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碳纖維復合材料在加工中存在的問題


  碳纖維復合材料是由碳纖維增強體和樹脂基體組成的非均質材料,其中兩種材料在物理和化學性能方面存在著很大差異,材料的破壞機理與傳統金屬材料之間有很大的區別,碳纖維增強體、樹脂基體自身性能、纖維的鋪設方向等因素都使切削過程變得非常復雜。更為重要的是,碳纖維復合材料硬度大,其HRC值可達到53-65,相當于一般高速鋼的硬度。在制孔加工過程中,對鉆削的刀具磨損較嚴重,制出的孔容易出現分層、毛刺、撕裂、縮孔等問題。
  1、毛刺
  由于碳纖維復合材料的非均勻性,且其纖維鋪層方向對制孔質量有較大影響,材料的各向異性,刀具在不同位置處切削碳纖維的不同角度,會使部分碳纖維受到拉伸作用而非剪切作用,這些都是導致在孔出口和入口處容易產生毛刺缺陷的因素,而且毛刺產生的方向一般與最外層纖維的鋪層方向一致。又因為碳纖維復合材料對刀具有較大的磨損作用,刀具磨損變鈍后,刃口寬度增大,不能順利將碳纖維切斷,也容易形成毛刺。
  2、撕裂
  碳纖維復合材料的鉆出過程分兩個階段:一是橫刃作用階段。橫刃首先接觸外層碳纖維,由于橫刃切削速度很低且不鋒利,不能將材料切斷,而是施加推力導致材料向外退讓,并沿鋪層方向向兩側擴展。二是主切削作用階段。從橫刃切出出口表層材料開始,主切削刃一邊向外推擠,一邊以自身的螺旋對工件進行扭曲。鉆削軸向力過大及刀具磨損因素都容易在出口處形成撕裂缺陷。
  3、分層
  鉆孔過程中,碳纖維材料層在鉆削軸向力的作用下產生層間應力,如果在孔出口一側不施加足夠的支撐,在孔出口處容易出現層間應力過大,若該應力超過樹脂基體的強度,則很容易造成碳纖維復合材料層與樹脂基體分開,產生分層缺陷。一般來說,鉆削軸向力越大,層間應力越大,越容易產生分層缺陷。
  4、縮孔
  碳纖維復合材料在鉆削過程中不能使用冷卻液,這些冷卻液會通過毛細作用滲入材料,對材料造成損害,因此只能采用干切加工,這就加劇了刀具磨損,導致切削熱過大。由于材料導熱性差,這些熱量無法快速釋放,導致制孔區域溫度較高,在鉆削完成后,由于碳纖維復合材料線脹系數和彈性恢復較大,會出現縮孔的現象,影響制孔尺寸精度。
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