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当加工复合材料的挑战

发布时间:2021-09-09 20:41:36 阅读: 来源:气动阀厂家

加工复合材料的挑战

波音787是世界上第一台主要由碳化纤维复合材料制成的大型商用飞机,复合材料占此飞机结构重量的50%和大约80%的体积,而波音777中复合材料只占该飞机重量的11%。那么,波音公司为什么要大量采用复合材料?从经济学角度或许能找到答案。

一架飞机,最初的购置价格只是其最终成本的一小部分,而维护保养和燃油的费用总计要占成本的多数,复合材料可以将这两项开支降低。飞机复合材料天生就有比金属材质更强的抗疲劳和耐蚀性。在一架787飞机的使用寿命中,复合材料为维修成本节约的费用可高达3000~4000万美元。复合结构还具有更大的强度重量比,为燃料费的节约也做出很大贡献。据估算,飞行同一线路的情况下,787每年所消耗到2020年的燃油费比767少500万美元。

波音787飞机的复合机身

以上由复合材料节约的费用加上其他环节节约的费用,总计几乎等于一架飞机的价格。

制造方法的转变

飞机零件材料的戏剧性转变还必须包括制造这些零件加工方法的类似转变。如果飞机大部分是复合材料,那么制造的含意是什么呢?更准确地说,机加工的含意是什么?(图1)

图1 General Tool公司需要金刚石刀具加工复合材料工件,但并不需要很快

与铝材飞机结构部件比较,复合材料工件的加工量实际上非常少。它本身已经基本成形。但是,复合材料所需要的机加工也确实是富有挑战性的。从定义上来说,复合材料和金属材料本来就不一样。“复合”是把两种或多种材料结合在一起,以得到比单一材料本身更好的性能。

在复合材料中,有一种材料叫做“基材”,至少还有另外一种材料叫做增强材料。飞机部件多用的是碳纤维增强塑料(CFRP),由塑料基材和碳纤维增强材料构成。复合而成的材料也给机加工带来了相应的挑战: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。最具有决定性的挑战是:如果可以进行加工,如何保证这种昂贵的工件确实可用呢?废品的成本是很高的。随着更多的复合材料进入市场,那么越来越多的工厂就要面对这样的现实:他们要加工的复合材料,切削量比金属件小,更困难,但加工价值相当高。

不仅波音公司如此,实际上所有的飞机制造商都在越来越多地采用复合材料来代替某些金属元件和大型组件,直升飞机便是如此。同时,各种高附加值产品制造商们也越来越期望新形式的复合材料诞生,以利用它们的强度、硬度、耐用性、耐蚀性、耐磨性和轻质等优点。据估计,10年后,使用在风力涡轮机的CFRP材料甚至会比使用在飞机上的还多。同时,另一类复合材料,即金属基材的复合材料,正在应用于更高性能的汽车零件,如制动器。另外,由于复合材料可以透过X光,它们也会在许多医疗行业得到应用。

如何定义复合材料

制造商们在讨论各自所期望的某种形式的复合材料的时候,有一个问题是值得注意的,那就是,复合材料根本不是统一的一类材料。例如,CFRP是聚合物增强塑料,其中包括有许多种类。另外,金属基材复合材料和陶瓷基材复合材料也类似地有广泛的多样性。“复合”这个词本身比“金属”这个词表达了更广泛的材料系列。

为此,以下几个特例就可解释怎样加工复合材料这个普遍性问题。位于俄亥俄州辛辛那提市的General Tool公司是专业加工复合材料的企业,很早就有加工飞机复合材料工件的经验。公司早期加工的喷气式发动机使用的便是复合材料,迄今已经有超过15年的历史。尽管如此,对于他们来说,每一个工件仍旧是不一样的。

实际上,每一种新型的CFRP工件都是不一样的。General Tool公司成功加工其第一个CFRP工件之后,加工第二个却面临挑战,直到发现切削参数必须调整,加工余量必须增加。“您不能去手册里查‘复合材料’,以找到正确的刀具、速度和进刀量;您也不能去查找“CFRP”。没有一样是确定的、一成不变的。”公司Wilkerson先生深有感触地说。

