CN109048510A - 一种碳纤维加工过程中的分层控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种碳纤维加工过程中的分层控制方法，其特征在于：本方法采用超声加工机床对碳纤维进行加工，所述超声加工机床的加工刀具采用电镀金刚石刀具；在对碳纤维材料进行加工过程中，对超声加工机床设置合理的主轴转速值、进给速度值、材料处理方式、超声振幅值；在碳纤维材料上加工同一个孔时，分别在不同的加工阶段采用不同的进给速度进行加工。本发明方法通过采用电镀金刚石刀具，提高加工碳纤维时的材料去除率，改善加工碳纤维的孔壁质量；使用旋转超声加工技术，降低碳纤维加工时的切削力，达到良好的分层控制效果；提出碳纤维的变工艺加工方法，兼顾加工效率与加工质量；采用出口侧加支撑的分层控制方法，有效避免或减少加工分层现象。

Description

一种碳纤维加工过程中的分层控制方法
技术领域
本发明属于碳纤维复合材料加工领域，具体涉及一种碳纤维加工过程中的分层控制方法。
背景技术
碳纤维复合材料因优良的力学性能和物理特性而广泛应用于军事、航天、交通等领域。孔加工是CFRP(碳纤维增强复合材料)工业应用中最常的加工方式，加工过程中采用不恰当的工艺参数引起分层缺陷极易造成CFRP零件的报废，据统计，在飞机最终装配过程中，60％的零件报废都是由分层缺陷造成的。造成分层缺陷的因素主要是钻孔加工过程中的轴向力大于材料出口侧发生分层的临界轴向力，所以如何降低加工中产生的轴向力是对分层进行控制的关键。传统的加工方法通过控制相应的加工参数、优化刀具结构来实现碳纤维加工中的切削力控制，从而实现碳纤维加工中的分层控制，这种方法往往存在加工效率低、成本较高等缺点。在如今的机械加工的新方法中，旋转超声加工被认为是降低材料加工时产生的轴向力和扭矩的有效方法，但在应用旋转超声加工技术的同时，也应该配合普通加工中的相应工艺参数才能达到理想的分层控制效果，旋转超声加工工艺的应用使材料的去除机理发生了变化，这需要得到一套包括超声振幅、超声频率、主轴转速、进给量在内的新的加工工艺方法，通过这种新的加工工艺方法，可以在消除加工分层缺陷的同时，达到大幅提高加工效率的目的。
发明内容
本发明针对现有碳纤维加工中分层控制方法的不足，提出了一种新的碳纤维加工过程中的分层控制方法，它利用旋转超声加工技术和变工艺加工工艺，可以在改善目前碳纤维加工过程中的分层现象的同时，提高碳纤维加工效率，实现碳纤维复合材料的高质量加工。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种碳纤维加工过程中的分层控制方法，其特征在于：本方法采用超声加工机床对碳纤维进行加工，所述超声加工机床的加工刀具采用电镀金刚石刀具；在对碳纤维材料进行加工过程中，对超声加工机床设置合理的主轴转速值、进给速度值、材料处理方式、超声振幅值；在碳纤维材料上加工同一个孔时，分别在不同的加工阶段采用不同的进给速度进行加工。
所述超声加工机床包括机床主轴和从上到下依次连接设置在机床主轴上的超声发生器、变幅杆和刀具，超声发生器外接超声波电源，机床主轴下方设置加工平台，加工平台上设置用于碳纤维加工材料定位夹紧的工装夹具，所述超声加工机床可同时实现由机床主轴驱动超声发生器与变幅杆的旋转运动和由超声电源驱动超声发生器与变幅杆的上下振动。
所述电镀金刚石刀具端部为环状体，环状体内外侧和底部端面均参与磨削，刀具参与磨削部分环状体内侧、外侧及底部端面上均镀有金刚石磨粒，所述金刚石粒度大小约为60#，所述刀具底端两侧对称开设有两个排屑槽。
所述主轴转速值范围为500rmp～3000rmp，优先选用较大的转速值。
所述进给速度值范围为20mm/min～500mm/min，优先选用较小的进给速度值。
所述材料处理方式为在钻削碳纤维材料时，在碳纤维钻削的出口侧增加铝板或者涂胶作为刚度支撑，优先选用增加铝板支撑的方式。
所述超声振动幅值为9～20μm，优先选用10μm。
