航空领域复合材料的机械加工技术探析

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1、航空领域复合材料的机械加工技术探析MachiningTechnologyofCompositesinAviationIndustry中航飞机股份有限公司西安飞机分公司崔娟中航飞机股份有限公司西安飞机分公司复合材料厂工程师。主要从事复合材料的机械加工技术研究，相关工艺文件的编制。以及机械加工制件材料消耗工艺定额文件的制定，目前承担着新研材料科研重点课题．在机械加工领域申报／授权国家发明专利。近年来，复合材料在航空领域上已获得大量应用，可实现飞机结构相应减重25％一30％。在民用飞机波音757、波音767、波音777、A300、

2、A340上，复合材料用量已占飞机全部用料的11％～20％。商用飞机波音78774航空制造技术·2013年第15期#蕾复合材料切削加工的常规方法较为简单，工艺也较成熟，但是难以加工形状复杂的工件。复合材料特种加工具有常规机械加工方法无法比拟的优点，具有加工质量高、能加工复杂形状的工件、容易监控和经济效益高等优点，是复合材料机械加工未来发展的主要方向。上大量使用CFRP，已占飞机体积的11％，占结构件重量的50％。波音787每年所用的燃料费，比波音767减少500万美元。A380的机身、机翼板，采用大量的复合材料制造。武装直升飞

3、机AH一60、NH一90、V一22、RAH一66上，从整流罩、地板、壁板等次承力结构到旋翼框架等主承力结构上都使用复合材料，且高达飞机重量的50％。目前广泛使用的复合材料，多以树脂或铝合金为基体，用纤维或颗粒增强，具有良好的综合性能(11。但是复合材料的切削加工有较大难度，例如碳纤维增强复合材料是一种难切削加工材料，它的脆性大、硬度高，加工时容易出现边缘分层、钻孔分层、外层撕裂、毛刺等问题；刀具磨损严重；由于复合材料导热系数低，热量难以在加工中排除，使切削区温度迅速上升，基体容易软化或烧焦；难以保证零件加工精度和表面质量等，

4、这是工业生产中面临的新问题。复合材料的机械加工特点与方法复合材料的切削加工通常分为常规加工和特种加工两类方法。常规加工基本上可以采用金属切削加工工艺和装备。一般说来，常规方法较为简单，工艺也较成熟，不足的是难以加工形状复杂的工件，而且刀具磨损快，加工质量不高，所产生的切削粉末不利于人体健康。特种加工有激光束加工、高压水切割、电火花加工、超声波加工、电子束加工和电化学加工等。这些方法独特，具有常规机械加工方法无法比拟的优点，是复合材料机械加工未来发展的方向[2】。1复合材料的机械加工特点1．1玻璃钢的机械加工特点玻璃钢有酚醛树

5、脂基、环氧树脂基、不饱和聚酯树脂基等，树脂基体不同，可切削性也不相同。环氧树脂基比酚醛树脂基难切削。试验证明，切削玻璃钢的刀具材料以高速钢磨损最严重，用金刚石或立方氮化硼刀具切削加工玻璃钢，可大大提高生产效率。选择刀具几何参数时，对玻璃纤维含量高的玻璃钢板材、模压材料和缠绕材料，使ro=20。。250；对纤维缠绕材料，使to=200～300。由于玻璃钢回弹性较大，后角要选大值，使ao=80一14。；副偏角小些，可降低表面粗糙度，精车时为60～80。加工易脱层、起毛的卷管和纤维缠绕玻璃钢，应采用60～15。刃倾角。切削时v=4

6、0一lOOm／min、f=o．1-0．5mm／r、ap=0．5—3．5mm，精车时ar=O．05～0．2mm。1．2碳纤维增强复合材料的机械加工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，碳纤维增强复合材料切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，当切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。(2)刀具

7、磨损严重，耐用度低。切削区温度高且集中于刀具切削刃附近很窄区域内，纤维的回弹及粉术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)产生残余应力。这主要是因为在切削过程中切削温度较高，增强纤维和基体树脂的热膨胀系数相差太大，存在着热应力，这是产生残余应力的原因之一；同时由于复合材料呈现各向异性，层间强度低，切削时在切削力的作用下容易产生分层、撕裂等缺陷，进而产生残余应力。钻孔时尤为严重，加工质量难以保证，表面的尺寸精度和表面粗糙度不易达到要求。(4)切削温度高。碳纤

8、维增强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，碳纤维作为切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切削热，加之碳纤维复合材料导热性差等原因，切削热主要传向刀具和工件，导致刀具的快速磨损。1．