不同的工艺

复合材料工件也可以像金属件一样,在同一台机床上安装、加工,有时甚至可以用同样的刀具来加工,当然这种情况很少发生。复合材料的加工是完全不同的工艺,其材料切削的原理是不同的。金属切削的机理是塑性变形,材料比刀具软,切屑随刀刃下落。复合材料切削即CFRP,根本谈不上有切屑,或者可以看作是粉末状的切屑。刀刃的作用使坚硬的碳纤维很容易破碎。在加工过程中,刀刃所受到的磨损相当大。

对于刀具来说,其几何条件主要决定切削性能,而材料主要决定寿命。对于复合材料切削来说,这同样是正确的,但是,刀具材料也决定切削性能。复合材料磨损刀具的速度是如此之快以至于刀具的几何结构也在快速改变,除非刀刃材料足以抵抗磨损来保持其几何条件和性能。

图2 飞机部件多用的是碳纤维增强塑料(CFRP),由塑料基材和碳纤维增强材料构成。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

在某种情况下,复合材料的加工实际上是把机加工过程整个颠覆了,因为工厂注意力的重点都转移到工艺过程的差异部分了。一个用金属加工出来的飞机部件可能要涉及到大功率的机床,依靠标准刀具和简单夹具来保证工作。相比之下,铣和钻基本上可以靠功率小得多的机床来完成,但可能需要高端的刀具,以及为工件定制夹具,以夹紧工件防止其薄壁的振动和碎裂(图3)。

图3 装饰对于复合材料工件来说是个常见的加工操作。当加工相对简单时,夹具与刀具的投入部分会加大

以下是CFRP加工工艺可能需要的几个重点条件。

1.刀具材料

硬质合金还不错,虽然硬质合金刀具加工复合材料不得不频繁更换;金刚石刀具比较能持久,加工CFRP的金刚石刀具包括金刚石砂粒镀在刀上、金刚石涂层或PCD做的硬刀片;有一种比较特别的刀具是专门为加工复合材料而开发的,叫做“纹理”金刚石刀具,是把金刚石纹理烧结在硬质合金刀上开的槽沟里。

2.刀具的几何条件

至少在一种方式上,复合材料的粉碎与金属变形一样:切削复合材料的能量也是转化为热。CFRP的散热问题特别麻烦,所产生的碎屑根本不能带走热量,材料本身的导热性能就很差,冷却剂也不能起作用,因为某些复合件的加工不允许使用冷却剂,其结果就是热量的堆积就会引起熔化或损坏基材。因此,刀具和刀具路径都必须保持以减少加工热量为原则。锐角是解决此问题的关键方法之一。加工复合材料工件的铣刀和钻头都具有正倾角的特点,可以快速、锋利而干净地切削,并保持最低热量。这种刀具也含有足够的间隙角以防止刀刃通过时发生摩擦。

3.夹具

虽然复合材料工件对机加工过程可能比较简单(经常是钻孔和修边之类),但实际上,复合材料工件机加工的夹具需要相当可观的投资。干净切削——没有擦伤、变形或分离层——要求工件牢牢地固定住而不会振动。从外形上与工件吻合的真空夹具是典型的复合材料工件机加工夹具。选用机械夹具的工厂也常加上衬垫来抑制振动。

4.机床

加工飞机复合件一般需要用五轴机床。某些加工金属件的工厂可以用现有的五轴机床。然而,加工具有挠度的金属所需要的功率和转矩对于复合材料,至少对于CFR只修不养;P来说,通常是不需要的。事实上,CFRP和其他复合材料经常可以在小功率的CNC刳刨机上高效地加工,这种设备基本上很少加工金属件。

金刚石铣削

General Tool公司就提供了一个使用金属切削机床加工复合材料工件的案例。该公司有大约40台大型CNC金属切削机床,但迄今为止,该厂一直把复合材料工件的加工限制在其两台机加工中心和一台大行程铣床上。复合材料工件加工的需求之大,以至于Wilkerson先生怀疑三台机床是否能长期地继续满足这个需求(图4)。

