CN110052674B - 碳纤维增强复合材料微孔的加工系统及加工工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及了一种碳纤维增强复合材料的新型孔加工系统和加工工艺,具有钻孔机构和去毛刺机构,先进行钻孔操作,然后再进行去毛刺操作,其中,钻孔机构采取放电加工的工艺对碳纤维增强复合材料进行钻孔操作,去毛刺机构采取强脉冲电子束辐照的工艺对钻孔后的孔件进行去毛刺操作。能够有效克服分层,孔出口撕裂、劈锥等重大缺陷,同时去毛刺效果显著,对实现高效、低缺陷、高质量航空、汽车制孔具有非常重要的意义。

Description

碳纤维增强复合材料微孔的加工系统及加工工艺
技术领域
本发明涉及专门适用于孔加工领域,更具体地讲,涉及一种碳纤维增强复合材料的孔加工系统和加工工艺。
背景技术
先进的航空产品要求航空零部件具有更优异的性能、更低的成本和更高的环保性。为了满足航空产品高精度、高效率、高可靠性等要求,人们力求飞机轻量化,以达到高效运输和降低能耗的目的,越来越多的新型材料被广泛用于航空产品的加工制造中。碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic,简称CFRP)等一批轻质难加工材料的应用带来了诸多生产加工难题。
碳纤维增强复合材料(CFRP)是一种新型结构材料,是以环氧树脂为基体材料,碳纤维作为增强材料,经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化处理等工艺制成的材料。作为一种先进的航空材料,CFRP具有比重小、刚性好和强度高的特点。近些年来,CFRP在航空航天、工业、国防、汽车及其他领域的应用也越来越广泛。
但是由于碳纤维复合材料是由纤维和基体组成的二相或多相结构,增强体通常为多层不同铺设方向的碳纤维组合而成,表现出明显的各向异性和层间强度低及硬度高等不利于加工的因素,在加工过程中,材料分层、表面剥离、毛刺、树脂或纤维崩缺等问题始终困扰着制造现场。此外,由于CFRP 材料的机械特性与金属材料有本质的区别,不能将加工传统金属材料的经验和知识直接应用于复合材料的加工。
钻削加工CFRP 约占其总切削加工量的一半以上,而制孔工具的选择是影响钻孔质量最重要的参数,不然极易造成孔壁表面周围材料分层,孔出口撕裂、劈锥等重大缺陷。而碳纤维复合材料具有层间强度低、各向异性、硬度高、脆性大等特点,在钻孔时易出现毛刺等制孔缺陷,从而引起质量问题,甚至导致零件报废。
实际上,制孔已经成为此类产品制造过程中最繁重的机械加工工序之一,因此,研究碳纤维复合材料的制孔方法与工艺,对实现高效、低缺陷、高质量航空制孔具有非常重要的意义。针对这一现状,因而迫切需要开发一种新型的碳纤维增强复合材料的孔加工系统及其加工工艺,以满足实际使用的需要。
发明内容
因此,针对现有技术上存在的不足,提供本发明的示例以基本上解决由于相关领域的限制和缺点而导致的一个或更多问题,安全性和可靠性大幅度提高,有效的起到保护设备的作用。
按照本发明提供的技术方案,该孔加工系统包括钻孔机构和去毛刺机构,钻孔机构采取放电加工的工艺对碳纤维增强复合材料进行钻孔操作,去毛刺机构采取强脉冲电子束辐照的工艺对钻孔后的孔件进行去毛刺操作。
进一步的,钻孔机构包括底座,底座的一侧设有线电极电火花磨削装置,线电极电火花磨削装置用于工具电极的制作,底座上还设有夹持装置,夹持装置用于夹持碳纤维增强复合材料,钻孔机构还包括主轴箱,工具电极可拆卸的连接在主轴箱下方的承载座上,钻孔机构还包括数字显微镜,数字显微镜用于聚焦工具电极和碳纤维增强复合材料工件的光纤层,钻孔机构还包括控制终端,控制终端用于控制主轴箱的运转。
进一步的,线电极电火花磨削装置包括线材,线材可以在线轴之间以可变的速度行进。
进一步的,工具电极由碳化钨棒制成,工具电极包括实口电极、单切口电极、双切口电极三种,均由线电极电火花磨削装置加工而成。
进一步的,夹持装置包括夹持柱和夹持爪,夹持爪能够通过螺栓进行调节。
进一步的,数字显微镜与显示装置连接。
