CN103341658A - 一种铣削芳纶纤维复合材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种铣削芳纶纤维复合材料的方法，特别是涉及厚度在15mm以下的芳纶纤维复合材料板材的加工，属于复合材料加工技术领域。用夹具将待加工的芳纶纤维复合材料夹紧；用刀具待加工的芳纶纤维复合材料进行铣削。本发明针对芳纶纤维复合材料高韧性、高强度、与树脂基体结合力差等特点，发明的铣削工艺方法，所加工的零件表面质量高，杜绝了起毛、分层、烧焦等现象的出现。
Description
技术领域
本发明涉及一种铣削芳纶纤维复合材料的方法，特别是涉及厚度在15mm以下的芳纶纤维复合材料板材的加工，属于复合材料加工技术领域。
背景技术
芳纶纤维是一种高强度、中模量、低密度的纤维，具有较高的断裂延伸率，介电性能好。芳纶纤维复合材料纤维韧性好、抗拉强度高，但材料层间的剪切强度低，纤维与基体的粘接强度远低于纤维的抗拉伸强度，给芳纶纤维复合材料零件的加工带来了很大的困难，常规的加工工艺方法容易产生材料分层、翻边、抽丝、拉毛等加工缺陷。
在航天器产品中，芳纶纤维复合材料主要应用于一些需要隔热、绝缘、射频透过性好的场合，如天线支架面板。
在复合材料加工领域，芳纶纤维复合材料孔的铣削工艺方法一直困扰着工程技术人员。这是由于芳纶纤维柔韧性好，其复合材料在切削时纤维不易被切断，未切断的纤维和树脂堆积在断口处，易造成加工面粗糙、起毛，甚至分层、烧焦。为此，必须针对芳纶纤维复合材料特性，摸索一套专门的加工工艺方法，以解决该材料铣削加工难的问题。
从查阅的文献资料来看，目前芳纶纤维复合材料刀具材料多采用硬质合金或金刚砂涂层；机床转速通常较高：3000～6000r/min，有的甚至要求更高的转速：20,000～30,000r/min。
以上提到的芳纶纤维复合材料钻孔的工艺方法存在着一些不足之处：从加工效果来说，都不够理想，仍不能完全避免起毛、分层现象的出现；从刀具材料来说，多采用价格昂贵的整体硬质合金钻头或金刚石套料钻，刀具成本很高；从加工设备来说，一般要求高速数控设备或高转速的铣床，设备投入较大；从冷却方法来说，一般采用水、液氮或压缩空气冷却。
因此，就需要引入一种加工效果好、对刀具材料和设备要求不高、适于日常批量化生产的机械加工方法。
发明内容
本发明的目的是为了提出一种铣削芳纶纤维复合材料的方法，该方法有效地避免了材料分层、翻边、抽丝、拉毛等加工缺陷。使用本发明的方法加工的芳纶纤维复合材料，零件外形、内腔光滑，尺寸精度高，且无需冷却；对加工设备无特殊要求。根据零件材料厚度和外形特征，选择铣削加工芳纶纤维复合材料零件的刀具、设计工艺装置、使用适宜的刀具切削参数，用普通机床即可在芳纶纤维复合材料上加工出高质量的零件。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明的一种铣削芳纶纤维复合材料的方法，步骤为：
1）用夹具将待加工的芳纶纤维复合材料夹紧；
2）用刀具对步骤1）中的待加工的芳纶纤维复合材料进行铣削。
上述步骤1）中的夹具包括压模、上压板和下垫板；压模为金属材料，优选铝合金材料；上压板和下垫板采用与待加工的芳纶纤维复合材料切削性能相近的材料，优选玻璃钢；使用时，将待加工的芳纶纤维复合材料放在下垫板上面，上压板放在待加工的芳纶纤维复合材料的上面，压模放置在上压板的上面，最后用螺钉压板将压模、上压板、待加工的芳纶纤维复合材料和下垫板压紧，压紧力F=0.2-0.8MPa；