图4 真空夹具对于保持复合材料工件的稳定是很重要的。夹紧装置由液力喷射的方法所制造

铣削技术广泛地应用于复合材料工件加工。该厂里大且比较厚的复合材料工件,尤其是喷气发动机的外壳,铣边和铣面的量相当大。孔加工通常也包括铣削,因为厂里为了满足苛刻的质量要求,先要钻出略小的孔,然后再铣到规定的直径。

金刚石刀具在铣削CFRP中用得很普遍。典型的粗切刀具是用25粒度(grit)的金刚石,可以切削0.375in(使车企能够将多种不同材质粘合到1起1in=25.4mm)的径向深度。典型的精修刀具使用100~180粒度(grit)金刚石,也许仅能切削径向深度0.010in。

Wilkerson先生说,工厂曾经认为, 用金刚石刀具顺利工作必须要高速。但在其最大的机床上加工复合材料工件时,主轴转速只有5000r/min。为了把低转速转变为高的表面速度,该厂打算用大直径的金刚石刀具。经过一段时间,工厂发现,金刚石刀具其实在低速加工复合材料工件时也能表现得很好。事实证明,低速有助于压低热量。

General Tool的经验和其所使用的金刚石刀具已经成为对复合材料加工的重大贡献。尽管CFRP的种类可能和该厂以前曾经碰到过的不一样,他们也知道如何正确选刀和配置参数,至少可以开始有效地加工新的工件。用金刚石刀具做大型复合材料工件的机加工可能其利用领域的不断扩大要花费超过10000美元,而粗略地为机床刀具等拟定技术条件和进行采购等,可能需要有长达12个月的开工准备时间(图5)。

图5 General Tool公司会有一定的金刚石刀具库存量,以应对复合材料加工带来的挑战

钻孔的困难

与铣削相比,钻削复合材料更具挑战。钻削金属工件就是简单地把材料清除出去,清出一个孔来。复合材料工件加工孔就要冒险得多。钻削通过多层的复合结构就像是要把这些层向前推,在出口侧产生变形。“标准钻头会在孔的背面爆出,”Wilkerson先生说。在许多情况下,在复合材料工件上钻一个合格的孔要求钻头根据所加工的材料来定做(图6)。

图6 General Tool公司用这样的钻头在复合材料工件上钻孔,通过圆形铣削加工完成孔,保证出口的质量,确保达到客户的要求

Onsrud Cutter是专门为复合材料机加工开发刀具的公司。在铣削CFRP方面,该公司已有一些被证明为可靠的配刀理念,包括硬质合金的除毛刺刀具和带有PCD刀刃的刀具,有些刀刃还带有锯齿。然而,在钻孔方面,刀具的范围大要大许多,因为孔的需求范围大和潜在的钻孔问题也多。CFRP钻孔的设计包括:

“针刺”点的设计,尖点设在刀具的中心,让其外围的刀刃像飞刀那样加工;钻铰刀刃分离,一刀可钻铰两用;

图7 这是一个在复合材料上钻孔的实例,降低对材料施加的压力可以降低加工区域的热量

使用八切割面的点磨削方式使顶端的二级角起自我固定的作用。这样的设计通过把在许多分立刀刃上的磨损分散掉而延长刀具的寿命(图8);

双限引导式分步钻削,用于加工多层复合材料的紧公差孔。

图8 最不寻常的加工中心,其采用5轴运转的方式,用于复合材料的加工

Kennametal是为复合材料开发刀具的又一家刀具供应商。Karthik Sampath先生是该公司研究CFRP的工程师。通过观察,他提出了关于在此材料上进行孔加工时怎样才能提高刀具效率的几个观点:

几何条件在减少导致变形的切削力方面是至关重要的;

螺旋角、间隙角、齿缝前倾角在很多方面都很相似,这些角度变大时,孔的质量都可提高;

较小的点角会加工出较好的出口侧质量,然而太小的点角又会使刀刃强度变差,钻削CFRP的优化折中方案看起来是把点角定为90。

Sampath先生说,加工CFRP的刀具,金刚石刀具能比普通刀具延长10倍的寿命。在实践中,通过对金刚石刀具从5~16μm的各种不同厚度进行估价,得出的结果是,12μm能提供成本和刀具寿命比的最佳值(图7)。