进一步的,去毛刺机构包括真空腔室,真空腔室内设有电子枪组件和和移动台组件,电子枪组件包括阴极、阳极,其中惰性气体被来自阴极的加速电子电离而形成等离子体,电子枪组件的真空腔室壁上设有螺线管,其中通过调节加速电压和螺线管电压来控制等离子体电子束的能量密度,移动台组件包括可移动的载座,可移动的载座上设有基板,在钻孔后的碳纤维增强复合材料的上部还设有金属掩模,金属掩模具有与碳纤维增强复合材料孔相同直径的通孔,基板上通过夹具夹持有钻孔后的碳纤维增强复合材料和金属掩模。
进一步的,加速电压从5-50keV变化,螺线管电压从0.5-2.5keV变化,电子束脉冲数量为从5-40个变化。
进一步的,惰性气体为氩气,金属掩模的材质为铝。
本发明涉及了一种碳纤维增强复合材料的新型孔加工系统和加工工艺,具有钻孔机构和去毛刺机构,先进行钻孔操作,然后再进行去毛刺操作,其中,钻孔机构采取放电加工的工艺对碳纤维增强复合材料进行钻孔操作,去毛刺机构采取强脉冲电子束辐照的工艺对钻孔后的孔件进行去毛刺操作。能够有效克服分层,孔出口撕裂、劈锥等重大缺陷,同时去毛刺效果显著,对实现高效、低缺陷、高质量航空、汽车制孔具有非常重要的意义。
附图说明
图1为本发明孔加工系统原理图。
图2为本发明的工具电极制作示意图。
图3为本发明的钻孔偏差示意图。
图4为本发明的定位示意图。
图5为本发明的毛刺示意图。
图6为本发明的去毛刺原理图。
图7为本发明的去毛刺机理图。
图8为本发明的去毛刺效果图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明,本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。
本发明所涉及的CFRP孔加工系统包括钻孔机构1和去毛刺机构2,先进行钻孔操作,然后再进行去毛刺操作。钻孔机构1采取放电加工的工艺对碳纤维增强复合材料进行钻孔操作,去毛刺机构2采取强脉冲电子束辐照的工艺对钻孔后的孔件进行去毛刺操作。
CFRP的传统加工会导致非常大的刀具磨损,还会产生分层和纤维拉出等等众多缺陷,由于CFRP的应用越来越广,目前十分迫切需求CFRP的低缺陷加工方式,虽然目前诸如超声波加工、水射流加工、激光加工等非常规加工方式应用于CFRP的制孔工艺中,但是对于材料分层、表面剥离、纤维拉出等缺陷依然有待提高,而且对于微型孔的加工,上述加工方式更是无法胜任。
放电加工(EDM)是一种在难加工材料中生产孔的领先制造工艺。微细放电加工技术以其非接触加工、无明显宏观作用力、“以柔克刚”和放电能量易于控制等特点,在难加工材料、低刚度零件等微细轴、微细孔、阵列孔以及复杂微三维结构的加工中发挥了重要作用。
微孔被广泛应用在航空航天、能源动力、运载、汽车等重要行业的核心装备的关键零件中, 由于其直径小、深径比大且工件多为难加工材料, 微孔的高效稳定加工成为目前加工领域的一个难点。放电加工因具有无宏观作用力、不受材料机械性能影响以及工具电极制备方便等优点而成为微孔加工的一种方法。
如附图1所示,钻孔机构1包括底座1-1,底座1-1的一侧设有线电极电火花磨削装置1-2,线电极电火花磨削装置1-2用于工具电极1-3的制作,底座1-1上还设有夹持装置1-4,夹持装置1-4用于夹持碳纤维增强复合材料,钻孔机构1还包括主轴箱1-5,工具电极1-3可拆卸的连接在主轴箱1-5下方的承载座上,钻孔机构1还包括数字显微镜1-6,数字显微镜1-6用于聚焦工具电极1-3和碳纤维增强复合材料工件的光纤层,钻孔机构1还包括控制终端1-7,控制终端1-7用于控制主轴箱1-5的运转。
工具电极1-3由碳化钨(WC)棒或者钛合金(Ti6Al4V)棒制成。由于碳化钨、钛合金优异的机械性能,可以承受电介质冲洗的压力和由于不与工件接触所产生的力,工具电极1-3通过线电极电火花磨削装置(WEDG)进行粗加工、精加工步骤,WEDG可以将1mm的碳化钨棒制作成150μm,本发明所涉及的工具电极1-3的形式有三种,分别为实口电极、单切口电极、双切口电极三种,三种工具电极的加工过程如附图2所示,其中对于单切口电极和双切口电极,切口的宽度可以选择为25μm。
