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碳纤维复合材料在加工中存在的问题


  碳纤维复合材料是由碳纤维增强体和树脂基体组成的非均质材料,其中两种材料在物理和化学性能方面存在着很大差异,材料的破坏机理与传统金属材料之间有很大的区别,碳纤维增强体、树脂基体自身性能、纤维的铺设方向等因素都使切削过程变得非常复杂。更为重要的是,碳纤维复合材料硬度大,其HRC值可达到53-65,相当于一般高速钢的硬度。在制孔加工过程中,对钻削的刀具磨损较严重,制出的孔容易出现分层、毛刺、撕裂、缩孔等问题。
  1、毛刺
  由于碳纤维复合材料的非均匀性,且其纤维铺层方向对制孔质量有较大影响,材料的各向异性,刀具在不同位置处切削碳纤维的不同角度,会使部分碳纤维受到拉伸作用而非剪切作用,这些都是导致在孔出口和入口处容易产生毛刺缺陷的因素,而且毛刺产生的方向一般与最外层纤维的铺层方向一致。又因为碳纤维复合材料对刀具有较大的磨损作用,刀具磨损变钝后,刃口宽度增大,不能顺利将碳纤维切断,也容易形成毛刺。
  2、撕裂
  碳纤维复合材料的钻出过程分两个阶段:一是横刃作用阶段。横刃首先接触外层碳纤维,由于横刃切削速度很低且不锋利,不能将材料切断,而是施加推力导致材料向外退让,并沿铺层方向向两侧扩展。二是主切削作用阶段。从横刃切出出口表层材料开始,主切削刃一边向外推挤,一边以自身的螺旋对工件进行扭曲。钻削轴向力过大及刀具磨损因素都容易在出口处形成撕裂缺陷。
  3、分层
  钻孔过程中,碳纤维材料层在钻削轴向力的作用下产生层间应力,如果在孔出口一侧不施加足够的支撑,在孔出口处容易出现层间应力过大,若该应力超过树脂基体的强度,则很容易造成碳纤维复合材料层与树脂基体分开,产生分层缺陷。一般来说,钻削轴向力越大,层间应力越大,越容易产生分层缺陷。
  4、缩孔
  碳纤维复合材料在钻削过程中不能使用冷却液,这些冷却液会通过毛细作用渗入材料,对材料造成损害,因此只能采用干切加工,这就加剧了刀具磨损,导致切削热过大。由于材料导热性差,这些热量无法快速释放,导致制孔区域温度较高,在钻削完成后,由于碳纤维复合材料线胀系数和弹性恢复较大,会出现缩孔的现象,影响制孔尺寸精度。