尚武林，朱龍超，龍 浩，張二勇，趙 博，楊 威，董海濤

（連云港神鷹復(fù)合材料科技有限公司，江蘇連云港 222000）

碳纖維是指碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)占到90%以上，既有碳素材料的結(jié)構(gòu)特性又有纖維形態(tài)特征的一種高性能無(wú)機(jī)纖維，具有一系列優(yōu)良性能，廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械設(shè)備、建筑交通、文體醫(yī)療等領(lǐng)域，在國(guó)防軍工及國(guó)民經(jīng)濟(jì)中有著重要的戰(zhàn)略地位。

狹義的碳纖維復(fù)合材料是指碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料，碳纖維是增強(qiáng)相，熱固或熱塑性的樹(shù)脂基體為連續(xù)相。一般的碳纖維復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)是一層層碳纖維布（單向或編織）通過(guò)高分子的樹(shù)脂基體粘合到一起。與傳統(tǒng)金屬材料不同，碳纖維在層內(nèi)是顯著的各向異性，只有平行纖維方向的力學(xué)性能、導(dǎo)電導(dǎo)熱等性能是優(yōu)異的，而垂直纖維方向的性能較薄弱。同時(shí)，纖維層與層之間僅靠樹(shù)脂基體粘附，性能也非常薄弱的。碳纖維復(fù)合材料層壓板架構(gòu)如圖1所示。

圖1 碳纖維復(fù)合材料層壓板

碳纖維復(fù)合材料與傳統(tǒng)金屬材料的加工差異還體現(xiàn)在以下4個(gè)方面：（1）碳纖維復(fù)合材料的樹(shù)脂基體軟化溫度較低，傳統(tǒng)環(huán)氧樹(shù)脂基的Tg點(diǎn)一般在200℃以下，樹(shù)脂耐高溫性差，超過(guò)額定溫度會(huì)造成局部樹(shù)脂燒焦等破壞；（2）碳纖維的模量較高，最低的T300也有230 GPa，較高的瀝青基碳纖維模量高達(dá)960 GPa，其硬度非常高，對(duì)刀具的磨損非常嚴(yán)重；（3）樹(shù)脂基體的模量較低，一般在幾個(gè)GPa左右，尤其又在加工產(chǎn)熱時(shí)存在一定彈性；（4）纖維的方向?qū)庸r(shí)的發(fā)熱及刀具磨損等也有顯著影響[1]。

因此，碳纖維復(fù)合材料的特點(diǎn)決定了碳纖維復(fù)合材料在加工時(shí)明顯區(qū)別于傳統(tǒng)金屬材料，尤其表現(xiàn)在加工方式、工藝參數(shù)、刀具選擇[2]等方面。本研究主要針對(duì)現(xiàn)有市面上的國(guó)產(chǎn)銑刀和進(jìn)口銑刀進(jìn)行對(duì)比，分析兩者的優(yōu)劣，并對(duì)國(guó)產(chǎn)銑刀和加工提出一些建議。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料及主要儀器

1.1.1 原料

3K-200 g平紋織物預(yù)浸料RC42，SYT45-3K碳纖維，中溫固化環(huán)氧樹(shù)脂基體；單向預(yù)浸料FAW-200RC36，SYT49-12K碳纖維，中溫固化環(huán)氧樹(shù)脂基體。

銑刀：德國(guó)進(jìn)口銑刀（表面有金剛石涂層）、國(guó)產(chǎn)銑刀（表面沒(méi)有金剛石涂層），刃徑都是2 mm，如圖2所示。

圖2 銑刀

1.1.2 主要設(shè)備

CP1318型CNC雕刻機(jī)（昆山洛凱精密機(jī)械電器有限公司，主軸最大轉(zhuǎn)速18 000 r/min），水冷系統(tǒng)。

1.2 碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料層壓板的制備

層壓板采用的鋪層結(jié)構(gòu)是3K平紋/C90/C0/C90/C0/C90/C0/C90/3K平紋，中間UD預(yù)浸布采取對(duì)稱(chēng)鋪層以保證碳板微觀受力均衡性而不容易翹曲。表面層采用3K平紋主要是為了起到加工時(shí)防止撕裂的作用。層壓板采用模壓工藝成型，成型模具如圖3所示。成型工藝參數(shù)是130℃～135℃，時(shí)間60 min，壓力1.0 MPa。最終制得的層壓板外形尺寸約為800 mm×580 mm×1.8mm，尺寸誤差不超過(guò)±0.1 mm。

圖3 成型模具示意圖

1.3 碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料層壓板的加工對(duì)比

采用相同的加工參數(shù)，主軸轉(zhuǎn)速15 000 r/min，進(jìn)給速度100 mm/min，下刀速度50 mm/min，下切步距2 mm，在水冷條件下對(duì)碳纖維層壓板進(jìn)行同等條件下加工，碳纖維層壓板的加工軌跡如圖4所示。加工順序是從左往右依次進(jìn)行加工，左側(cè)長(zhǎng)條孔周長(zhǎng)是1 520 mm，右側(cè)長(zhǎng)條孔周長(zhǎng)是1 540 mm，分別代表兩種長(zhǎng)條孔加工時(shí)的路徑長(zhǎng)度。