线电极电火花磨削装置1-2包括线材,线材可以在线轴之间以可变的速度行进。由于夹紧误差的存在,工具电极1-3安装在主轴箱1-5下方的承载座上会存在偏心量,一般的磨削机的加工精度相对较低,对于这种偏心量的作用有限,因而采用WEDG工艺,WEDG制作的工具电极能够基本消除偏心量,而且在数字显微镜的配合下还能够精确实现工具电极的尺寸。
当将制作好的工具电极安装在主轴箱下方的承载座上并且使用夹持装置将要钻孔的碳纤维增强复合材料夹持在指定位置后,启动主轴箱,在控制终端的操控下,主轴箱带动工具电极向碳纤维增强复合材料移动,开始展开钻孔操作。
夹持装置1-4包括夹持柱和夹持爪,夹持爪能够通过螺栓进行调节,夹持装置1-4的数量可以设置一组或者多组。
将直径150μm的工具电极1-3准确的定位在碳纤维增强复合材料工件的纤维层上是有困难的,纤维在肉眼可见时会被光线反射,而且由于空间有限,也很难将纤维层准确的压覆在夹持装置下,而且纤维层宽度小,将工具电极1-3准确的放置在纤维层上需要大量的时间和注意力,实际上受困于人类判断的限制,仅凭肉眼将工具电极1-3放置在纤维层上是及其有难度的。不精确的放置会导致纤维层和环氧树脂层部分接合,如附图3所示,在该位置的加工会导致工具电极1-3和环氧树脂层之间形成物理接触,工具电极1-3在环氧树脂中的移动会对工具电极1-3施加越来越大的压力,导致工具电极1-3偏心,随后工具电极1-3折断。因此,这种所成型的孔将是非圆柱形的,壁面质量也非常差,还要重新制作工具电极1-3重新制孔,大大增加时间成本。
因此,如附图4所示,钻孔机构1设置数字显微镜1-6来聚焦工具电极1-3和纤维层,解决了工具电极1-3定位的难题。本申请所所涉及的数字显微镜1-6的放大倍率为0-250X,数字显微镜1-6连接在显示装置上,显示装置用来显示数字显微镜聚焦下的工具电极和碳纤维增强复合材料的纤维层,将清晰放大的图像呈现在屏幕上,使得便于工具电极定位在纤维层的正上方。
完成上述工艺步骤后,即可以对碳纤维增强复合材料进行钻孔作业。众所周知的,EDM工艺中材料的去除取决于放电能量的大小,至于如何控制放电能量这是公知的技术,这里不再赘述。
通过EDM工艺加工的孔件相对一般加工工艺加工的孔件的精度已经得到了大幅度的提升,有效解决了分层、毛刺等缺陷,但是基于碳纤维增强复合材料实际使用对象的要求,对于孔件的质量要求极其严苛,对于毛刺要求最大程度的去除,要最大限度地减少缺陷的产生,附图5给出了EDM工艺加工后毛刺残余放大示意图,因此还需要对EDM工艺加工的孔件进行去毛刺处理。
虽然通过优化加工参数和改善刀具情况能够减少毛刺的产生,但是钻孔工具的磨损不可避免的会产生毛刺,这是因为热效应和碳纤维的缠结对钻孔工具有着不利的影响。对于传统的去毛刺工艺,如机械、磨蚀、喷砂、刷涂等,可以在钻孔过程中物理去除材料边缘产生的毛刺,然而这些物理方法减小了毛刺的尺寸,但它们并未去除所有未切割的纤维,对于一些非传统的工艺方法,如热、等离子、激光、化学和电化学等方法相对传统过程更有效,但是它们却具有非常多的使用限制,以激光去毛刺为例,如果渗透液渗透到树脂和碳纤维之间,基于溶液的工艺会引起分层,并且树脂材料和碳纤维之间的激光吸收率的巨大差异使得激光去毛刺变得异常困难。
利用高能量密度的电子束对材料进行工艺处理的一切方法统称为电子束加工。它是利用电子束的能量对材料进行加工, 是完全不同于机械加工的一种新型加工方法。
电子束表面改性处理过程中,只对工件的表面局部区域进行升降温处理,整个零件并未进入高温状态, 输入零件的总能量少,因此几乎不可能产生变形,不会对整个材料造成影响。所以,对于精密加工之后的零件特别适合,可大大减少精加工的研磨留量。
对于本发明而言,在钻完CFRP并确认孔中存在毛刺后,使用强脉冲电子束(SPEB)辐照去除毛刺。
如附图6所示,去毛刺机构2包括真空腔室2-1,真空腔室2-1内设有电子枪组件和和移动台组件,电子枪组件包括阴极、阳极,其中惰性气体被来自阴极的加速电子电离而形成等离子体,电子枪组件的真空腔室壁上设有螺线管2-2,其中通过调节加速电压和螺线管电压来控制等离子体电子束的能量密度,移动台组件包括可移动的载座,可移动的载座上设有基板2-3,在钻孔后的碳纤维增强复合材料的上部还设有金属掩模2-4,金属掩模2-4具有与碳纤维增强复合材料孔相同直径的通孔,基板2-3上通过夹具夹持有钻孔后的碳纤维增强复合材料和金属掩模2-4。
