發(fā)布時間：2021-10-12所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 切割加工是復(fù)合材料制造工藝中一個重要環(huán)節(jié)。本文介紹了復(fù)合材料常用切割方法，對高壓水切割、機械切割等切割方法的工藝參數(shù)進行了實驗研究。從切口質(zhì)量、切割效率、切割成本等方面對常用切割方法進行了對比，并分析了不同切割方法對材料的影響。 復(fù)合材料由
切割加工是復(fù)合材料制造工藝中一個重要環(huán)節(jié)。本文介紹了復(fù)合材料常用切割方法，對高壓水切割、機械切割等切割方法的工藝參數(shù)進行了實驗研究。從切口質(zhì)量、切割效率、切割成本等方面對常用切割方法進行了對比，并分析了不同切割方法對材料的影響。
復(fù)合材料由于具有比強度、比剛度高，抗疲勞、抗腐蝕性能好，力學(xué)性能可優(yōu)化設(shè)計及成型工藝性好等優(yōu)點，近年來被各行各業(yè)普遍重視，尤其在航空航天及兵器工業(yè)中，應(yīng)用比例逐漸上升，已成為飛機結(jié)構(gòu)最主要的材料之一。復(fù)合材料在使用過程中，多數(shù)情況下需要切割修整加工，而復(fù)合材料的加工性能差，給切割帶來困難。
復(fù)合材料的機械切割
復(fù)合材料機械切割包括砂輪片切割、帶鋸切割和銑削。復(fù)合材料切割一般選用金剛石砂輪片，切割的工藝參數(shù)主要有主軸轉(zhuǎn)速n和進給量f。n較低時，刀具不易切斷纖維，容易將纖維從基體中拉出;n很高時，切削溫度較高，易使基體熔化粘在刀具上，影響材料性能和切割質(zhì)量。為保證切割表面的質(zhì)量，進給量f不宜過大。試驗表明，切割時選用如下工藝參數(shù)可以較好地保證切割質(zhì)量:砂輪轉(zhuǎn)速為(1300~1600)r/min;切割速度為(250~300)mm/min。
圖1為砂輪片切割的切口。可以看出，砂輪片切割時只要工藝參數(shù)選擇合適，復(fù)合材料不會產(chǎn)生分層，切口質(zhì)量較高。
帶鋸切割由于其切割效率較高，是目前航空企業(yè)中使用較多的一種切割方法。但帶鋸切割的切口質(zhì)量較差，切口不平整，往往還會在出口邊產(chǎn)生纖維毛刺，如圖2所示。帶鋸切割一般只能用于粗加工。而切割復(fù)合材料時一般采用鎢砂帶鋸條。
砂輪片切割和帶鋸切割一般只適合直邊或圓形等簡單形狀的零件切割。對于復(fù)雜外形零件的切割可以采用銑削方法。復(fù)合材料銑削可采用普通銑床銑削和數(shù)控銑床銑削。普通銑削的質(zhì)量差，效率低，如圖3所示。
在飛機制造行業(yè)中，復(fù)合材料的零件一般外形尺寸較大，形狀結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，并且要求高，因而往往采用數(shù)控加工。
常用的碳纖維復(fù)合材料零件硬度和強度都很高，切削過程中切削力較大，切削溫度較高。為了防止影響零件的油污，加工過程中一般采用干切削，加工過程中零件易被燒傷或受熱軟化，而且刀具磨損嚴(yán)重。而飛機零件對制造精度及表面光潔度要求也很高，因此在加工過程中選擇的刀具材料必須具有極高的紅硬性和熱韌性、良好的耐磨性、耐熱性和抗粘結(jié)性等特點，在加工過程中需要選擇合理的刀具幾何參數(shù)和切削參數(shù)。
對于碳纖維復(fù)合材料，其切削力大，導(dǎo)熱性差，刀具的前角應(yīng)選用較小值，以增強切削刃強度和散熱體積。但同時碳纖維復(fù)合材料具有較高的強度及韌性，切削刃應(yīng)保持鋒利。因此，前角又不宜過小，一般前角選用γ0=(8~12)°，后角取α0=(6~13)°，選取齒數(shù)Ze=3~4，螺旋角β=(35~45)°。為保證加工面的表面質(zhì)量，軸向采用不分層切削方式，切深ap為零件緣條厚度，一般ap=(1.5~5)mm。為避免切削力過大，徑向切深ap不宜過大，可選ap≤1/3D(D為刀具直徑)。為了減小切削受力，提高零件表面質(zhì)量及切削效率，采用高速切削方式，一般轉(zhuǎn)速S=(17000~20000)r/min，進給速度F=(2500~3000)mm/min[1]。
數(shù)控切割對設(shè)備和刀具要求高，其切割成本遠(yuǎn)高于普通銑削。
