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以常规方式加工复合材料

时间: 2011-07-07 06:35 来源: 作者: Derek Korn点击:
从来没有加工过热固性——一种密度大约为钢密度1/5的材料——的工厂可能不会认为其加工很难。位于美国威斯康辛州West Allis市的Amalga复合材料公司发现具有类似态度的许多机加工厂都对这种加工进行了尝试。但是,它们加工复合材料的第一次也成了其最后一次。Amalga复合材料公司的总裁兼首席运营官Jack DeLuca博士认为,各机加工厂对加工复合材料“一次而止”有两个共同原因。

有可能加工厂采用适合铝或钢合金的切削策略,这种方式显然无法高效加工具有磨蚀性的复合材料。另一个原因可能是操作员彻底拒绝与刀具在切进环氧树脂及纤维加强体组成的零件时所生成的粉尘及污秽打交道。


标准金属加工设备可以用于在磨蚀性复合材料上进行铣、车、磨等加工。
关键是要将工艺变量与材料相匹配。

Amalga复合材料公司专门生产纤维缠绕产品,诸如传动轴、辊子、压力容器及压力罐等。

它还通过压力铸模方式加工管道产品的端盖,以及航空、流体动力及其他工业用零件。其制造过程一半是专门缠绕或模铸粗复合材料零件;另一半是专门加工这些零件。

公司已经确定,几乎在金属零件上可以进行的任何加工操作也都可以在复合材料零件上进行。此外,它所进行的铣、车、钻、磨等加工过程都采用在设计时未必考虑了复合材料加工的传统金属加工机床及刀具进行。与加工任何类型的材料一样,关键是通过采用最适合复合材料的切削技术及刀具而使工艺与零件相匹配。在这方面,真的与平时从铝零件转换到钢零件而对加工方法进行适配没有什么两样。

在过去的10年时间里,Amalga复合材料公司中要求对其零件进行完全加工的客户数量在稳步增加;这些零件有些仅仅需要组装、喷漆或进行平衡处理。DeLuca博士以及公司负责工程的副总裁Gregg Piper为《Modern Machine Shop》提供了他们复合材料零件加工所需要的加工操作类型总结。他们还为我们指出了自己为加工这种磨蚀性材料而找到的一些有效方法。

材料差异

公司用于复合材料产品的纤维加强材料有两种,即玻璃和碳。玻璃比碳便宜,用在成本低、强度要求比较高的场合。选用碳主要看中的是它的韧性— 碳纤维零件可能与钢一样坚韧,但是重量却只有钢件的1/5。这两种纤维之间没有重大的可切削性差异。玻璃比碳更具磨蚀性,引起刀具磨损更快。而碳则比玻璃脆,产生更细的粉尘,更容易产生洁净度方面的问题。

公司的粗复合材料管道是在精密镀铬芯棒上生成的,其中以交叉截面层的方式镀上树脂涂层纤维加强材料(叫叠层过程)。依据具体应用而定,管道壁厚为1/8~3英寸。涂覆在芯棒上的松模剂可以帮助在固化后取下管道。粗管道的直径为1~42英寸,一般要定长切好,准备二次加工操作。

纤维缠绕产品与木材类似,因为它们都具有纹理、纹理方向以及与这些纹理方向相关的不同的强度。Amalga复合材料公司可以在细丝缠绕的零件中设计特定属性以简化二次加工过程,因为材料对加工过程会依据纤维加强材料、缠绕角度以及树脂配方不同而做出不同反应。

公司已经发现,平行于纤维的长度方向进行切割一般要比横穿纤维切割来得容易。这是因为,在切断时纤维一般发生断裂,在沿长度方向劈开要比与纤维成90度的方向劈开容易。这样切割产生劈碎的可能性要小一些。

正是纤维加强材料使得复合材料比未填充诸如尼龙更稳定。同时,在加工非加强塑料时,还必须考虑反弹问题(因刀具压力而产生变形),但这个问题没有复合材料问题那么严重。

下面是公司在加工复合材料中采用的加工工艺及设备概述。

刀具系统—复合材料固有特性是腐蚀性,并易引起刀具快速磨损。视情况而定,高速钢(HSS)、硬质合金以及金刚石涂层刀具都是可行的复合材料加工刀具。不管刀具的材料或涂层如何,其几何形状都应该具有正前角。正切削刃易戳进材料。这种方法加工纤维的效率比用负或中性轮廓摩擦或刮过材料而进行加工的效率更高。

