大型碳纤维复合材料壁板轮廓数控铣削工艺技术

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1、大型碳纤维复合材料壁板轮廓数控铣削工艺技术NCMillingTechnologyforLargeCarbonFiberCompositesPanelContour中航工业北京航空制造工程研究所康永峰陈树巍袁士平邵坤安铮康永峰工程师，现于北京航空制造工程研究所数字化与柔性装配研究室从事航空数控加工技术研究。碳纤维复合材料(CFRP)是以碳或者石墨纤维为增强体的树脂基复合材料，具有比强度高、比刚度大、可设计性强及良好的抗疲劳损伤性能和耐腐蚀性能的优点。碳纤维复合材料与钢材相比其质量减轻75％，而强度却提高4倍，其卓越的性能带来了其在航空航天领域的大量应用。碳纤维增强复合材料在大型民7

2、0航空制造技术-2013年第15期随着碳纤维增强复合材料在大型零部件上的应用不断增加，使得该类构件的铣削加工已经不能局限于制孔．零部件在装配前需要进行精确的轮廓及局部型面加工、特殊槽加工、孔加工，大型碳纤维增强复合材料构件如此系统的高要求的机械加工不可避免的需要专业有效的数控加工技术。机机体结构上的大量应用已经是现代大型民机的显著特点之一，复合材料用量占机体结构重量的百分比从空客A380的22％(另有GLARE材料占3％)到波音787的50％，再到空客A350XWB的53％，这标志着复合材料已成为现代大型民机首要结构材料，结束了以铝合金为主的机体结构选材时代。同时在碳纤维复合材料

3、在战机上的也应用也已经步人新的时代，“阵风”战机用量为40％，JAS39战机占30％，“台风”战机EP2000大于40％，B一2轰炸机占到50％，F一22占到24％。碳纤维复合材料的大量应用及新型飞机性能要求的不断提高，特别是新一代隐身战机对碳纤维复合材料蒙皮及零件的高轮廓精度要求，使得碳纤维复合材料的机械加工已经从单纯的制孑L转变为高精度的精准加工。虽然碳纤维增强复合材料零部件的加工与传统金属加工比起来加工量很少，但是其机加工却富有挑战性：基材由于过热而易熔化，碳纤维易折断，CFRP的分层结构在机加工时很容易崩裂分离。如果可以进行加工，如何保证这种昂贵的工件确实可用呢?深人、系

4、统地研究碳纤维增强复合材料高效、可行、无缺陷、精准的数控JJu-r技术具有重要的意义。大型碳纤维复合材料壁板轮廓数控铣削特点碳纤维增强复合材料是由质软而粘性大的基体和强度高、硬度大的纤维混合而成的二相或多相结构，其力学性能呈各向异性，机械加工条件比较恶劣，是典型的难加工材料。碳纤维增强复合材料铣削加工的主要特点如下：(1)材料产生分层破坏。分层是复合材料铺层之间脱胶而形成的一种破坏现象，当铣削参数不合理时会使层间受力过大而导致分层。分层会严重降低材料的性能甚至使零件报废，即使是微小的分层也是非常严重的安全隐患。由于复合材料呈现各向异性、层间强度低，铣削时在铣削力的作用下容易产生分

5、层、撕裂等缺陷，加工质量难以保证。(2)刀具磨损严重，耐用度低。铣削区温度高且集中于刀具铣削刃附近很窄区域内，纤维的回弹及粉末状的切屑又加重了擦伤刃口和后刀面，加之碳纤维的硬度非常高，故刀具磨损严重，后刀面产生沟状磨损，耐用度低。(3)铣削温度高。碳纤维复合材料切屑形成过程是一个基体破坏和纤维断裂相互交织的复杂过程，在此过程中，碳纤维作为铣削硬质点连续磨耗刀具，因碳纤维断裂和基体剪切，以及切屑与前刀面、后刀面与已加工表面之间的摩擦而产生大量的铣削热，加之碳纤维复合材料导热性差等原因，铣削热主要传向刀具和工件，导致刀具的快速磨损。(4)零件刚性差。碳纤维增强复合材料优异的结构性能，

6、给壁板的设计带来了巨大的变革，在满足强度要求的情况下大大减小了壁板厚度与重量，因此大型碳纤维增强复合材料壁板的刚性较差，对零件的合理支撑与定位来消除刚性较差带来的误差将直接影响到最终轮廓加工精度。(5)精度要求高。新型飞机对零件结构性能有了更高的要求，因此零件的精度及部件装配精度也有了相应的提高，特别是新的碳纤维增强复合材料构件精度要求等级比传统要求上升了一个数量级，已经开始趋向于金属构件。碳纤维增强复合材料的结构特点及性能特性决定了他的难加工性，其铣削加工性能与金属加工截然不同。而随着碳纤维增强复合材料在大型零部件上的应用不断增加，使得该类构件的铣削加工已经不能局限于制孔，零部

7、件在装配前需要进行精确的轮廓及局部型面加工、特殊槽加工、孔加工，大型碳纤维增强复合材料构件如此系统的高要求的机械加工不可避免的需要专业有效的数控加工技术。大型碳纤维复合材料壁板轮廓数控铣削工艺1刀具影响碳纤维增强复合材料的铣削加工效率及加工质量的瓶颈就是刀具的选择，刀具的耐磨性决定了铣削加工状态。针对碳纤维复合材料制件的铣削加工特点，采用了“以磨代铣”的加工工艺方法，“以磨代铣”刀具见图1。所谓的以磨代铣就是采用磨削砂轮的形式代替铣刀进行铣削加工，这主要依赖于金刚石砂轮的耐磨性。