上述压模的外形与待加工的芳纶纤维复合材料的外形一致；压模的尺寸与待加工的芳纶纤维复合材料尺寸相差0.2-5mm；
上述步骤2）中的刀具的选择如下：当待加工的芳纶纤维复合材料的厚度H为：H≤4mm时，选用小螺旋角铣刀，切削速度Vc=70～120m/min，每齿进给量fz=0.007～0.3mm/z；当待加工的芳纶纤维复合材料的厚度H为：4mm＜H≤8mm，选用人字刃铣刀，切削速度Vc=60～100m/min，每齿进给量fz=0.009～0.04mm/z；当待加工的芳纶纤维复合材料的厚度H为：H＞8mm，选用菠萝刃铣刀，切削速度Vc=50～100m/min，每齿进给量fz=0.01～0.08mm/z。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
（1）本发明针对芳纶纤维复合材料高韧性、高强度、与树脂基体结合力差等特点，发明的铣削工艺方法，所加工的零件表面质量高，杜绝了起毛、分层、烧焦等现象的出现。
（2）本发明采用的铣削工艺装置及合适压紧力，改善了芳纶纤维复合材料的加工性能。
（3）本发明使用小螺旋角铣刀、菠萝刃铣刀和人字刃铣刀取代了硬质合金或金刚砂涂层等现有刀具，刀具成本低。
（4）对芳纶纤维复合材料加工时，只需普通机床，设备成本低。
附图说明
图1为本发明使用工艺装置示意图；
图2为本发明实施例1零件及相应压模的外形图；
图3为本发明实施例2零件及相应压模的外形图；
图4为本发明实施例3零件及相应压模的外形图。
具体实施方式
本发明通过合理选择铣削加工芳纶纤维复合材料零件的刀具、设计工艺装置，并施加一定的压紧力和使用合理的芳纶纤维复合材料零件切削参数，适用于普通机床加工芳纶纤维复合材料，且无需冷却。制品外形光滑，无起毛、分层、烧焦等现象，是一种低成本、高质量加工芳纶纤维复合材料的方法。
对芳纶纤维复合材料铣削加工前，首先根据材料厚度H，确定所用铣刀类型；根据零件的结构特点，设计工艺装置；加工时在工艺装置上施加一定的压紧力，使复合材料在受压状态下切削，提高加工区域及周围材料的刚度，改善复合材料的切削加工性施加；设定适宜的机床转速和进给速度加工零件。
本发明提供的铣削芳纶纤维复合材料加工方法按照如下方式进行：
a.本发明采用的铣刀包括3类，具体包括：小螺旋角铣刀、菠萝刃铣刀和人字刃铣刀。在加工过程中，以芳纶纤维复合材料零件的厚度H为选择铣刀依据。当零件厚度H≤4mm时，选用小螺旋角铣刀；4＜H≤8mm，选用人字刃铣刀；H＞8mm，选用菠萝刃铣刀；
b.针对芳纶纤维复合材料结构件在加工过程中存在多种加工缺陷的问题，本发明设计了加工该类零件的专用工艺装置，如图1所示。该工艺装置由压模、上压板、下垫板等构成。
压模的外形特征与零件特征相仿，外形尺寸比零件尺寸相差δ，δ=0.2～0.5mm，一方面能保证加工过程中复合材料受力均匀，另外一方面还便于零件尺寸的在线测量，同时，还避免加工过程中碰到刀具，提高了刀具和压模的使用寿命。
在压模上施加一定的压紧力F=0.2～0.8MPa，使复合材料在受压状态下铣削，提高加工区域及周围材料的刚度，改善复合材料的切削加工性。
上压板和下垫片采用的是与芳纶纤维复合材料性能相近的玻璃钢材料，可提高切削区域复合材料层间的连接强度和材料刚度，改善加工性能；