在复合材料上钻孔的质量问题比较集中在出口侧。但是,Sampath先生提出,孔入口侧的问题也同样让人担心。当钻头钻进去时,它会卷起复合材料的顶层。他说这个问题是最典型的进刀率太少的征兆。入口侧的缺陷可以通过增加进刀量来克服,虽然这样做有加重出口侧缺陷的危险。优化进刀率才能平衡入口和出口两侧的质量。

General Tool公司的Wilkerson先生说,他通常为工厂拟定技术条件的钻头,是International Carbide Corporation出产的WonderDrill钻头。这种刀具使用一种“钩”把纤维拉到切削末梢,以获得平滑而干净的孔。这种看似简单的刀具不需要过量的出屑槽,提高了强度和刚度。然而,即使是用这种刀具,General Tool也不会特别依靠钻削来达到孔的最后尺寸,因为出现爆掉风险很大。所以,钻孔一般先钻小于规定直径0.020~0.030in的孔,然后用金刚石精修铣刀把孔铣到规定尺寸。

细心加工

对于General Tool来说,采用追加的步骤来铣这些孔并非小投入。一个大型的CFRP喷气发动机外壳需要400个孔。General Tool知道怎么做好这项工作,其总的机加工时间很容易达到50h,而循环铣削这些孔就占了大部分时间。然而,工厂发现,根据对此类工件的特别质量要求,把这些孔铣到规定尺寸是保证它们合格的最好方法。

从表面上看,以简单的机加工方法应对复合材料的加工要增加许多困难,因为复合材料工件增加了许多可能出问题的情况。于是,工厂常常不得不投入大量时间、人力和资金,就为了琢磨一件复合件并通过小量而相对苛刻的机加工来完成该工件的加工。

军用直升机采用更多的复合材料

直升机制造业也是最早采用先进复合材料的行业。目前商用飞机上复合材料仅占全机重量的50%,而某些直升机早已达到90%。即使在直升机市场上,复合材料也还在继续发展新的应用领域。

波音公司在最近举行的制造工程协会的复合材料会议上描述了一个例子。在阿帕奇(Apache)AH-64型直升机上,CFRP代替了金属,不是因为复合材料的强度、抗蚀能力或者重量轻,而是因为它抗弹道冲击的能力。飞机后面的水平尾翼过去是用铝材做的,铝件有时会被阿帕奇导弹废渣损坏。废渣以2000ft/s(1ft=0.305m)的速度向后对着尾翼喷出来。

复合材料工件能对付废渣的“进攻”,而且新设计的尾翼更轻,制造成本也低。复合材料立刻就能达到这些改进的目标。

水切割也是一个选择

宾夕法尼亚州雷丁城的Hydrojet公司有两台Flow公司生产的水切割机床。公司的工程师Jack Seibert先生说,这家小型企业找到了一个好方向,能有效且回报率高地加工一些大的飞机承包商加工不了的复合材料工件。许多复合材料工件通过研磨水射流进行修整。但是,并非该厂所有的复合件都用水切割机床来加工。实际上,该厂也加入了铣床,还有3台Haas Automation生产的加工中心和1台大型的带有160in X轴行程的CNC刳刨机。

Seibert先生说,工件的几何条件决定是使用水射流还是使用传统机床。水射流技术不适用于小工件,因为水射流机床进行切削不需要专门的夹具来夹持工件。然而,对于轮廓比较极端的工件,水射流也有问题,因为没有喷到该喷的地方就可能喷到不该喷的地方。如果有一个工件的轮廓是本身对折到几乎平行的话,那么也许只能用加工中心加工了。

精度也是影响因素之一。Seibert先生说,要求紧公差的工件最好用加工中心。另一个要考虑的是材料。水射流机床可以有效地切削较大范围的材料。再有一个复合材料很难铣削的例子是Kevlar合成纤维。工厂想尽一切办法,努力通过水射流来加工Kevlar工件。

加工中心加工复合材料加工件还要求在真空夹具方面增加额外的投入,Hydrojet公司自己生产这种夹具。实际上,有一种Haas机床专用于配置此夹具。(end)

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