超高壓水切割技術在碳纖維及凱芙拉纖維復合材料加工中的應用

任衛安，種日良，馬 軍

（航空工業洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

先進復合材料以其優異的物理、化學、力學等功能多樣性及結構整體化、可設計性等優勢被廣泛應用到了航空航天領域，如航空發動機、無人機、導彈結構、運載火箭結構、衛星和宇航器結構[1]。但由于復合材料硬度高、層間剪切強度低和熱導性差等特點，導致其機械加工性能極差，傳統的加工方式易產生分層、撕裂、毛刺、崩塊、表面碳化等缺陷 ,嚴重影響產品質量[2,3]。雖然近年來研究人員對加工切削機理有了更深的認知，也進行加工工藝的改進[4-10]，在復合材料加工質量方面有了一定提高，但是復雜的設備、高昂的刀具也大大提升了制造成本，而且對于凱芙拉纖維復合材料依然沒有找到很好的加工解決方案。超高壓水切割技術近年在國內外得以快速發展，并成為一種成熟的加工工藝[11]。水切割技術屬于冷態加工，不改變加工材料組織、材料的力學、物理和化學性能，可避免加工熱變形，對材料不會造成應力破壞，零件加工表面質量好，加工效率高，非常適應以碳纖維為主的復合材料板材加工[12-14]。另外，水切割刀頭能夠集成在五軸聯動主軸上進行三維立體加工[15,16]。在國外，該技術被廣泛應用于F117、B-2、V22等軍機，波音777、787，空客A320、A350XWB等民機復合材料機身、機翼、尾翼、方向舵、安定面等壁板加工中。目前國內應用較少，本文通過在碳纖維和凱芙拉纖維復合材料上應用超高壓水切割技術，得到的試樣質量滿足要求，且優于常規加工技術。

1 加工設備結構

加工設備是美國福祿公司五軸水切割，型號為馬赫4。圖1a為設備整體結構，圖1b是設備增壓泵，圖1c是水切割切割頭，圖1d是砂箱。設備運行方式：龍門控制設備的X、Y、Z運動，切割頭控制轉角及擺角的運動從而實現五軸聯動控制。增壓泵可以將系統壓強提高到600Mpa，水流通過增壓泵提高切割能量，再經注射泵形成足以切割任何材質的水柱，噴射出的水柱最終實現材料加工功能。當切割硬質材料時，可以通過水流里添加石英砂的方式以增加其切割穿透力。

2 加工測試

2.1 碳纖維復合材料板

2.1.1 實驗方案

實驗按照圖2設計，共5組，11個試樣。a組：60mm×40mm方塊，3個試樣分別倒角R6mm、R3mm、R1.5mm。b組：60mm等邊三角形，3個試樣分別倒角R6mm、R3mm、R1.5mm。c組：頂角 30°，邊長 60mm 等腰三角形，3個試樣分別倒角R6mm、R3mm、R1.5mm。d組：邊長60mm,夾角30°鋸齒，倒角R6mm。e組：R30mm的圓。通過對比實驗設計，驗證水切割加工碳纖維復合材料邊緣、轉角及加工鋸齒能力及加工質量。

2.1.2 切割實驗結果

圖3為碳纖維板水切割試樣效果圖，整體加工耗時非常短。從a1、b1、c1、外形圖可以看出，所切割試樣的直線、倒圓角，形狀規則，棱角分明。從a2、b2、c2可以看出，切邊光滑，無任何毛刺等缺陷，轉角光滑，即使R1.5mm倒角依然規則，加工表面質量良好。

圖4顯示加工鋸齒邊緣及切割圓的效果圖，a1顯示連續鋸齒加工及倒角，可以看出，30°尖角處十分平直尖銳，尖角頭部無損傷，而傳統的機械加工或手工加工容易崩掉尖角頭部；a2鋸齒連接處導圓也平滑光順，無任何毛刺、撕裂等損傷。圖b1,b2切圓邊緣也展示了良好的表面質量，無毛刺、撕裂等缺陷。

圖2 碳纖維板試樣切割設計圖

圖3 碳纖維板試樣邊緣切邊倒角對比圖

通過圖4加工結果可以看出，加工實驗基本覆蓋復合材料加工主要特征：切邊、倒角、鉆孔、混合切邊導內圓等，并且試樣加工質量很好。

2.2 凱芙拉復合材料板

2.2.1 實驗方案

實驗按照圖5設計，分為3組,3個試樣。a組：切割一個60mm×60mm方塊，方塊一邊倒60°斜邊，一邊倒45°斜邊，另外兩邊90°垂直切割。b組：切割一個R30mm圓孔。c組：切割一條長直線。通過對比實驗設計，驗證水切割加工凱芙拉復合材料切邊倒角能力及加工質量。

圖5 凱芙拉板試樣切割設計圖

2.2.2 實驗結果

圖6為凱芙拉板切割實驗結果圖，從圖a1、a2可以看出，水切割設備切割凱芙拉材料形狀規整，表面光滑、無毛刺、劈絲等缺陷。圖b1、b2倒邊很好地表現了水切割設備三維加工能力。不管是45°還是60°倒斜邊，棱角分明，其效果都很好。圖c1為水切割設備切割的直線效果圖，另外對比普通的手工加工凱芙拉纖維效果圖c2，可以看出，水切割設備加工表面光滑、無毛刺、劈絲等缺陷，而手工加工試樣出現了明顯的切割不精確、毛刺、劈絲等缺陷。凱芙拉復合材料韌性非常好，傳統的手工加工、機床銑削加工非常困難，很難找到合適的加工刀具及工藝方法，而水切割技術解決了這一困難。

圖6 凱芙拉復合材料切割板實驗結果

3 結論

通過采用超高壓水切割設備加工各類碳纖維及凱芙拉纖維復合材料試樣可知，超高壓水切割技術在復合材料加工方面有很大優勢：

1)超高壓水切割加工技術能夠覆蓋復合材料加工主要特征：切邊、倒角、倒圓等，可以滿足復合材料加工要求，尤其在連續的鋸齒、倒小內圓角加工技術方面，可以保證試樣不損傷。

2)超高壓水切割加工技術對于碳纖維和凱芙拉纖維加工都具有較好的適應性。

3)超高壓水切割設備對于復合材料切割加工效率很高，加工質量很高，無毛刺、撕裂、分層、崩塊等質量缺陷。

4)凱芙拉復合材料機械加工相當困難，其精度、加工質量控制也較難。而超高壓水切割技術對于切割凱芙拉材料有較好的效果，可以解決傳統機械加工難以解決的問題。