c.芳纶纤维复合材料零件切削参数。为了避免芳纶纤维复合材料零件加工过程中产生分层，切削时采用深度方向满刀切削的加工方法。对于既定材料厚度H，对应切削深度为H，影响零件切削质量的工艺参数包括刀具切削线速度Vc和每齿进给量fz。本发明工艺方法提出的刀具切削参数范围如下：小螺旋角铣刀：切削线速度Vc=70～120m/min，每齿进给量fz=0.007～0.3mm/z；人字刃铣刀：切削线速度Vc=60～100m/min，每齿进给量fz=0.009～0.04mm/z；菠萝刃铣刀：切削线速度Vc=50～100m/min，每齿进给量fz=0.01～0.08mm/z。
下面结合具体实施例对本发明铣削加工工艺方法做进一步说明。
实施例1
图2是一件芳纶纤维复合材料方形零件及相应压模的图纸，芳纶纤维复合材料方形零件为一正方形板，边长为100mm，厚3mm；压膜为一正方形板，边长为96mm，厚3mm，要求尺寸公差等级按GB/T 1804-m执行，外形光滑、无起毛、分层、烧焦等缺陷。
加工步骤如下：
1）用夹具将待加工的芳纶纤维复合材料夹紧；
2）用刀具对步骤1）中的待加工的芳纶纤维复合材料进行铣削。
如图1所示，所述的步骤1）中的夹具包括压模、上压板和下垫板；压模为铝合金材料；上压板和下垫板采用玻璃钢；使用时，将待加工的芳纶纤维复合材料放在下垫板上面，上压板放在待加工的芳纶纤维复合材料的上面，压模放置在上压板的上面，最后用螺钉压板将压模、上压板、待加工的芳纶纤维复合材料和下垫板压紧，压紧力为0.4MPa；所述的压模的外形与待加工的芳纶纤维复合材料一致，压模的尺寸与待加工的芳纶纤维复合材料的尺寸相差2mm；H=3mm，选用小螺旋角铣刀，切削速度Vc=90m/min，每齿进给量fz=0.06mm/z。
加工效果对比：
使用该工艺方法加工的零件，外形光滑、平整，外形公差在GB/T 1804-m公差范围内。而使用现有机械加工方法所加工的零件，外形堆积很多毛丝，局部有分层、烧焦现象。
实施例2
图3是一件芳纶纤维复合材料圆形零件及相应压模的图纸，芳纶纤维复合材料方形零件为一圆形板，直径为100mm，厚6mm；压膜为一圆形板，直径为98mm，厚6mm，要求尺寸公差等级按GB/T 1804-m执行，外形光滑、无起毛、分层、烧焦等缺陷。
加工步骤如下：
1）用夹具将待加工的芳纶纤维复合材料夹紧；
2）用刀具对步骤1）中的待加工的芳纶纤维复合材料进行铣削。
如图1所示，所述的步骤1）中的夹具包括压模、上压板和下垫板；压模为铝合金材料；上压板和下垫板采用玻璃钢；使用时，将待加工的芳纶纤维复合材料放在下垫板上面，上压板放在待加工的芳纶纤维复合材料的上面，压模放置在上压板的上面，最后用螺钉压板将压模、上压板、待加工的芳纶纤维复合材料和下垫板压紧，压紧力为0.6MPa；所述的压模的外形与待加工的芳纶纤维复合材料一致，压模的尺寸与待加工的芳纶纤维复合材料的尺寸相差1mm；H=6mm，选用人字刃铣刀，切削速度Vc=80m/min，每齿进给量fz=0.02mm/z。
加工效果对比：
使用该工艺方法加工的零件，外形光滑、平整，外形公差在GB/T 1804-m公差范围内。而使用现有机械加工方法所加工的零件，外形堆积很多毛丝，局部有分层、烧焦现象。
实施例3