高速钢是三种刀具材料中最便宜的,可以在加工批次很短的情况下采用——其中总体刀具寿命不是很重要,如大批量加工就不可。硬质合金在刀具寿命以及耐磨性方面处于高速钢与金刚石之间,因此依据这些特性相应使用。金刚石涂层刀具是Amalga复合材料公司的复合材料加工中最常用的刀具,因为它们在许多切削操作中都具有最高的耐磨性。

不管采用什么类型的刀具材料。精确跟踪刀具的加工时间很重要。高速钢、硬质合金以及金刚石刀具等都会磨损并在直径上缩小;操作员可以对此加以跟踪并采取相应行动。当刀具变钝时,它趋向于截住而不是劈断纤维,从零件上拉开并解绕纤维而不是切割纤维。机床操作员需要了解刀具的预期有效寿命,并在刀具变钝之前更换刀具(通常是在进行若干次加工后)。在加工复合材料时,只要零件的树脂、纤维或纤维缠绕角度没有变化,就可以预计刀具寿命。

冷却液—采用湿式还是干式加工在很大程度上取决于加工操作。复合材料导热性很低,因此对发热量比较高的切削操作要采用冷却液来减少零件树脂劣化。冷却液还可以使刀刃温度保持控制状态,这一点对金刚石涂层刀具防止涂层从刀具基体脱落具有非常重要的意义。除了冷却切削表面,冷却液还可以清洗刀具的切削表面,因此譬如砂轮上就不会粘有材料。

冷却液可以在诸如产生大量粒子的无心磨削中帮助控制粉尘。然而,对于诸如单点车削等操作,粉尘在有限区域内释放,其中可以采用安装在机床上的真空吸尘器方便地收集粉尘。这些操作将以干式进行,除非存在工件或刀具摩擦发热的问题。

纯水是最常用的加工冷却液。如果某台机床既要加工复合材料,又要加工金属,那么就采用加有1~2%防锈剂的水溶性液体。一定要采用水溶性冷却液,因为它不会像油基冷却液那样对油漆粘合产生负面影响。(加工过的复合材料零件多孔表面有大量冷却液油可以隐藏的缝隙。)基于油或溶液的冷却液还可能沿暴露的纤维浸润渗透,并且它们不会和纯水一样蒸发。

由于冷却液可以帮助包容粉尘,因此产生的冷却液/粉尘混合物具有泥浆一样的稠度。复合材料粉尘为惰性,可以挖坑掩埋。但是,掩埋时不能有过多的水。Amalga复合材料公司具有可以从混合物排除水的设备,剩下可以挖坑掩埋的象黏土一样的材料。

工夹—为了支持需要进行车削加工的长而薄的管道,可能需要临时在管道各端内安装用于夹紧的、仅仅比管道内孔小千分之几英寸的管座。比较短的管道,可能是仅仅需要车端面、钻孔或车削加工操作,可以安装在车床的卡盘抓取的钢加长件上。加长件上的肘节式夹具将工件把持到位,把持力足够大可以满足加工操作需要,却不大到会使零件变形的程度。在通过内径对管道进行装夹时,一定要小心,不要对内表面产生刮伤。这方面的解决方法很简单,仅在卡盘的卡爪上加一层管道胶带即可。


利用该钢加长件上的肘节式夹具,可以在车床
上安装复合材料管道而不致零件损坏或变形

压缩模铸零件与管道相比,具有更高的棱形性质。它们是通过在模具内堆积板材模铸化合物然后加热并将零件压缩成形而制成的。这些零件一般需要的工夹方法与具有类似几何形状的金属零件相同。

倒角—高精度台肩以及倒角加工可以在公司的CNC车床之一上进行。另一种方式,依据零件数量及公差而定,是用一台类似于特型铣床但是采用23000 r/min空气电机旋转整体硬质合金三角凿的机床。该设备上的倒角操作大约需要1分钟,而在车床上则需要5分钟。


对斜切管端的简单答案是,图中像特形铣一样的、采用高转速空气电机以及硬质合金去毛刺三角凿机床。
斜切的时间为车床加工这种轮廓所需时间的1/5。

车削—公司有一些车床,包括一台大隈(北卡罗莱那州Charlotte市))产小型倾斜工作台机床以及一台Toolmex(位于麻省Natick市)产带动力刀具的大型CNC车床。Toolmex车床既用于加工长管,也用于加工短管。对于管道零件,加工操作包括车削直径、切槽、车端面、镗孔以及开缝等。不管采用什么机床,公司在车削时采用的表面速度都大约为300英尺/分钟。大多数零件是采用金刚石刀具进行车削的。

