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專業(yè): 高分子材料的加工與成型

[交流] 先進復合材料講義（十三）：復合材料機械加工（鉆孔/切割等）工藝及設備

本內容較多，將分多次進行分享，更多內容，復合材料前沿公眾號！

鉆孔

復合材料鉆孔與金屬飛機結構鉆孔不同。不同類型的鉆頭，更高的速度和更低的進給量是鉆精密孔所必需的。由碳纖維和環(huán)氧樹脂制成的結構非常堅硬和磨耗，需要特殊的平槽鉆頭或類似的四槽鉆頭。芳綸纖維(Kevlar®

、環(huán)氧復合材料不像碳纖維那樣堅硬，但很難鉆孔，除非使用特殊的刀具，因為纖維容易磨損或撕碎，除非它們在嵌入環(huán)氧樹脂時被切割干凈。已經(jīng)開發(fā)出了帶有衣夾尖和魚尾尖的特殊鉆頭，可以在將纖維從鉆孔中取出之前將其切開。如果Kevlar®、環(huán)氧樹脂部分夾在兩個金屬部分之間，可以使用標準麻花鉆。

設備

氣動工具用于復合材料鉆孔。鉆頭電機的自由轉速可達每分鐘20,000轉。鉆孔復合材料的一般規(guī)則是使用高速度和低進給量(壓力)。有動力進給控制的鉆孔設備比沒有動力進給控制的鉆孔電機能生產(chǎn)出更好的孔徑質量。推薦使用鉆孔導軌，特別是較厚的層壓板。

不要使用標準麻花鉆頭鉆復合結構。標準高速鋼是不可接受的，因為它會立即變鈍，產(chǎn)生過多的熱量，并導致層分離，纖維撕裂，孔質量不可接受。

用于碳纖維和玻璃纖維的鉆頭是由金剛石涂層材料或固體碳化物制成的，因為纖維非常堅硬，標準高速鋼(HSS)鉆頭使用時間不長。

通常使用麻花鉆，但也可以使用布萊德鉆頭。凱夫拉纖維不像碳纖維那么硬，可以使用標準的高速鋼鉆頭。如果使用標準鉆頭，孔徑質量可能較差，首選的鉆頭類型是鐮刀形克倫克鉆頭。這種鉆頭首先拉住纖維，然后剪斷它們，這樣就能鉆出質量更好的孔。較大的孔可以用金剛石涂層孔鋸或飛切刀切割，但只在鉆床上使用飛切刀，不能在鉆馬達上使用。如（圖85、圖86和圖87）

（圖85）klenk型鉆用于鉆Kevlar®

（圖86）復合材料用鉆切工具

（圖87）自動鉆切

操作流程和注意事項

復合材料的鉆孔電機運行在2000 - 20,000 rpm和低進給率之間。鉆頭馬達與液壓沖艙或其他類型的進給控制是首選，因為它們限制了鉆頭的涌動而退出復合材料。這減少了爆裂損傷和分層。由膠帶制品制成的零件特別容易發(fā)生爆裂損傷;由織物材料制成的零件受損較少。復合結構需要用金屬板或薄板作襯底，以避免爆裂。復合材料結構中的孔通常先用一個小的先導孔預鉆，然后用金剛石涂層鉆頭或硬質合金鉆頭擴大，再用硬質合金鉸刀擴至最終孔徑的尺寸。

背擴孔是碳纖維環(huán)氧樹脂零件與金屬子結構零件配合時可能發(fā)生的一種情況。碳纖維環(huán)氧部分的孔的后邊緣可以被拉過復合材料的金屬屑侵蝕或輻射。當零件之間有縫隙，或者金屬碎片是線狀而不是小碎片時，這種情況更普遍。通過改變進給量和速度、刀具幾何形狀、更好的零件夾緊、增加最終鉸孔、使用啄鉆或這些方法的組合，可以減少或消除反鉆。

當復合零件與金屬零件組合鉆進時，金屬零件可以控制鉆進速度。例如，即使從腐蝕角度來看，鈦與碳纖維環(huán)氧材料兼容，為了確保鈦不發(fā)生冶金損傷，需要降低鉆孔速度。鈦合金采用低速高進給量鉆孔。適合鈦鉆頭可能不適合碳纖維或玻璃纖維鉆頭。用于鉆鈦的鉆頭通常由鈷釩制成;用于碳纖維的鉆頭由碳化物或金剛石涂層制成，以增加鉆頭壽命和生產(chǎn)精確的孔。通常使用小直徑高速鋼(HSS)鉆頭，如40號鉆頭，用于手動鉆導孔，因為硬質合金鉆頭相對脆，容易破碎。這些小型高速鋼鉆頭相對較低的成本抵消了有限的預期壽命。高速鋼鉆頭只能鉆一個孔。

在手鉆作業(yè)中使用硬質合金刀具最常見的問題是處理刀具的損壞(邊緣脫落)。慢速恒進給的鋒利鉆頭可以通過碳纖維環(huán)氧樹脂和薄鋁產(chǎn)生0.1毫米(0.004英寸)的公差孔，特別是如果使用鉆頭導軌。使用硬工具，可以保持更緊的公差。當碳纖維環(huán)氧下面的結構是鈦時，鉆頭可以拉鈦屑穿過碳纖維環(huán)氧，擴大孔。在這種情況下，可能需要進行最后的擴孔操作，以保持孔徑公差。碳纖維環(huán)氧復合材料結構的孔需要硬質合金鉸刀。此外，當擴孔器移除直徑超過0.13 mm(0.005英寸)時，孔的出口端需要良好的支撐，以防止破裂和分層。支撐物可以是下部結構，也可以是固定在背表面的板。典型的擴孔速度約為鉆孔速度的一半。

