解读国家发明一等奖:碳纤维复合材料加工技术

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2018-12-12

8日上午,中共中央、国务院在北京召开国家科学技术奖励大会,大连理工大学贾振元教授主持的“高性能碳纤维复合材料构件高质高效加工技术与装备”荣获国家技术发明一等奖。 今天就来解读贾振元教授的这项发明成果。

问题的提出我们做碳纤维复合材料部件,肯定要涉及很多打孔、切削、铣削等加工工艺。 但是碳纤维复合材料是由碳纤维和树脂组成,与金属材料相比,复合材料加工复杂得多,因为其内部的碳纤维和树脂加工特性明显不一样,尤其是层间强度明显低于其他方向。 这就带来几个问题,首先当刀具切削力大于层间强度的时候,很容易顶开最外边基层材料,产生撕裂损伤。 也就是碳纤维复合材料一层一层叠起来,像书本一样。

当切削或者钻孔到最后几层厚度的时候,有可能就会把最后的几层撕裂。

其次第二个问题,碳纤维强度高,刀具难以切断,很容易造成表面毛刺现象,降低了工件结构完整性和增大了装配误差。

最后一个问题,刀具和碳纤维复合材料摩擦生热,肯定使接触面温度过高,可能会造成基体树脂的软化、烧蚀,从而带来结构损伤。

而且切削产生的碎屑不容易排出。 解决方案首先针对碳纤维复合材料表层撕裂和纤维毛刺问题,贾振元教授提出了“微元去除”和“反向剪切”相结合的方案。 所谓“微元去除”,就是减小刀具单刃切削量,来降低切削过程的分层和撕裂损伤的可能。

也就是贾教授认为切削过程发生分层和撕裂,是因为切得太猛了。 所谓“反向剪切”,就是表面几层材料撕裂,是因为切削方向有刀具向外顶,而外部没有力约束着最外边几层的材料,所以会发生撕裂。 解决之道就是,最外边几层利用刀具从反方向的切削,来防止撕裂行为的发生。 所以,贾振元教授解决撕裂损伤和剥层的技术方案就是:首先利用一系列的公式计算碳纤维复合材料可能会在切削到什么程度的时候会发生撕裂现象,然后先利用“微元去除”的办法小步快跑的进行切削,到达计算的容易发生撕裂的程度,翻转刀具,从反向进行加工,防止撕裂产生。 对于切削过程容易产生温度过高和切屑不容易排出的问题,贾振元教授提出的方案是“负压逆向冷却”和“自风冷排屑”方案。 最主要的有两个亮点。

一是在钻头外部加了一个罩子,这个罩子与复合材料表面形成一个密闭的空腔,然后在在编号为11的小口进行抽真空。

第二个亮点就是钻头尖部有一个小孔,这个小孔是一个气孔,加工的时候,气体从这里吹出,然后从上面说的11口排出去,这个过程不但把切削过程产生的热量带走,也吹走了切屑。 这还没完,上边不是说最外边几层材料没有支撑嘛。

加工的时候,容易发生撕裂。 贾振元教授的这个方案钻头尖部这个小孔可以在还剩下最后几层材料的时候,改吹起为吸气,利用钻头外边的这个罩子里面形成的真空,外部大气压会压着最外边几层材料向内,从而防止发生撕裂损伤。

关键词:碳纤维复合材料,碳纤维复合材料加工技术[责任编辑:张赞丽]。