CFRP由两种不同材料组成,分别为碳纤维和环氧树脂,由于这两个材料具有完全不同的性质, SPEB辐照可能会对它们产生不同的影响,而且SPEB的能量要远高于碳纤维和环氧树脂的结合能量,因此,必须要避免环氧树脂在复合材料表面蒸发并损坏碳纤维。本发明在进行SPEB辐照之前,需要制作金属掩模以克服上述问题。对金属块进行激光打孔操作,使得金属块(材质为铝或其他金属)与通过EDM钻好的孔具有相同直径的通孔,从而形成金属掩模,然后将钻孔后的碳纤维增强复合材料置放在可移动的载座的基板上,将得到的金属掩模置于碳纤维增强复合材料上,使得金属掩模的通孔和碳纤维增强复合材料的孔对齐,通过基板上的夹具夹持钻孔后的碳纤维增强复合材料和金属掩模,这样通过精确调整CFRP和金属掩模四面的位置来匹配孔的中心,这样就防止了辐照过程中环氧树脂的蒸发和潜在的损害,因此SPEB辐照仅仅就是去除未完全切割的碳纤维毛刺。
将通过上述步骤装配好的可移动的载座放入真空腔室内并置于电子枪的正下方,对真空腔室进行抽真空操作后,完成了SPEB辐照的准备工作。
启动电子枪,惰性气体被来自阴极的加速电子电离而形成等离子体,本发明使用氩气作为等离子气体。通过调节加速电压(Va)和螺线管电压(Vs)来控制等离子体电子束的能量密度,为了获得足够的能量密度,对于本发明而言为2-15J/cm2,将加速电压(Va)从5-50keV变化,螺线管电压(Vs)从0.5-2.5keV变化,由于SPEB会产生极短的脉冲,持续时间一般只有2μs,因此需要电子束脉冲数量(N)为从5-40个变化,以确保具有足够的能量。由于光束数量较多,因此光束的直径相对也较大,光束能够容易的聚焦在孔的中心,因此,光束可以对钻孔的整个表面和边缘进行均匀辐照,进行去毛刺操作。
从电子枪阴极表面发射的等离子体, 经加速后直接轰击需要处理的工件表面,瞬间的能量转换和沉积使毛刺温度急剧升高, 而基体仍保持冷态, 电子束结束照射时,加速等离子体的高动能转变成热能,加热区域的热量迅速向基体扩散, 表面层的温度急剧下降, 从而在毛刺表面形成特定的加热、冷却过程, 就很容易破坏碳-碳键,由于CFRP上的毛刺主要由碳纤维组成,因此通过SPEB辐照可以有效的去除这些毛刺。以上述过程为基础,通过控制加速电压、螺线管电压、电子束脉冲数量进行操作, 就构成了SPEB辐照去毛刺处理的独特工艺。附图7详细描述了SPEB辐照去毛刺机理;共有step1、step2、step3、step4四个步骤,其中step1代表了钻孔后工件,step2代表了去除碳纤维毛刺附着物,step3代表了去除碳纤维毛刺,step4代表了毛刺去除完毕。附图8给出了在不同加速电压、螺线管电压、电子束脉冲数量工况下去毛刺效果。
本说明书中指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
在本说明书中,对技术术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外,在不相互矛盾的情况下,本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

Claims (7)

1.一种碳纤维增强复合材料微孔的加工工艺,所述的加工工艺由碳纤维增强复合材料微孔的加工系统完成,所述的碳纤维增强复合材料微孔的加工系统包括钻孔机构(1)和去毛刺机构(2),其中,所述的钻孔机构(1)采取放电加工的工艺对所述的碳纤维增强复合材料进行钻孔操作,所述的去毛刺机构(2)采取强脉冲电子束辐照的工艺对钻孔后的微孔件进行去毛刺操作;
