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复合材料的切削加工与实例

文章来源:  发布时间:2019-6-6  浏览次数:32
  一、复合材料的钻削加工
  复合材料有别予金属,若用钻金属的刀具在复合材料上钻孔,那么就会使钻孔质量很差,同时也会使刀具磨损过快。需要使用经过专门设计的刀具来解决因材料的摩擦而使钻头在分层材料上入孔和出孔时造成的材料脱层现象。
  图4、图5为肯纳飞硕金属有限公司开发的一种复合材料钻孔刀具。应用该钻头在碳素纤维强化聚合物复合材料上钻300个孔(钻穿)以后才开始产生毛刺和脱层现象,而其他的PCD钻头在钻150个孔后就会产生毛刺和脱层现象。
  
  图4 SPF钻 图5 SPF钻对碳素纤维强化聚合物复合材料的加工
  由于碳素纤维/环氧树脂复合物的抗拉强度在1500~3000MPa之间,密度在1.5~2.0g/cm3之间。而钢的抗张强度在1200~1500MPa之问,密度为8.0lg/cm3;铝抗张强度600MPa,密度为2.769/cm3。在选用刀具材料时,应选用含钴较低的工具,既可以抗磨损,又可以增加工具的硬度和抵抗切割切削中产生的高温。含钴较低的工具降低了韧性,在复合材料上钻孔时不需要过高的韧性,因为它不像在金属上钻孔那样需要产生太大的钻孔钻削力度。金属切割切削工具中的镀层涂层很普遍,但是复合材料的切割切削刀具就不需要这样。碳化物硬质合金的质量和刃磨质量,可使钻头获得最佳的使用寿命。
  对于加工难度较大的复合材料钻孔,可采用122m/rain的切酎速度以确保钻孔出口的完整性;对于容易切削材料,为提高生产效率,可采用137m/min的切削速度和最高0.lmm的进钻速度。被加工材料需要的压力大于111N时,切削速度和进钻速度均应降低。
  二、复合材料的切削加工实例
  ①切削玻璃钢时,原用YG6X硬质合金刀具切削,c:30m/min,切削对间为6min,刀具因磨损严重而不能切削。改用国产PCD刀具后,口。=109m/min,切削时间为169min,刀具的后刀面只磨损了0.2mm。
  ②车削填充Si02的聚四氟乙烯时,用PCD刀具切削路程为70000m,后刀面只磨损了0.17mm,加工精度为IT5,表面粗糙度Ra为0.8~0.4um。而用813硬质合金,只车削了360m,后刀面严重磨损,影响车削质量。PCD刀具的耐用度为硬质合金刀具耐用度的194倍。
  ③车削酚醛纤维制的轴承座时,用硬质合金车刀只能车削1000件,而且质量得不到保证。用PCD车刀则能加工12000件,工件精度完全达到要求。
  ④加工玻璃纤维增强塑料时,用PCD刀具,在条件下,刀具耐用度是硬质合金刀具的150倍。
  ⑤车削Si02填充环氧树脂的零件端面时,用硬质合金车刀只能加工210个,而用PCD刀具,则能加工3000个。
  用PCD刀具切削碳纤维增强复合材料时,切屑呈粉状,切削温度较低,切削路程为硬质合金刀具的10倍,可是刀片磨损却不到硬质合金的1/3。
  ⑥在玻璃钢材料上车螺纹,容易出现起皮、掉渣、崩牙等现象。这是由于玻璃钢的抗劈强度远远小于它的抗拉强度和抗压强度。如3230酚醛层压玻璃布板的抗拉强度为98MPa,而它的抗劈强度只有12.7MPa。所以玻璃钢在切削过程中,应在避免受劈的情况下进行切削,这样可以避免上述不良现象的产生。这就要求要合理选择车削玻璃钢螺纹刀具的几何参数和切削用量。
  图6(a)所示为负刃倾角月牙洼型正前角螺纹车刀;图6(b)所示为负刃倾角负前角螺纹车刀。这两种刀具车玻璃钢螺纹,效果都好。它们的共同特点是,都采用了负的刃倾角,这样就改变了切削分力的大小与方向,对防止螺纹的缺陷十分有利。通过实践证明,如果采用大于0度的刃倾角,螺纹的车削质量就比较差。
  用硬质合金车刀车削玻璃钢螺纹的切削速度为20~80m/min,对玻璃布缠绕的管材螺纹的切削速度以20~35m/min为好,切削深度一般为0.1~0.5mm。
  ⑦SiC颗粒增强铝基复合材料超精密车削。使用天然金刚石刀具(SCD)对颗粒平均尺寸S=7jum的15%(体积分数)SiCp/2024A1复合材料进行端面车削加工。机床转速,2固定为1000r/min,每转进给量,和切削深度口。分别在1~10/,m/r和1~20btm内变化。
  切削深度口,对加工表面粗糙Ra的影响较小,当从1um增大到10um时,Ra增加幅度仅为10.23%。故实际生产时,尽可能采用较大的切削深度以提高生产效率。但切深增大时,切削力和切削温度也增大,刀具磨损率也增大,同时过大的切削深度会造成切削不平稳,从而对加工表面质量不利。
  刀具每转进给量厂对加工表面粗糙度的影响显著。当厂从lum/r增大到10/lm/r时, Ra增船幅度达182.16%(对直线刃SCD刀具而言)。随进给量的增大,刀具与工件相对振动明显加剧,且加工表面由于SiC颗粒拔出、破碎而留下的坑洞、微裂纹、基体材料撕裂等缺陷也明显增多。上述这些因素导致加工表面粗糙度值随进给量的增加而显著增大。实际生产中,宜采用尽量小的进给量,这样不但能容易获得良好的加工表面,还能降低切削力、切削温度以及增加切削平稳性。但进给量越小,切削层厚度越薄,加工表面与后刀面间的摩擦越严重,粉末状切屑对后刀面的研磨作用越强,从而刀具磨损率就越大。在很小的进给量下(小于0.2mm/r)切削时,金刚石刀具发生了不正常的越度密损。这种现象的出现可能是因为金刚石刀具发生了扩散磨粒磨损。工程实际选择进给量时,应综合考虑刀具费用、生产率和加工表面质量。
  增加枫床转速刀,Ra有所减小,但,l对Ra的影响远没有进给量,显著。对SiCp/A1复合材料,表面质量和表面粗糙度在很大程度上受SiC颗粒去除机制的影响,而SiC颗粒的切断和拔出机制又决定于基体材料应变率,即由切削时SiC颗粒周围材料的塑性变形决定。一般来说,当主轴转速增大,基体材料应变率增大,铝基体难于(来不及)变形,在这种情况下,SiC颗粒就倾向于被切断而不是被拔出,从而产生的凹坑和裂纹减少,表面粗糙度也较好。


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