特殊材料加工工藝

1、特殊材料加工技術(shù),陶瓷和復(fù)合材料難加工的原因： 1)高硬度；2)高強(qiáng)度；3)高塑性和高韌性；4)低塑性和高脆性；5)低導(dǎo)熱性；6)有微觀的硬質(zhì)點(diǎn)或硬夾雜物；7)化學(xué)性能過于活潑。,我們對(duì)航天領(lǐng)域中難加工特殊材料陶瓷和復(fù)合材料的加工技術(shù)進(jìn)行了追蹤。,陶瓷材料的切削加工性,一、與切削加工相關(guān)的陶瓷材料的特性,1具有高硬度 在各類工程結(jié)構(gòu)材料中，陶瓷材料的硬度僅次于金剛石和立方氮化硼 2具有高剛性,3具有高的抗壓強(qiáng)度和低的抗拉強(qiáng)度,4塑件極差 陶瓷材料常溫下幾乎無塑性。 5.韌性極低,6陶瓷的熱特性 陶瓷的線脹系數(shù)比金屬低得多 導(dǎo)熱系數(shù)(Sic、AlN除外)也比金屬小,二、陶瓷切削加工的特點(diǎn),陶瓷制

2、品尺寸精度低，不能直接作為機(jī)械零件使用，必須經(jīng)過機(jī)械加工才行。 陶瓷尺寸收縮率約為10以上，而金屬僅為0.2以下 傳統(tǒng)的加工方法是用金剛石砂輪磨削，還有研磨和拋光。 磨削效率低，加工成本高。 燒結(jié)金剛石、易切陶瓷、高剛度機(jī)床開發(fā)，使切削加工成為可能。,1、只可能使用金剛石或立方氮化硼刀具 CBN切削陶瓷試驗(yàn)結(jié)果尚不理想 ； 金剛石的耐磨性約為A12O3陶瓷的10倍，切削陶瓷時(shí)金剛石的熱磨損很小 ； 金剛石在空氣中切削高溫下氧化引起碳化而磨損 。,天然單晶金剛石切削刀鋒利，硬度高，但遇沖擊和振動(dòng)易破損,2陶瓷材料的去除機(jī)理是刀具刃口附近的被切材料產(chǎn)生脆性破壞，而金屬則是產(chǎn)生剪切滑移變形。,3從機(jī)

3、械加工角度看，斷裂韌度低的陶瓷材料應(yīng)該容易被切削加工。 不燒結(jié)陶瓷和預(yù)燒結(jié)陶瓷材料內(nèi)部存在大量龜裂。比完全燒結(jié)陶瓷材料容易切削。 燒結(jié)溫度和壓力越高、材料越致密、硬度越高，切削加工性越差,刀具而用度越低,4從剪切滑移變形的角度看，某些陶瓷材料只有在高溫區(qū)會(huì)軟化呈塑性，切削時(shí)刀具刀口附近的陶瓷材料產(chǎn)生剪切滑移變形才有可能。,5陶瓷材料切削時(shí)的脆性龜裂會(huì)殘留在加工表面上。,復(fù)合材料的切削加工性 復(fù)合材料是指由兩種以上在物理和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)，人工制成的一種多相固體材料。 金屬與金屬、非金屬與非金屬、金屬與非金屬均可復(fù)合。 幾種不同材料復(fù)合之后，既保持了各自的優(yōu)點(diǎn)，又獲得了更優(yōu)越的綜合力學(xué)性能和物

4、理性能。,一、復(fù)合材料的特點(diǎn) （1）比強(qiáng)度及比模量高于其他材料。其中以纖維復(fù)合材料比強(qiáng)度和比模量最高。 （2）具有良好的抗疲勞性能。如多數(shù)金屬疲勞極限是拉伸強(qiáng)度的4050，而碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料可高達(dá)7080。 （3）復(fù)合材料吸振能力強(qiáng)。這是由于復(fù)合材料自振頻率高，不易產(chǎn)生共振，同時(shí)纖維與基體之間有界面存在，對(duì)振動(dòng)有反射和吸收作用。 （4）復(fù)合材料高溫性能好。 具有良好的減磨、耐磨、自潤滑性能、隔音性、化學(xué)穩(wěn)定性及電、光、磁等特殊性能。,二、復(fù)合材料的分類 其全部相可分為兩類：一為基體相，另一為增強(qiáng)相?；w相起粘結(jié)作用；增強(qiáng)相起提高強(qiáng)度和剛度的作用。 復(fù)合材料可以分為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料兩

5、大類。結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的分類方法有三種： （1）以基體類型分類：金屬基復(fù)合材料、樹脂基復(fù)合材料、無機(jī)非金屬基復(fù)合材料等。 （2) 以增強(qiáng)纖維類型分類：碳纖維復(fù)合材料、玻璃纖維復(fù)合材料、有機(jī)纖維復(fù)合材料、復(fù)合纖維（SiC、B）復(fù)合材料、混雜纖維復(fù)合材料等。 （3) 以增強(qiáng)相外形分類：細(xì)粒復(fù)合材料、短纖維復(fù)合材料、連續(xù)纖維復(fù)合材料和疊層復(fù)合材料等。,三、 常用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料,1玻璃纖維樹脂基復(fù)合材料(Grass Fiber reinforced Plastics，簡稱GFRP) 以塑料為基體與玻璃纖維復(fù)合，俗稱玻璃鋼。 按所用塑料基體不同，玻璃鋼分為熱塑性玻璃鋼和熱固性玻璃鋼兩種。 前者以熱塑性塑料

