碳纖維設備中超長分絲輥的加工工藝分析

劉興苗，朱延松，王 娣，張斯緯

（1.連云港鷹游工程技術研究院有限公司，江蘇 連云港 222000；2.連云港鷹游紡機集團有限公司，江蘇 連云港 222000）

碳纖維被譽為新材料之王，又有黑色黃金之稱，作為一種性能優異的戰略性新材料，其密度不到鋼的1/4，強度卻是鋼的5～7倍[1]。碳纖維技術具有森嚴的技術壁壘，此前只有日本、美國等少數發達國家掌握，國外在這方面對中國采取了完全的技術封鎖和產品壟斷。中復神鷹碳纖維有限公司從2006年成立之初起，依托江蘇鷹游紡機有限公司逐步實現了年產萬噸碳纖維的生產能力，并實現了從聚合到紡絲、再到炭化全套裝備的國產化。

1 研究背景

在研制碳纖維設備初期，相關設備的很多零件和工藝方法都是在摸索中挖掘。在碳纖維原絲炭化工藝過程中，絲束要通過許多牽伸輥和導絲輥來輸送。在此過程中，絲束與輥面的摩擦、磨損會造成纖維表面的損傷，因此，這些成品輥表面粗糙度（Ra）不得超過0.4。絲束在輸送過程中兩邊會出現離散、相互交叉并產生并絲。為了避免絲束間并絲，采用帶溝槽的導輥進行“強制隔離”，而這些帶溝槽的導輥被稱為分絲輥。在炭化過程的不同階段，所使用的溝槽導輥的溝槽形狀有所不同。在預氧化過程中，由于采用了多層運行方式來提高生產效率，絲束在預氧爐內要走“S”形，需要通過導輥多次進行反轉導向，此處的溝槽、溝谷、溝峰均采用圓弧形結構，且兩者圓滑連接[圖1（a）]。在高、低溫及石墨炭化階段，為了便于炭化及后續的表面處理和上漿工藝，此處的溝槽、溝谷有一段是平直的，溝峰采用圓弧形結構[圖1（b）]。

圖1 槽形（一）

2 確定工藝路線

機械加工工藝是指利用機械加工的方法，按照圖紙的圖樣和尺寸，使毛坯的形狀、尺寸、相對位置和性質成為合格零件的全過程[2]。制定工藝路線時，需先分析被加工零件的結構復雜程度、加工精度要求。分絲輥結合件如圖2所示（因為技術保密，有些尺寸沒有標注）。分絲輥的材質是45#鋼，長度為5 800.00 mm，由于國產碳纖維裝備炭化生產線幅寬小（2 000 m以內），單線產能低。為了提高生產效率，需要相應加大幅寬，分絲輥的長度也需隨之加長。其中，分絲輥的加工，尤其是溝槽的加工是個難題。本研究從焊接結合件開始，探討可行的工藝路線。

如圖2所示，因工件過長，現有數控車床無法加工，只能在加長普通車床上加工。選擇在CWA61100臥式車床上加工，分絲輥的溝槽槽形有圖1中的兩種，對溝槽表面的粗糙度要求很高。車工序結束后要有拋光工序，車槽形和拋光各溝槽都是難題，機械加工結束后要進行表面處理。經過傳統表面處理的鏡面輥雖然在牽伸過程中不會損傷到纖維，但由于絲束與輥面之間的附著力強，絲束中極少量的游離絲會吸附在輥面上，一旦不能被及時帶走，就會纏繞在輥體上，進而帶動正常的絲束纏繞到輥面上，造成“纏絲”現象，若不能及時發現和清理，則會形成斷絲，嚴重時會導致停車，影響生產。因此，分絲輥表面要進行噴砂電鍍處理，最終確定工藝路線：車床—拋光—噴砂—電鍍。下面重點分析車床工序和拋光工序。

圖2 分絲輥結合件

3 加工工藝分析

3.1 車床工序

工欲善其事，必先利其器。根據工件材質選擇刀具，加工45#鋼用YT類硬質合金刀，用45°刀車平面，90°刀反車外圓，內孔鏜刀車內孔，內孔切槽刀切內槽，這些刀具都是常規刀具。確定車溝槽刀是難點，選用硬質合金焊接車刀磨削而成（焊接車刀是以焊接方式將刀刃部分和刀體部分連接而成[3]），因槽形不同，刀具形狀也不同，磨削槽形刀時，先根據槽形自制磨刀樣板，在磨刀前準備刀坯及圓弧樣板。在刃磨過程中，適時選用圓弧樣板進行測量。在測量過程中，若車刀圓弧面與圓弧樣板完全吻合，則表示刃磨完成。加工圖1（b）所示槽形時，谷底用圖3所示車刀；加工谷峰時，用圖4所示車刀。