铣削—铣削操作一般是在压缩模铸零件而不是管道上进行的。一般而言,铣削工艺与船用黄铜中所用的类似,其中需要刀具尖锐并带正前角。对压缩模铸零件而言,加工速度及进给要快三倍(900英尺/分钟),因为材料成分与纤维缠绕零件的不同。压缩模铸零件的纤维量一般为60%,且纤维较短(大约为1英寸长)。因此与纤维在整个零件上连续缠绕的管道相比,切割比较容易。管道零件还具有较高的纤维含量(70%),因此必须切割更多的纤维。

端面铣是压缩模铸零件中常用的一道操作。其中一个实例是安装在传动轴端部的法兰(参见照片)。该零件需要端面铣加工以确保平整度,因为它将被栓接到减速箱中。铣削是采用Valenite公司(密执安州Madison Heights市)配备金刚石刀片的端面铣刀在立式加工中心(VMC)上进行的。公司现在正在考查进行多轴加工的其他铣床。

铣削复合材料的总体规则是,以较高的主轴转速及较低的进给速度用尖锐的刀具进行。

钻削 — 钻孔是公司管道零件加工中常用的一道工序,既在车床上进行,也在立式加工中心上进行。例如,对于压力容器的管道部分,需要洁净的孔以安装用于排放冷凝水的管壁配件或其他配件。在钻穿管道厚度时,一定要支撑管道的内壁,以免出现脱层,或者纤维层发生分离现象。一般采用一个临时安装在管道内的木制或塑料塞子来提供所需要的管壁支撑。

采用金刚石镶尖、带抛光沟槽的刀具以高转速(不至于高到让人惊讶)及低进给速度进行操作可以获得最佳钻削结果。多年以来,公司已经发现,螺旋角为10~50度、间隙角为9~20度、顶尖角为60~120度的薄横刃钻头在排屑方面以及控制发热量方面效果最理想。

与其他材料一样,钻削速度应该依据孔的尺寸及深度进行调节—一般而言,孔越大,钻头速度应该越低,以维持刀具一贯的进给量。

磨削—对于大部分管道产品,其内径都比外径更重要(精密芯棒保证精确内径)。但是,滚轮却需要精密外径。公司的辛辛那提无心磨床经过了改造而将工件加工能力从原来的6英寸~22英寸增加到可以加工大型滚轮。直径大于22英寸的管道将在大型车床上磨削。几乎所有的管道产品都是用普通水做冷却液、要么采用硅硬质合金要么采用氧化铝砂轮在无心磨床上磨削加工的。
无心磨削不仅可以保证外径精度,同时还可以快速去除大量材料。每道磨削操作大约去掉0.01~0.025英寸的材料。这比磨削钢材质去除的材料量大,因为复合材料密度较低,每道切深可以更高。但是,由于玻璃纤维在径向的韧度为钢的1/10,因此会产生一定的变形,这一点意味着复合材料管道的外径无法达到与钢材同样高的精度。

那么粉尘怎么办?

DeLuca博士指出复合材料加工中有两个荒诞的说法 —1)会毁坏机床;2)粉尘危害操作员。这两种说法都是不成立的。加工复合材料或任何其他材料的机床只有在切屑不定期清理的情况下才会毁坏。不过还是建议更频繁地更换电子柜中的过滤器(要每月而不是每半年更换一次)。


对于干式加工操作,采用高效真空吸尘系统来限制污秽。尽管粉尘不存在严重的健
康危险,但有些操作员需要戴保护手套和/或面罩。

复合材料加工中产生的粉尘被看作是一种令人讨厌的粉尘(如锯末一样)。尽管玻璃纤维会引起人痒痒,但是它不像石棉纤维会附到人的肺部。这仅仅是个习惯于接触粉尘的问题。Amalga公司现有机床操作员之一,以前对自己原来工作的机加工厂所用的冷却液有过敏反应,现在却对复合材料粉尘一点问题也没有。

本文摘自:美国Modern Machine Shop杂志
原载国际金属加工商情(end)

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