6、(如尼龍、聚苯乙烯等)為基體；后者以熱固性塑料(如環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂等)為基體。,玻璃鋼的性能特點(diǎn) 強(qiáng)度較高，接近或超過銅合金和鋁合金，由于相對(duì)密度小(1.52)，所以比強(qiáng)度高于銅、鋁合金，甚至超過高級(jí)合金鋼。 耐蝕性、介電性優(yōu)良，加工成形性良好。 缺點(diǎn)是剛度差、易變形、耐熱性差(不超過200)、導(dǎo)熱性差、易蠕變等。 要求自重輕的受力結(jié)構(gòu)件 。,2碳纖維樹脂復(fù)合材料(Carbon Fiber reinforce plastics，簡稱CFRP) 是以人造纖維或天然纖維為原料，在隔絕空氣條件下經(jīng)高溫碳化而成。 抗拉強(qiáng)度比玻璃纖維略高，而彈性模量是玻璃纖維的46倍。碳纖維還具有較好的高溫性能。 密

7、度比玻璃鋼還要小，它是目前比強(qiáng)度和比模量最高的復(fù)合材料之一。 在抗沖擊性能、抗疲勞性能、減磨性能、耐磨性能、自潤滑性、耐腐蝕性及耐熱性等方面都有顯著優(yōu)點(diǎn)。,碳纖維在機(jī)械工業(yè)中主要用于一些承載零件(如連桿、齒輪)、耐磨零件(如軸承、密封圈、活塞)、耐腐蝕零件(如化工泵、高壓泵、管道、容器)等。 此外，它還可用于航空、航天器的構(gòu)件材料，如飛機(jī)翼尖、尾翼、起落架、人造衛(wèi)星支架、火箭噴嘴等。 3.硼纖維與樹脂復(fù)合材料(BFRP)。 抗拉強(qiáng)度與玻璃纖維相近，而彈性模量卻高5倍。但由于成本高或技術(shù)上的原因，目前應(yīng)用不如前兩種普遍。 4.芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（KFRP）,四、樹脂基纖維增強(qiáng)材料切削加工的特點(diǎn)

8、,1.切削溫度高 纖維增強(qiáng)材料的切削層是在剪切與彎曲的聯(lián)合作用下切除的，切削功率大； 由于纖維增強(qiáng)材料的彈性模量低，切削時(shí)將產(chǎn)生較大的彈性變形，增大了與刀具間的摩擦，所以產(chǎn)生的熱量多。 另外，纖維增強(qiáng)材料的導(dǎo)熱系數(shù)低，切削時(shí)產(chǎn)生的熱量難以很快散出。,2刀具磨損嚴(yán)重、耐用度低 切削纖維材料時(shí)，因切削熱集中在刀具切削刃附近很小區(qū)域內(nèi)，纖維的彈性恢復(fù)和粉末狀的切屑劇烈擦傷刀具表面; 切削強(qiáng)度較高的纖維增強(qiáng)材料時(shí)，在刀具后刀面垂直于切削刃的方向上，會(huì)產(chǎn)生線隙形溝條狀磨損，所以刀具磨損快，刀具耐用度低。,3. 表面粗糙度大 由于纖維方向與軸線間的夾角不同，以及增強(qiáng)纖維和基體樹脂的線脹系數(shù)不同，使切削加工

9、后的表面易產(chǎn)生應(yīng)力集中，且“起毛”，表面粗糙度大，加工精度低。 4. 控制切削溫度 切削溫度高會(huì)使基體樹脂軟化變質(zhì) 不能隨意使用切削液 5.鉆孔時(shí) 鉆削力產(chǎn)生周期性變化 同時(shí)沿孔的軸線方向上，纖維增強(qiáng)材料幾何邊界層有局部應(yīng)力集中，從而產(chǎn)生分層現(xiàn)象。,五、 切削實(shí)例說明,(1)增強(qiáng)纖維的纖維角影響加工表面質(zhì)量、切削力和刀具磨損,(2)刀具的磨損形態(tài) 切削CFRP時(shí)，不論用哪種刀具材料(表138中的k10、P20、M10、TiC、TiN、TaN、CW、CB)，在不同切削速度范圍內(nèi)，均可觀察到有邊界磨損； 當(dāng)磨損量較小時(shí)呈帶狀，磨損量較大時(shí)呈三角狀。 在TiN和Tic等金屬陶瓷刀具后面上還可觀察到一

10、種特殊的磨損溝(圖1310)，溝的間距與纖維層間隔有關(guān)。,(3)切削速度對(duì)刀具磨損率的影響 切削GFRP時(shí)，切削速度達(dá)到臨界值后，磨損值急劇增大，即刀具磨損率大。切削CFRP時(shí)，切削速度對(duì)刀具磨損率幾乎無影響 (Tic、TiN、TaN基硬質(zhì)合金除外 ) (4)刀具材料性能對(duì)刀具磨損率的影響 刀具材料的抗壓強(qiáng)度越高、熱脹系數(shù)越小，刀具磨損率越小 ; 刀具材料的導(dǎo)熱系數(shù)影響不同。切削GFRP時(shí)，刀具材料的導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)磨損率幾乎無影響，切削CFRP影響甚大，試驗(yàn)點(diǎn)很分散，原因在于強(qiáng)度高.,(5)切削FRP的切削力 切削力總的來說比切削金屬小得多，且各向分力大小也有不同。 切削CFRP時(shí)，主切削力Fc遠(yuǎn)小于背向力FP； 切削GFRP時(shí)，F(xiàn)cFP; 切削速度相同時(shí)，切削CFRP的FP約為GFRP的56倍，F(xiàn)c僅是切削GFRP的1倍左右。原因在于CFRP的抗拉強(qiáng)度大。,(6)不同刀具材料的切削性能不同 在試驗(yàn)的三種硬質(zhì)合金(K10、P20、M10)、兩種陶瓷(cw和CB)、三種金屬陶瓷(Tic、TiN、T