圖4 碳纖維層壓板加工軌跡

加工后的碳纖維層壓板效果和數(shù)據(jù)如圖5及表1所示。國(guó)產(chǎn)銑刀加工出來(lái)的碳板長(zhǎng)條孔邊緣有較多毛刺現(xiàn)象，加工到6 080 mm時(shí)毛刺量非常明顯；而進(jìn)口銑刀全程加工幾乎沒(méi)有毛刺產(chǎn)生，孔邊緣非常整齊。按GB/T 1804—2000通過(guò)公差標(biāo)準(zhǔn)f級(jí)（精密級(jí)）的要求，國(guó)產(chǎn)銑刀加工長(zhǎng)度不足1 520 mm，當(dāng)加工長(zhǎng)度超過(guò)3 080 mm，m級(jí)（中等級(jí)）加工精度也不能保證且尺寸變化非?？欤欢M(jìn)口銑刀加工精度滿足f級(jí)（精密級(jí)）的要求，加工長(zhǎng)度可以達(dá)到22 980 mm以上，是國(guó)產(chǎn)銑刀使用壽命的15倍以上且尺寸變化非常緩慢。

圖5 碳纖維層壓板加工后效果

表1 碳纖維層壓板雕刻尺寸及毛刺情況對(duì)比

2 結(jié)果與討論

由于碳纖維復(fù)合材料的造價(jià)相比傳統(tǒng)金屬材料要高出很多，一般主要應(yīng)用在高端領(lǐng)域，比如無(wú)人機(jī)上就大量使用CNC加工碳板。由于產(chǎn)品的應(yīng)用特點(diǎn)，對(duì)尺寸精度要求都比較高，一般公差至少是m級(jí)（中等級(jí)）。尺寸加工精度和孔周?chē)塘渴桥卸ㄌ祭w維層壓板加工質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性的主要指標(biāo)，前者決定了加工后的碳纖維層壓板是否能用，一旦加工錯(cuò)誤，涉及到二次裝夾誤差等就很難進(jìn)行返工，只能做報(bào)廢處理；后者決定了碳纖維層壓板的加工經(jīng)濟(jì)性，假如毛刺量大，后期要花數(shù)倍于加工的成本去處理毛刺，經(jīng)濟(jì)性較差，尺寸精度也難以保證。

楊小璠等人[3]研究了不同銑刀造型對(duì)加工質(zhì)量的影響，同為菱齒型的立銑刀，鍍金剛石涂層能顯著減緩刀具磨損和提高表面加工質(zhì)量。本研究進(jìn)一步驗(yàn)證了金剛石涂層對(duì)加工碳纖維復(fù)合材料刀具的重要性，對(duì)提高刀具的使用壽命和加工經(jīng)濟(jì)性意義非常重大。本研究實(shí)驗(yàn)用進(jìn)口銑刀的價(jià)格大概是國(guó)產(chǎn)銑刀的10倍，但是考慮到使用壽命以及后期節(jié)省的處理成本，采用進(jìn)口銑刀相對(duì)國(guó)產(chǎn)銑刀仍具有較大的經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)勢(shì)。

對(duì)比進(jìn)口銑刀和國(guó)產(chǎn)銑刀的刃型結(jié)構(gòu)可見(jiàn)，進(jìn)口銑刀類(lèi)似在傳統(tǒng)右旋刃立銑刀的刃上又增加了菱齒，明顯增加了切削刃數(shù)，可以顯著降低切削力[3]；同時(shí)，螺旋的溝槽設(shè)計(jì)可以快速地排出切削屑，對(duì)減少切削屑對(duì)刀具的損傷以及摩擦產(chǎn)熱有一定意義，從而可以進(jìn)一步提高刀具的使用壽命。

3 結(jié)語(yǔ)

本研究簡(jiǎn)述了碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料層壓板的特點(diǎn)，并對(duì)層壓板的制作、加工過(guò)程及現(xiàn)象進(jìn)行闡述，重點(diǎn)從加工尺寸和加工毛刺量?jī)蓚€(gè)方面對(duì)國(guó)產(chǎn)銑刀和進(jìn)口銑刀進(jìn)行了量化對(duì)比，簡(jiǎn)要分析了造成兩種銑刀差異的原因，希望能在一定程度上給國(guó)內(nèi)碳纖維復(fù)合材料的加工起到一定借鑒作用。同時(shí)，獲得以下觀點(diǎn)和建議：

（1）從加工碳纖維層壓板的全生命周期看，表面鍍金剛石涂層的銑刀雖然一次性購(gòu)入成本較高，但是加工效率更高，整體經(jīng)濟(jì)性更好，加工質(zhì)量更穩(wěn)定。

（2）建議國(guó)產(chǎn)銑刀生產(chǎn)廠家，應(yīng)該加大對(duì)碳纖維復(fù)合材料加工特點(diǎn)的理論和工程化研究，有針對(duì)性地開(kāi)發(fā)出高品質(zhì)碳纖維復(fù)材加工刀具，以改變進(jìn)口銑刀高價(jià)格、長(zhǎng)交貨周期的現(xiàn)狀。

（3）建議碳纖維復(fù)合材料加工應(yīng)用廠家在碳纖維復(fù)合材料加工工藝參數(shù)設(shè)置、刀具選型等方面要打破對(duì)傳統(tǒng)金屬材料加工的固有認(rèn)識(shí)，充分了解碳纖維復(fù)合材料的材質(zhì)特點(diǎn)和加工差異性，更好地提高碳纖維復(fù)材的加工質(zhì)量和加工效率。