所述变进给速度加工，在钻孔的开始阶段采用较高的进给速度，优选值为400mm/min，在将要钻穿的阶段，采用较低的进给速度，优选值为20mm/min。
本发明具有如下优点：
采用电镀金刚石刀具，提高加工碳纤维时的材料去除率，改善加工碳纤维的孔壁质量；使用旋转超声加工技术，降低碳纤维加工时的切削力，可达到良好的分层控制效果；提出碳纤维的变工艺加工方法，兼顾加工效率与加工质量；采用出口侧加支撑的分层控制方法，有效避免或减少加工分层的现象。
附图说明
图1为本发明方法所采用的加工设备示意图；
图2为本发明所使用的刀具结构示意图；
图3为本发明实验结果图，实验条件为主轴转速2000r/min，超声振幅为0μm、9μm，进给速度分别为20mm/min，180mm/min，340mm/min，500mm/min；
图4为本发明实验结果图，实验条件为进给速度20mm/min，超声振幅为0μm、9μm，主轴转速分别为500r/min，1000r/min，1500r/min，2000r/min；
图5为本发明实验结果图，实验条件为主轴转速2000r/min，超声振幅为9μm，进给速度分别为20mm/min，180mm/min，340mm/min，500mm/min，材料处理方式分别为不处理，垫Al板，涂胶；
图6为本发明实验时的变进给参数值变化图；
图中：1-机床主轴，2-超声发生器，3-变幅杆，4-刀具，5-工装夹具，6-加工平台，7-加工材料，8-超声电源，9-刀具内侧，10-刀具底部端面，11-刀具外侧。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明，本发明方法通过采用合适的加工设备、合理的加工工艺参数和变进给加工方式，控制碳纤维材料加工过程中的分层现象，如图1所示，为本发明采用的超声加工机床，包括机床主轴1、超声发生器2、变幅杆3、刀具4、工装夹具5、加工平台6、加工材料7和超声波电源8，机床主轴1上从上到下分别装有超声发生器2、变幅杆3和刀具4，超声发生器2、变幅杆3、刀具4一同随着机床主轴1做高速旋转运动，机床主轴1下方设置了加工平台6，加工平台6上设置了专门用于碳纤维加工材料7定位夹紧的工装夹具5。
超声加工机床的工作原理为：超声波电源8产生一特定幅值和频率的高频电压信号，通过导线将该电压信号传输到超声发生器2，超声发生器2上设置有压电陶瓷片，该压电陶瓷片随着电压的变化做轴向的伸缩振动，该振动通过变幅杆3放大，将振动传输到刀具4上，使刀具切削刃处产生一个振幅为9～20μm的高频振动。刀具的切削刃除了做高速的旋转运动外，还做轴向的高频振动，这种旋转超声加工方式可以有效的降低切削力和扭矩。
如图2所示，为电镀金刚石刀具4，刀具上参与磨削部分内侧9、外侧11及底部端面10均镀有金刚石磨粒，金刚石粒度大小约为60#，刀具全长44mm，内径7.7mm，外径10.2mm。刀具底端两侧开有两个宽度为1.3mm，深3.5mm的排屑槽，刀具参数可根据不同使用要求进行改进。
为了减少材料的分层，本发明采用以下三种方式结合的方法来实现：
1)合理的加工参数：在超声加工机床设置上，主轴转速值范围为500rmp～3000rmp，进给速度值范围为20mm/min～500mm/min，超声振动幅值为9～20μm，通过选取合适的加工参数或加工参数的组合来实现分层控制，一般的，选用较高的主轴转速和较低的进给速度更容易得到较小的分层，相反，选用较低的主轴转速和较高的进给速度容易得到较大的分层。
2)材料出口添加刚度支撑处理：钻削碳纤维材料时，在碳纤维钻削的出口侧增加铝板或者在材料底部涂胶作为支撑，添加支撑可以明显提高材料抵抗变形的能力，即使在使用较大的进给量和较低的转速时，也能有效的避免分层的产生，一般的，增加铝板支撑的方式要优于涂胶的支撑方式。
添加支撑的具体实施方法：涂胶的方式采用的胶为改性丙烯酸酯胶，室温下固化后厚度约为2mm，在钻透材料时，高温会使胶软化，因此涂胶提供的是柔性支撑；铝板支撑的方式采用在碳纤维钻孔出口侧添加铝板，铝板可提供刚性支撑。