高壓水切割
在眾多的切割方法中，只有水切割屬于冷態(tài)切割，其直接利用高壓水射流的動能對材料進行切削而達(dá)到切割目的，切割過程中無化學(xué)變化，具有對切割材質(zhì)理化性能無影響、無熱變形、切縫窄、精度高、切面光潔等優(yōu)點。
高壓水是一種冷態(tài)的單點動能能源，對材料具有極強的沖蝕作用,在沖蝕過程中不改變材料的力學(xué)、物理和化學(xué)性能，因此適于切割熱敏、壓敏、脆性、塑性和復(fù)合型等各種性質(zhì)的材料。高壓水切割的切割效率高，切割速度范圍大：(0.1~7.62)m/min，切縫較窄(小于1mm)，切割厚度可達(dá)200mm[2]。
高壓水切割的切割速度、壓力等工藝參數(shù)對切割質(zhì)量有較大影響。針對不同復(fù)合材料和厚度需要選取不同工藝參數(shù)。在一般的高壓水切割設(shè)備的控制系統(tǒng)中，都帶有工藝數(shù)據(jù)庫，可以根據(jù)切割的材料及厚度系統(tǒng)自動選擇工藝參數(shù)。
圖4為高壓水切割和數(shù)控切割切口質(zhì)量對比，上半部分為數(shù)控高速切割，下半部分為高壓水切割。可以看出數(shù)控切割的光潔度明顯高于高壓水切割。
高壓水切割與常規(guī)切割方法相比,具有以下優(yōu)點[3]：
(1)可切割多種復(fù)合材料,如金屬基復(fù)合材料、樹脂基復(fù)合材料、高分子材料等。不論材料軟硬、熔點高低都可切割,尤其對硬度大、質(zhì)脆的復(fù)合材料更為適用。
(2)切縫表面質(zhì)量高,邊緣無毛刺和飛邊,不會出現(xiàn)剝離和開裂現(xiàn)象,也不會由于水短暫暴露于邊緣上而使材料性能下降。因此通常一次完成,不需要精加工。
(3)由于水本身就是切割工具,被切割材料不會受熱變形,也不會產(chǎn)生磨損和卡刀現(xiàn)象。適合切割熱敏材料,如環(huán)氧樹脂。
(4)切割力小,尤其是沿進給方向和側(cè)向的力小,從而避免了零件由于附加應(yīng)力而變形,對薄壁零件的切割非常有利。
(5)加工效率高。
(6)經(jīng)濟效益好。高壓水切割的切縫較窄,亦可進行套切,可節(jié)省材料,特別是它能切割難加工材料和復(fù)雜形狀。目前航空企業(yè)廣泛應(yīng)用高壓水切割鈦合金材料，可以大幅度降低切割成本。
激光切割
激光切割的基本原理是將方向性和集聚性特強的單色光射到被加工材料的指定位置,并按一定的速度移動,被加工材料因吸收激光能而受熱急劇升溫,通過汽化蒸發(fā)和熔融濺出使材料去除,從而完成切割過程。
采用激光切割時,若提高功率,則切割深度增加,但同時由于熱量增加,切口表面的質(zhì)量會受到影響。而功率小時,則會產(chǎn)生不完全切割。在激光切割中,有時由于熱量消散不充分,會出現(xiàn)分層現(xiàn)象。激光切割具有以下優(yōu)點：
(1)切縫窄，通常為0.1mm~0.4mm,材料利用率高。
(2)激光作用時間短,所以激光切割的熱影響區(qū)小,約為0.06mm~0.1mm。
(3)激光切割的深寬比大,對于復(fù)合材料可達(dá)100以上。
(4)激光切割速度快,切割硼環(huán)氧復(fù)合材料的速度可達(dá)12m/min;而切割丙烯板材時其切割速度為機械切割法的7倍。
(5)激光既能切割平面工件,又能切割以及加工立體工件。激光能量是無接觸傳送的，所以切割硬脆材料能防止其碎裂。用激光束可以較好地切割小于0.5mm厚的薄材。
(6)由于激光切割屬于點切割,其加工靈活性好。可根據(jù)需要,從板材的任一點開始切割形狀復(fù)雜和有尖角的零件。
(7)對環(huán)境無污染,切割時無振動、無噪聲、無塵、煙霧少。
超聲切割
隨著纖維復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域愈來愈廣泛的應(yīng)用，傳統(tǒng)的以高速銑鉆為基礎(chǔ)的切割技術(shù)已明顯力不從心，而超聲切割技術(shù)可以有效地應(yīng)對所有類型的復(fù)合材料。超聲切割技術(shù)的基本原理是利用一個電子超聲發(fā)生器產(chǎn)生一定范圍頻率的超聲波，然后通過置于超聲切割頭內(nèi)的超聲-機械轉(zhuǎn)換器，將原本振幅和能量都很小的超聲振動轉(zhuǎn)換成同頻率的機械振動，再通過共振放大，得到足夠大的、可以滿足切割工件要求的振幅和能量(功率)，最后將這部分能量傳導(dǎo)至超聲切割頭頂端的刀具上進行預(yù)浸帶的切割加工。
