碳纖維復合材料的特性與切削加工刀具分析

尹正軍

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島266111）

碳纖維復合材料屬于一種樹脂基復合材料，將碳纖維作為增強體。在當今社會的快速發展過程中，人們對碳纖維復合材料的認識程度正在不斷加深。碳纖維復合材料自身的優勢也逐漸凸顯出來，所以，近些年碳纖維復合材料的使用量正在不斷提升。碳纖維復合材料在二十世紀七十年代之前被視為一種昂貴的材料，被應用在軍工以及宇航等尖端技術行業中。在二十世紀八十年代之后，因為其性能的提升以及制造成本的降低，使得碳纖維復合材料被廣泛應用在我國軌道交通中。所以，本文將針對碳纖維復合材料的特性與切削加工刀具相應內容進行闡述。

1 碳纖維復合材料性能

碳纖維復合材料不僅有著碳材料自身特點，同時又具備紡織纖維柔軟可加工性特點，具備較強的綜合性性，是其他任何一款單一材料無法比擬的。碳纖維復合材料的性能主要體現在以下幾點中：

1.1 低密度高強度特點

碳纖維復合材料的密度不到鋁合金的二分之一，同時也不到剛的四分之一。強度是鋼的五倍以上，比模量是其他結構材料的1.3 倍到12.3 倍之間。

1.2 較強的抗疲勞特點

在碳纖維復合材料中包含許多碳纖維與樹脂基體界面，此類界面能夠在很大程度上防止裂紋的進一步擴大[1]。如果在交變荷載的環境之下工作，那么碳纖維復合材料的使用壽命將會得到提升，并且在很大程度上高于其他材料。

1.3 具備穩定的化學性能

碳纖維復合材料不僅耐高溫，而且耐低溫，有著較強的耐腐蝕性特點。在兩千攝氏度以上的高溫惰性環境當中，強度并不會受到影響，并且是唯一一個不受影響的物質。在零下一百八十攝氏度的低溫環境下，具備一定的柔韌性，并且不會與腐蝕溶液發生化學反應。

1.4 具備良好工藝性特點

碳纖維復合材料屬于各項異性材料，鋪層取向在較寬的范圍內都可以進行調整。因為鋪層各向異性特點，可以通過選用適合的鋪層方向與層數，使得材料的不同強度需求、剛度需求等得到滿足。

2 碳纖維復合材料的應用

2.1 在軌道交通中的應用

軌道交通已經成為人們日常出行的重要方式，為人們生活帶來很多便利。通常情況下，軌道車輛的運行壽命要保證在三十年以上，因此，對車體材質有著較高要求。比如，要具備較強的耐腐蝕能力、與耐氣候能力等。碳纖維復合材料是非金屬惰性材料，自身有著較強的化學穩定性特點，在腐蝕環境中仍然能夠正常運行。同時軌道車輛在運行過程中，能夠避免受到溫度以及氣流的影響。除此之外，在軌道車輛的制作過程中，可以使用碳纖維復合材料達到良好隔溫降噪效果，延長軌道車輛的使用壽命。

2.2 在航空航天領域的應用

碳纖維復合材料的應用與發展，在很大程度上推動我國航天航空整體技術的進步。碳纖維復合材料自身具備較強的綜合性特點，因此，在很早之前就被應用在人造衛星結構體、太陽能電池板當中。隨著社會的不斷發展與進步，使得碳纖維復合材料被應用在航空航天領域當中，并且將碳纖維復合材料的應用視為一種航天結構先進性的重要標志[3]。與此同時，碳纖維復合材料還被應用在武器裝備當中，比如，在戰斗機與直升機創造中的應用。碳纖維復合材料一般情況下，會將其應用在機身、主翼等不同部位中，可以達到良好減重效果。而且能夠在很大程度上提升飛機的抗疲勞性能與耐腐蝕性能[2]。比如，在美國研發的殲擊機與戰斗機中，碳纖維復合材料的應用達到25%以上，在軍用直升機的應用中，已經達到50%以上。將碳纖維復合材料應用在民用飛機上，可以減輕飛機質量、節省更多油耗，使得飛機航程能夠得到增加。比如，在波音787 結構中，碳纖維復合材料的使用達到50%，主要將其應用在機身與機翼中。

