 风 机 能 量 输 出 的 增 加 幅 度 ， 这 就 需 要 使 叶 片 尽 可 能 地 轻 质 化 ；为 了 保 证 在 极 端 风 载 下 叶 尖 不 碰 塔

11、 架 ， 叶 片 又 必 须 具 有 足 够 的 刚 度 ， 目 前 CFRP 已成 为 叶 片 材 料 的 最 佳 选 择 。 CDW0 1 0 材 质 金 刚 石 刀 片 是 通 用 型 PCD 刀 片 ， 兼 顾 了 良好 的 韧 性 和 较 高 的 耐 磨 性 ， 具 有 超 高 硬 度 和 耐 磨 性 ， 刀 片 性 能 稳 定 ， 加 工 效 率 高 。碳 纤 维 复 合 材 料 （ CFRP） 是 以 碳 纤 维 为 增 强 体 的 树 脂 基 复 合 材 料 ， 随 着 人 们 对CFRP 认 识 的 不 断 深 入 ， 其 优 异 的 性 能 不 断 凸 现 ， 促 使 其 用 量 不 断 上 升 ， 且 应 用 领 域也 不 断 拓 展 。 相 对 应 的 随 着 PCD 刀 具 切 削 性 能 的 不 断 提 高 和 PCD 刀 具 价 格 的 不 断 下降 ， PCD 刀 具 对 于 广 大 用 户 具 有 了 前 所 未 有 的 吸 引 力 ， 这 将 有 力 推 动 PCD 刀 具 的 普及 应 用 以 及 PCD 刀 具 技 术 更 快 地 向 前 发 展 。