3)变进给速度加工：在钻孔的开始阶段采用较高的进给速度，优选值为400mm/min；在将要钻穿的阶段，采用较低的进给速度，优选值为20mm/min。一般的，在距离钻穿平面处2mm的地方转换为较低的进给速度为一种较优的加工方式。
使用本发明方法进行具体的加工实验，得到的具体效果如下：
1)设置合理的加工参数：
如图3所示，在实验条件为主轴转速2000r/min，超声振幅为0μm、9μm，进给速度分别为20mm/min，180mm/min，340mm/min，500mm/min，测得的材料分层厚度；如图4所示，在实验条件为进给速度20mm/min，超声振幅为0μm、9μm，主轴转速分别为500r/min，1000r/min，1500r/min，2000r/min时测得的材料分层厚度，由图示数据可以看出，改变主轴转速、进给速度可以达到控制分层大小的效果，使用超声加工可以更有效的控制分层，由此可得合理的加工参数完全可以消除分层现象。
2)材料出口添加刚度支撑处理：
如图5所示，在实验条件为主轴转速2000r/min，超声振幅为9μm，进给速度分别为20mm/min，180mm/min，340mm/min，500mm/min，材料处理方式分别为不处理，垫Al板，涂胶材料出口处添加刚度支撑时，得到的材料分层厚度，由图示数据可以看出，材料出口处添加刚度支撑可以达到消除分层的效果，且垫Al板的方式比涂胶的方式具有更佳的效果。
3)变进给速度加工
按照图6所示的加工工艺进行变进给加工，以板厚为8mm的平面编织碳纤维板为例，变进给加工工艺选为，在前4mm时采用400mm/min的进给速度，在4～6mm深度时，采用200mm/min进给速度，在6～8mm深度时，采用小于20mm/min的进给速度，加工结果均无分层现象。
本发明的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。

Claims (8)

1.一种碳纤维加工过程中的分层控制方法，其特征在于：本方法采用超声加工机床对碳纤维进行加工，所述超声加工机床的加工刀具采用电镀金刚石刀具；在对碳纤维材料进行加工过程中，对超声加工机床设置合理的主轴转速值、进给速度值、材料处理方式、超声振幅值；在碳纤维材料上加工同一个孔时，分别在不同的加工阶段采用不同的进给速度进行加工。
2.如权利要求1所述的一种碳纤维加工过程中的分层控制方法，其特征在于：所述超声加工机床包括机床主轴和从上到下依次连接设置在机床主轴上的超声发生器、变幅杆和刀具，超声发生器外接超声波电源，机床主轴下方设置加工平台，加工平台上设置用于碳纤维加工材料定位夹紧的工装夹具，所述超声加工机床可同时实现由机床主轴驱动超声发生器与变幅杆的旋转运动和由超声电源驱动超声发生器与变幅杆的上下振动。
3.如权利要求1所述的一种碳纤维加工过程中的分层控制方法，其特征在于：所述电镀金刚石刀具端部为环状体，环状体内外侧和底部端面均参与磨削，刀具参与磨削部分内侧、外侧及底部端面上均镀有金刚石磨粒，所述金刚石粒度大小约为60#，所述刀具底端两侧对称开设有两个排屑槽。
4.如权利要求1所述的一种碳纤维加工过程中的分层控制方法，其特征在于：所述主轴转速值范围为500rmp～3000rmp，优先选用较大的转速值。
5.如权利要求1所述的一种碳纤维加工过程中的分层控制方法，其特征在于：所述进给速度值范围为20mm/min～500mm/min，优先选用较小的进给速度值。
6.如权利要求1所述的一种碳纤维加工过程中的分层控制方法，其特征在于：所述材料处理方式为在钻削碳纤维材料时，在碳纤维钻削的出口侧增加铝板或者涂胶作为刚度支撑，优先选用增加铝板支撑的方式。
7.如权利要求1所述的一种碳纤维加工过程中的分层控制方法，其特征在于：所述超声振动幅值为9～20μm，优先选用10μm。
8.如权利要求1所述的一种碳纤维加工过程中的分层控制方法，其特征在于：所述变进给速度加工，在钻孔的开始阶段采用较高的进给速度，优选值为400mm/min，在将要钻穿的阶段，采用较低的进给速度，优选值为20mm/min。
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