2.3 在風力發電、汽車領域中的應用

在風力發電裝備中，葉片是其中的關鍵部件，在將風機葉片質量增加到一定程度背景下，葉片質量的增加幅度，要大于風機能量的輸出增加幅度。在這一過程中，就要盡量減輕質量。因此，要加強對碳纖維復合材料的應用，碳纖維復合材料已經成為制作葉片的重要材料。碳纖維有著良好的導電性能，經過特殊結構設計，能夠在很大程度上防止雷擊對葉片產生的影響。

3 切削加工刀具

3.1 鉆削碳纖維復合材料的新型硬質合金鉆頭

針對碳纖維復合材料鉆孔工藝提出相應技術要求，主要目的是要保證加工孔精度，在此基礎上，防止的分層、毛刺情況的產生，使得加工效率可以得到提升。在這一過程中，可以使用的W 型鉆頭與鉆擴鉸復合刀具。（1）W 型鉆頭。W 型鉆頭鉆頭的結構主要是三尖兩刃，相較于傳統的麻花鉆橫刃長度在一定程度上縮短，并且留下相對較短的橫刃，橫刃在實際鉆削工作的開展中，主要起到的是定心作用。在使用W 型鉆頭對碳纖維復合材料進行鉆削過程中，鉆頭刃尖會與復合材料先行接觸，并將自身的定位作用充分發揮。接著鉆頭外緣的W 刃尖會接觸材料并展開切削工作。將被加工孔圓周的纖維層剪斷，鉆頭的主切削刃將碳纖維層切斷。（2）鉆擴鉸復合刀具。鉆擴鉸復合刀具采取的是多刀刃設計，切削刃由不同部分構成，能夠進一步實現碳纖維復合材料的鉆、擴、鉸一體化。在實際切削工作的開展中，復合刀具的刃尖會與復合材料之間進行先行接觸，能夠起到一定的定心作用。然后利用底刃開始鉆孔，在復合材料中會形成定位錐孔。接著其他部分展開相應的鉸肖工作或者切除工作等，鉆孔質量與加工效率將會在很大程度上得到提升。

3.2 銑削碳纖維復合材料的新型硬質合金立銑刀

新型銑削碳纖維復合材料專用刀具，一般包含交錯刃立銑刀和菱齒形立銑刀。（1）交錯刃立銑刀。交錯刃立銑刀的切削刃會被分為上部分與下部分，采取交錯設計方式，近端部刃右旋、近柄部刃左旋交錯設計。下端右旋切削刃通常會將其應用在銑削工件下表面中，在這一過程中，工件的下表面會受到向上切削分力[4]。上端左旋切削刃，會將其應用在銑削工件上表面，工件上表面會受到向下的切削分力。切削合力的主要指向為，工件材料板厚中心。在實際銑削期間，無論是材料的上表層纖維層，還是下表層纖維層，很容易被完全切斷，這樣可以在很大程度上防止，上表面、下表面出現撕裂加工缺陷或者毛刺加工缺陷情況的產生。（2）菱齒形立銑刀。菱齒形立銑刀的不同切削刃，都是由兩部分構成，分別是右旋切削刃與左旋切削刃，在不同的截面的切削加工中，右旋切削刃與左旋切削刃都會參與到其中。在切削速度影響下，促使工件表面層纖維材料，會受到向上切削力與向下切削力的影響，使得纖維材料很容易被剪斷。通過該種方式能夠在很大程度上，防止上表面、下表面出現毛刺、撕裂等情況，復合材料的加工質量將會在很大程度上得到提升。在利用菱齒形立銑刀對碳纖維復合材料進行切削過程中，會有許多切削刃數參與到其中，使得單位切削力減小，在很大程度上提升切加工質量與加工效率。

綜上所述，碳纖維復合材料因為自身優勢被廣泛應用在不同領域中，對于對碳纖維復合材料的使用與發展要加強重視程度，同時加強對切削加工刀具的應用，這樣才能更好實現對碳纖維復合材料的切削，將材料優勢充分發揮。