切削液通常不用于或不推薦鉆薄(小于6.3毫米或0.25英寸厚)的碳纖維環(huán)氧結構。在復合材料鉆孔時使用真空是一個很好的做法，以避免碳粉塵在工作區(qū)域自由漂浮。

鉆孔

當平頭緊固件要安裝在組件中時，需要沉裝復合結構。對于金屬結構，100°夾角剪切或張力頭扣件是典型的方法。在復合材料結構中，常用的緊固件有兩種:100°夾角張力頭緊固件或130°夾角張力頭緊固件。130°頭的優(yōu)點是，扣件頭的直徑可以與拉緊頭100°扣件的直徑相同，而剪切式頭100°扣件的頭部深度相同。對于復合材料部件中的沖洗緊固件，建議將沉孔刀具設計成孔和沉孔之間的可控半徑，以適應緊固件上的頭到柄圓角半徑。此外，可能需要倒角操作或墊圈，為突出的頭部緊固件提供適當?shù)拈g隙。無論使用哪種頭型，在復合結構中必須準備一個匹配的沉槽或倒角。

硬質合金刀具用于生產(chǎn)碳纖維環(huán)氧結構的沉槽。這些沉槽切割機通常有類似于金屬上使用的直槽。對于凱夫拉纖維環(huán)氧復合材料，采用s形正耙切割槽。如果使用直槽或沉槽切割機，可以在表面涂上一層特殊的厚膠帶，以清潔切割凱夫拉纖維，但這不如s形槽切割機有效。推薦使用先導式沉孔刀，因為它可以確�？缀统量字g有更好的同心度，并減少由于零件的不對稱或分層而導致的緊固件下產(chǎn)生間隙的可能性。

使用微止埋頭孔規(guī)生產(chǎn)一致的埋孔。不要通過超過70%的表層深度的深孔，因為更深的深孔會降低材料的強度。當使用先導式埋孔刀時，必須定期檢查先導是否磨損，因為磨損會導致孔與埋孔刀之間的同心度降低。這尤其適用于只有一個切削刃的埋頭刀。對于先導式沉槽切削齒，在開始將切削齒送入井中并準備沉槽切削齒之前，將先導置于孔中并將切削齒調到最大轉速。如果在觸發(fā)鉆頭馬達之前，切削齒與復合材料接觸，可能會產(chǎn)生碎片。

切割工藝及注意事項

切削金屬的刀具如果用于復合材料，要么壽命很短，要么切削刃很差。用于復合材料的刀具因被切割的復合材料而異。切削復合材料的一般規(guī)律是高速慢進。

•碳纖維增強塑料:碳纖維非常硬，高速鋼刀具很快就會磨損。對于大多數(shù)修剪和切割任務，金剛石磨砂刀是最好的。用氧化鋁或碳化硅砂紙或砂布進行砂光。碳化硅比氧化鋁壽命長。槽刨機鉆頭也可以由固體碳化物或金剛石涂層制成。

•玻璃纖維增強塑料:玻璃纖維和碳纖維一樣非常堅硬，高速鋼刀很快就會磨損。玻璃纖維采用與碳纖維相同類型和材質的鉆頭鉆孔。

•芳綸(Kevlar®

纖維增強塑料:芳綸纖維不像碳纖維和玻璃纖維那樣堅硬，可以使用高速鋼制成的刀具。為防止芳綸復合材料邊緣纖維松動，握住零件后進行剪切。芳綸復合材料需要用塑料背板支撐。芳綸和備份板同時切割。芳綸纖維最好的切割方法是先繃緊，然后再剪切。有一種特殊形狀的切割器可以拉住纖維，然后剪斷它們。當使用剪刀剪芳綸織物或預浸料時，必須有剪刃的一面和鋸齒或槽表面的另一面。這些鋸齒防止材料滑落。應該總是使用鋒利的刀片，因為它們可以減少纖維的損傷。用完后一定要立即清理剪刀的鋸齒，以免未固化的樹脂損壞剪刀。

在使用工具和設備時，一定要使用安全眼鏡和其他防護設備。

切割設備

帶鋸是維修車間切割復合材料最常用的設備。建議使用無齒硬質合金或金剛石涂層鋸片。如果碳纖維或玻璃纖維被切割，典型的帶齒鋸片不會持久使用。如[圖88]，氣動手動工具，如槽刨機、軍刀鋸、模具磨床和切割輪，可用于修整復合材料零件。硬質合金或金剛石涂層的刀具有更好的光潔度，使用壽命更長。專業(yè)的操作有超聲波，水射流和激光切割機。這些類型的設備是數(shù)控(NC)和生產(chǎn)優(yōu)越的邊緣和孔質量。水射流切割機不能用于蜂窩結構，因為它會把水引入零件。不要在用于復合材料的設備上切割任何東西，因為其他材料會污染復合材料。

（圖88）帶鋸

預浸料可以用（數(shù)控）CNC格伯臺切割。該設備的使用加快了切割過程，優(yōu)化了材料的使用。設計軟件可以計算如何切割復雜形狀的層。如圖89所示：

（圖89）Gerber切割臺

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