所述的钻孔机构(1)包括底座(1-1),所述的底座(1-1)的一侧设有线电极电火花磨削装置(1-2),所述的线电极电火花磨削装置(1-2)能够用于将1mm的工具电极(1-3)制作成150μm,所述的工具电极(1-3)为单切口电极,所述的底座(1-1)上还设有夹持装置(1-4),所述的夹持装置(1-4)用于夹持碳纤维增强复合材料,所述的钻孔机构(1)还包括主轴箱(1-5),所述的工具电极(1-3)可拆卸的连接在所述的主轴箱(1-5)下方的承载座上,所述的钻孔机构(1)还包括数字显微镜(1-6),所述的数字显微镜(1-6)用于聚焦所述的工具电极(1-3)和所述的碳纤维增强复合材料工件的纤维层,所述的钻孔机构(1)还包括控制终端(1-7),所述的控制终端(1-7)用于控制所述的主轴箱(1-5)的运转;
所述的去毛刺机构(2)包括真空腔室(2-1),所述的真空腔室(2-1)内设有电子枪组件和和移动台组件,所述的电子枪组件包括阴极、阳极,其中惰性气体被来自阴极的加速电子电离而形成等离子体,所述的电子枪组件的真空腔室壁上设有螺线管(2-2),其中通过调节加速电压和螺线管电压来控制等离子体电子束的能量密度,所述的移动台组件包括可移动的载座,所述的可移动的载座上设有基板(2-3),在钻孔后的碳纤维增强复合材料的上部还设有金属掩模(2-4),所述的金属掩模(2-4)具有与碳纤维增强复合材料孔相同直径的通孔,所述的基板(2-3)上通过夹具夹持有钻孔后的碳纤维增强复合材料和金属掩模(2-4);
其特征在于,所述的碳纤维增强复合材料微孔的加工工艺步骤如下:
A、制作工具电极,使用线电极电火花磨削装置对碳化钨棒进行粗加工、精加工步骤,获得合适尺寸和种类的工具电极;
B、将通过步骤A制作好的工具电极安装在主轴箱下方的承载座上,使用夹持装置将要钻孔的碳纤维增强复合材料夹持在指定位置;
C、启动主轴箱,在控制终端的操控下,主轴箱带动工具电极向碳纤维增强复合材料移动,同时,开启数字显微镜,显示装置显示数字显微镜聚焦下的工具电极和碳纤维增强复合材料的纤维层,使得工具电极定位在纤维层的正上方;
D、对碳纤维增强复合材料进行钻孔作业;
E、制作金属掩模,对金属块进行激光打孔操作,使得金属块与步骤D中钻好的孔具有相同直径的通孔,从而形成金属掩模;
F、将钻孔后的碳纤维增强复合材料置放在可移动的载座的基板上,将步骤E得到的金属掩模置于碳纤维增强复合材料上,使得金属掩模的通孔和碳纤维增强复合材料的孔对齐,通过基板上的夹具夹持钻孔后的碳纤维增强复合材料和金属掩模;
G、将通过步骤F装配好的可移动的载座放入真空腔室内并置于电子枪的正下方,对真空腔室进行抽真空操作;
H、启动电子枪,选择合适的加速电压、螺线管电压、电子束脉冲数量,对钻孔的整个表面和边缘进行均匀辐照,进行去毛刺操作。
2.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强复合材料微孔的加工工艺,其特征在于,所述的线电极电火花磨削装置(1-2)包括线材,所述的线材在线轴之间以可变的速度行进。
3.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强复合材料微孔的加工工艺,其特征在于,所述的工具电极(1-3)由碳化钨棒制成,所述的工具电极(1-3)的切口由所述的线电极电火花磨削装置(1-2)加工而成。
4.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强复合材料微孔的加工工艺,其特征在于,所述的夹持装置(1-4)包括夹持柱和夹持爪,所述的夹持爪能够通过螺栓进行调节。
5.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强复合材料微孔的加工工艺,其特征在于,所述的数字显微镜(1-6)与显示装置(1-8)连接。
6.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强复合材料微孔的加工工艺,其特征在于,所述的加速电压从5-50keV变化,所述的螺线管电压从0.5-2.5keV变化,电子束脉冲数量为从5-40个变化。
7.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强复合材料微孔的加工工艺,其特征在于,所述的惰性气体为氩气,所述的金属掩模(2-4)的材质为铝。
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