圖3 谷底成形刀

圖4 谷峰成形刀

加工圖1所示槽形時，只有谷底用刀不同，圖1（a）所示谷底用刀不用自制，選擇標準的R3圓弧刀即可，刀具準備完成后進入加工工序，制定車床工藝路線如下：

（1）撐一端內孔，架中心架，找正車另一端內孔（留量1.50 mm），調頭撐內孔，架中心架回找正車另一端內孔（留量1.50 mm）；

（2）撐內孔，用傘形頂真頂起，用跟刀架，車輥外圓（留量0.20 mm），根據槽形選擇自制的T型成形刀或R3圓弧刀車槽，加工時只需要徑向進給，即可完成槽形的加工，然后選自制的外圓弧車刀車槽頂，最終完成絲槽切削，各個分絲槽車完以后，精車輥殼兩端外圓；

（3）撐內孔，架中心架，精車兩端內孔。

經過上述工序，整個車床工序加工完成。

3.2 拋光機的改制及拋光工序

車床工序完成后進入拋光工序。輥體表面由諸多凹槽組成，車削凹槽有時會留下緊痕和毛刺，使用過程中，絲束是在一道道凹槽里運行，凹槽不能有毛刺，如果凹槽表面處理不好會傷到絲束。各凹槽無法上外圓磨床磨削，這時拋光就顯得非常重要。拋光工序也是為下道工序噴砂作準備，在試制過程中發現，拋光后工件表面的粗糙度不同，最后的成品效果各不相同。由于成品輥表面的粗糙度要求是0.4，拋光工序結束工件表面的粗糙度必須小于0.1，這樣成品輥表面的粗糙度才能不超過0.4。因此，拋光工序結束檢驗表面的粗糙度必須小于0.1，才算拋光工序合格。只有嚴格把控各工序，才能做出合格的工件。

拋光是指利用機械、化學或電化學的作用，降低工件表面粗糙度，以獲得光亮、平整表面的加工方法，利用拋光工具和磨料顆粒或其他拋光介質對工件表面進行修飾加工[4]。拋光不能提高工件的尺寸精度或幾何形狀精度，而是以得到光滑表面或鏡面光澤為目的，通常以拋光輪作為拋光工具。拋光輪一般由多層帆布、毛氈或皮革疊制而成，兩側用金屬圓板夾緊，拋光時，高速旋轉的拋光輪（圓周速度在20 m/s以上）壓向工件，使磨料對工件表面產生滾壓和微量切削，進而獲得光亮的加工表面，表面粗糙度一般可達0.63～0.01。傳統的機床無法對槽形進行拋光，決定使用公司現有老舊臥式車床（模仿車床車削狀態）改造一臺外圓及絲槽拋光設備。在臥式車床刀架處改造，改造方案分別見圖5、圖6：拋光輪方便更換（含千葉輪、尼龍輪、羊毛氈輪），以適應表面處理要求不一的產品；拋光輪可往復勻速運動；拋光輪轉速可自由調節，以便對不同材質的產品進行拋光。

圖5 刀架改造

圖6 拋光示意

拋光機改制成功后，選擇合適的拋光輪進行拋光。拋光輪一般都是由動物皮毛、金屬絲、皮革、呢絨線、棉布、特種紙、纖維（尼龍）組成，分為軟輪和硬輪兩種性質。當基體材料硬、形狀簡單時，多選用硬輪拋光；當基體材料軟、形狀復雜時，選用彈性較大的軟輪拋光。在拋光時，拋光輪高速旋轉并壓向工件進行拋光，基體與拋光輪摩擦產生的高溫使基體塑性增強，在拋光力的作用下，工件表面產生塑性變形，凸起部分被壓低，并向凹處流動，使表面粗糙度降低。

因為工件材質是45#鋼，所以選用硬輪拋光，經多次試拋，最后確定尼龍拋光輪的效果最好。尼龍拋光輪可拋平面、凹凸曲面及各種溝槽，拋光輪切削力強，對較大毛邊精除及連修效果極佳。尼龍拋光輪種類比較多，產品砂號一般分為90#、120#、150#、180#、240#、320#等。粗拋時用240#，精拋時采用320#。精拋則是拋光的最后一道工序，使工件表面獲得光亮鏡面。

3.3 噴砂工序

噴砂采用黑碳化硅，主要是因為碳化硅具有很高的硬度、化學穩定性和一定的韌性，噴料粒度為400目，可在自制的自動噴砂機上進行噴制。用自動噴砂機噴過的零件砂粒均勻，成品出來后各項指標檢測均合格。需要注意的是，此項工序在之前相關論文中已有表述，在此不再贅述。

3.4 電鍍工序

輥殼表面鍍硬鉻，鍍層厚度不小于0.06 mm。

3.5 成品檢驗標準

用T700、12K碳纖維原絲一端掛400 g重物，一端手拉，在輥或輪體表面來回拉10次，觀察原絲起毛狀況，無或少為1級，起毛較多為2級。采用這種工藝方法制作的成品經檢驗均為拉毛等級1級。

4 結語

經檢驗，上述分絲輥減少了絲束與輥面的摩擦、磨損，避免了纖維表面的損傷，而且絲束兩邊不會出現離散以及相互交叉產生并絲，較好地保證了碳纖維絲束的質量，為公司生產高質量的高強纖維復合材料提供了堅實的基礎，為我國的高強纖維復合材料達到世界領先水平提供了有力的技術保障。