典型复合材料零件加工技术

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《机械工程师杂志》2014年第五期

1典型零件的车削加工

在前期对该类复合材料结构切削加工处于探索阶段，考虑材料高强度、高脆性、纤维密集处切削性能差等特点，刀具应同时满足锋利、不易磨损等条件，为此选用焊接式硬质合金YW1刀具进行加工。主要加工方法为采取小切深、小进给量、连续沿轮廓等距方式走刀。以复合内衬为例，其加工程序如下。由以上程序可以看出，该加工方法主要是按照传统的加工方式先进行等距车削走刀路线，如图2所示。加工过程中出现的主要问题：1）零件表面有烧伤现象；2）崩边缺陷现象严重；3）尺寸不稳定；4）刀具磨损快。

2影响加工质量的主要因素与解决方案

2.1影响加工质量的主要因素1）材料组织均匀性。从图2可以看出，在加工复合内衬过程中，两端及台阶锐边处出现了崩边缺陷。由于复合内衬毛坯存在直角阶梯结构，模压中流体在该区域的流向是涡流，对纤维与酚醛树脂混合流体的流动不利，另一方面，固化过程中流动聚积多在边缘部分，使模压后边角部分组织不均匀，导致边缘处强度降低，脆性增大，加工时容易崩边。2）刀具和切削参数。复合材料碳纤维/酚醛、高硅氧/酚醛切削性能较差，在没有冷却介质的情况下，若切削进给偏大或者刀具磨损不够锋利，可能导致加工表面出现“拉丝”和“起毛”现象，甚至出现纤维被成片扯离等严重缺陷。另外，走刀路线不合理也是引起表面缺陷尤其是边缘崩裂缺陷的主要原因之一。

2.2解决措施1）改进毛坯结构。复合材料的组织均匀性是影响其切削性能的主要因素之一。因此，将复合内衬毛坯结构进行改进，将原来的直角阶梯柱面改为一个柱面，并由R10曲面与锥面光滑连接，避免尖角结构，改善其流动性（图3）。2）合理选择刀具与切削参数。由于复合内衬的结构特性，切削刀具应满足锋利、高耐热性、耐磨性好、主切削刃强度高等特点。因为高速钢刀具不具备以上特点，所以我们选择了TiAlNPVD涂层硬质合金、PCBN（涂层CBN）、PCD（金刚石）3种刀具。其切削参数如表1。由表1轮廓车削试验可以看出，加工碳纤维/酚醛、高硅氧/酚醛复合材料时选用PCD刀片能够满足各尺寸精度要求，表面效果好，加工效率很高；因为PCD、PCBN刀片是烧结在硬质合金上，所以刀片的切削刃比较短，因此，在使用PCD刀片加工复合材料时ap不宜太大；在加工碳纤维/酚醛、高硅氧/酚醛复合材料时不许加任何冷却介质，所以在加工过程中切削速度速v不宜过高（PCD刀具理论切速v=650～800m/min）。3）优化加工方法。加工方法的选择尤为重要，经过反复试验，总结出以下经验：（1）增加切槽工步：在加工复合内衬时增加切刀首先在左端粗切，去除轴向余量，Z向余量保证在0.1～0.2mm之间，X向余量0.5～1mm之间。（2）合理编排精加工切削路径如图4，断面路径如图5。（3）粗、精加工刀具分开使用，经常观察精加工刀具的锋利程度，发现后刀面磨损严重应及时更换。

3结语

通过对复合内衬加工的工艺试验，解决了该类零件加工的技术难题，总结了一套实用的加工方法，在实际运用中取得了很好的效果：1）PCD刀片是加工碳纤维/酚醛、高硅氧/酚醛复合材料的首选；2）宜采用低切削速度、小切深，这样可以提高刀具寿命；3）用PCD刀片加工碳纤维/酚醛、高硅氧/酚醛复合材料采取“入体”路径切削法，合理设计模压毛坯和模压工艺等技术措施，能有效地解决零件“翻边”“拉丝”“崩边”等问题。

作者：石明王勇单位：中航工业空空导弹研究院十三分厂