图4是一件芳纶纤维复合材料方框形零件及相应压模的图纸，芳纶纤维复合材料方形零件为一正方形框板，外边长为120mm，内边长为100mm，厚10mm；压膜为一正方形框板，外边长为119mm，内边长为101mm，厚10mm，要求尺寸公差等级按GB/T 1804-m执行，外形光滑、无起毛、分层、烧焦等缺陷。
加工步骤如下：
1）用夹具将待加工的芳纶纤维复合材料夹紧；
2）用刀具对步骤1）中的待加工的芳纶纤维复合材料进行铣削。
如图1所示，所述的步骤1）中的夹具包括压模、上压板和下垫板；压模为铝合金材料；上压板和下垫板采用玻璃钢；使用时，将待加工的芳纶纤维复合材料放在下垫板上面，上压板放在待加工的芳纶纤维复合材料的上面，压模放置在上压板的上面，最后用螺钉压板将压模、上压板、待加工的芳纶纤维复合材料和下垫板压紧，压紧力为0.7MPa；所述的压模的外形与待加工的芳纶纤维复合材料一致，压模的尺寸与待加工的芳纶纤维复合材料的尺寸相差0.5mm；H=10mm，选用菠萝刃铣刀，切削速度Vc=70m/min，每齿进给量fz=0.06mm/z。
加工效果对比：
使用该工艺方法加工的零件，外形光滑、平整，外形公差在GB/T 1804-m公差范围内。而使用现有机械加工方法所加工的零件，外形堆积很多毛丝，局部有分层、烧焦现象。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (9)
1.一种铣削芳纶纤维复合材料的方法，其特征在于步骤为：
1）用夹具将待加工的芳纶纤维复合材料夹紧；
2）用刀具对步骤1）中的待加工的芳纶纤维复合材料进行铣削。
2.根据权利要求1所述的一种铣削芳纶纤维复合材料的方法，其特征在于：步骤1）中的夹具包括压模、上压板和下垫板；使用时，将待加工的芳纶纤维复合材料放在下垫板上面，上压板放在待加工的芳纶纤维复合材料的上面，压模放置在上压板的上面，最后用螺钉压板将压模、上压板、待加工的芳纶纤维复合材料和下垫板压紧，压紧力F=0.2-0.8MPa；压模的外形与待加工的芳纶纤维复合材料的外形一致；压模的尺寸与待加工的芳纶纤维复合材料尺寸相差0.2-5mm。
3.根据权利要求2所述的一种铣削芳纶纤维复合材料的方法，其特征在于：压模为金属材料。
4.根据权利要求3所述的一种铣削芳纶纤维复合材料的方法，其特征在于：压模为铝合金材料。
5.根据权利要求2所述的一种铣削芳纶纤维复合材料的方法，其特征在于：上压板和下垫板采用与待加工的芳纶纤维复合材料切削性能相近的材料。
6.根据权利要求5所述的一种铣削芳纶纤维复合材料的方法，其特征在于：上压板和下垫板均采用玻璃钢。
7.根据权利要求2所述的一种铣削芳纶纤维复合材料的方法，其特征在于：步骤2）中待加工的芳纶纤维复合材料的厚度H≤4mm，刀具为小螺旋角铣刀，切削速度Vc=70～120m/min，每齿进给量fz=0.007～0.3mm/z。
8.根据权利要求2所述的一种铣削芳纶纤维复合材料的方法，其特征在于：待加工的芳纶纤维复合材料的厚度4mm＜H≤8mm，刀具为人字刃铣刀，切削速度Vc=60～100m/min，每齿进给量fz=0.009～0.04mm/z。
9.根据权利要求2所述的一种铣削芳纶纤维复合材料的方法，其特征在于：待加工的芳纶纤维复合材料的厚度H＞8mm，刀具为菠萝刃铣刀，切削速度Vc=50～100m/min，每齿进给量fz=0.01～0.08mm/z。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20151223 |