典型的例子是對凱夫拉纖維的切割：用常規(guī)刀具幾乎無法切斷此類材料，而超聲切割則很容易。另外，復(fù)合材料加工所要求的工效愈來愈高，而超聲切割可以獲得高達(dá)60m/min的切割進給速度，加工效率高。傳統(tǒng)高速加工方法在加工蜂窩材料時不可避免地要產(chǎn)生粉塵，對操作人員和工件本身造成污染，而且無法得到理想的表面和型面加工質(zhì)量，而超聲切割屬于無切屑加工，可以完全避免對操作人員和工件的污染，并可顯著地改善工件型面質(zhì)量。如果采用其他方法(如高壓水加工、激光切割等)，蜂窩工件會受潮或發(fā)生燒灼現(xiàn)象，而超聲切割可以完全避免這些缺點。
相關(guān)期刊推薦：《復(fù)合材料學(xué)報》創(chuàng)刊于1984年，本學(xué)報是中國復(fù)合材料領(lǐng)域的學(xué)術(shù)性刊物;主要刊載我國復(fù)合材料基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究方面具有創(chuàng)造性的、高水平的和有重要意義的聞新研究成果的論文以及由復(fù)合材料界知名專家、學(xué)者撰寫的反映國際最高研究水平和最新研究動態(tài)的特約報告：所刊登論文有很大的借鑒作用和參考價值，對生產(chǎn)實踐有重要的指導(dǎo)作用。
由于超聲切割工藝具有以上優(yōu)點，國外主要飛機制造企業(yè)已經(jīng)廣泛采用。隨著復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展及其在航空領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，超聲切割技術(shù)正在大范圍替代以往的高速銑削、高壓水切割和激光切割工藝。切口質(zhì)量比較采用TR240便攜式表面粗糙度儀對高壓水切割、機械切割等不同加工方法的切口粗糙度進行了比較。
測量結(jié)果見表1。
從表1可以看出，由于和復(fù)材切口的高速磨削，砂輪片切割和銑削方法的切口粗糙度都較低。為進一步分析切口的質(zhì)量，對高壓水切割、砂輪片切割的切口進行了微觀分析。
從圖5可以看出高壓水切割對材料的微觀組織沒有產(chǎn)生大的影響，纖維和樹脂基體的界面比較清楚，而機械切割(砂輪切割)的切口，其纖維和樹脂基體的界面完全被破壞。
進一步放大可以看出對于高壓水切割，纖維和樹脂基體基本上沒有堆砌，而機械切割時有切屑堆砌現(xiàn)象，見圖6。可以看出，機械切割由于有比較大的切削力，容易導(dǎo)致基體材料和纖維材料相互滲入，而高壓水切割時，基體材料和纖維層的界面比較明顯。
結(jié)束語
切割加工是復(fù)合材料制造工藝中一個重要環(huán)節(jié)。本文介紹了復(fù)合材料常用切割方法，對高壓水切割、機械切割等切割方法的工藝參數(shù)進行了實驗研究。從切口質(zhì)量、切割效率、切割成本等方面對常用切割方法進行了對比，并分析了不同切割方法對材料的影響，從而得出以下結(jié)論。
(1)高壓水切割，切割質(zhì)量穩(wěn)定，切割效率高。
(2)當(dāng)采用普通機械切割時，帶鋸切割切口光潔度差，只能進行粗加工;金剛石砂輪片切割的切口質(zhì)量高，但切割時切割參數(shù)對切口質(zhì)量有較大影響，一般建議較高的轉(zhuǎn)速和較小的進給量。
(3)水切割對切口材料微觀組織基本沒影響，機械切割時不僅切口有切屑堆積現(xiàn)象，而且纖維和樹脂基體的界面會發(fā)生破壞。
(4)數(shù)控切割質(zhì)量好，但一般對設(shè)備和刀具的要求高，切割成本高。
(5)激光切割比較適合玻璃纖維復(fù)合材料，盡管它有很多優(yōu)點，但考慮到飛機制造所用的主要復(fù)合材料不是玻璃纖維的特點，該方法在我國航空企業(yè)還不會很快得到廣泛應(yīng)用。
(6)超聲切割是一種非常先進的切割方法，采用超聲切割也是復(fù)合材料切割的未來趨勢，其在國外航空企業(yè)已得到了推廣應(yīng)用，但在國內(nèi)的廣泛應(yīng)用還需要一定的時間。——論文作者：曹增強 于曉江蔣紅宇 龔佑宏 朱春燕
