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复合材料加工的新方法

来源:荣格 发布时间:2017-08-09 969
工业金属加工金属加工模具及冲模金属材料化工增强塑料 技术前沿
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为了不影响碳纤维增强的轻型结构材料的机械性能,在机械加工中通常是采用有损刀具使用寿命的“干式切削”。而Rhenus Lub公司则利用一种特殊的冷却润滑液实现了经济的湿式切削。

图1. 碳纤维增强塑料(CFK)的进气管在Zimmermann 公司 FZ33c 型5 轴加工中心上进行孔 加工,在使用特殊的冷却润滑液情况下经济性还是可观的。

图1. 碳纤维增强塑料(CFK)的进气管在Zimmermann 公司 FZ33c 型5 轴加工中心上进行孔加工,在使用特殊的冷却润滑液情况下经济性还是可观的。

为了不影响碳纤维增强的轻型结构材料的机械性能,在机械加工中通常是采用有损刀具使用寿命的“干式切削”。而Rhenus Lub公司则利用一种特殊的冷却润滑液实现了经济的湿式切削。

由于诸如碳纤维增强或者玻璃纤维增强的复合材料有着一些特殊的性能,因而成为许多领域青睐的重要材料,但是这类复合材料为加工提出了新挑战。譬如钻孔等切削加工通常采用干式加工,但干式加工出的复合材料零件往往由于质量差和废品率高而令人头痛。

专门生产冷却润滑液的Rhenus Lub公司在碳纤维增强塑料(CFK)的加工中选择了自创的方法——采用专门研发的冷却润滑液进行复合材料的切削。

除了高强度轻型的铝合金材料、镁合金材料和钛合金材料外,特别是纤维复合塑料(FVK),在轻量化构造中显得越来越重要。这类材料的突出代表是:碳纤维增强塑料。它不仅重量非常轻,而且稳定性极好。

干式切削加工的测试表明:缺点明显

一方面复合材料的市场需求很高,另一方面这种创新复合材料却仍然广泛采用低效益的干式切削。虽然碳纤维增强塑料构件已制成接近最终成品的形状,但常常还有一些看似简单的切削加工工序需要补充加工,例如钻孔或者铣削,而干式切削可能会带来一些严重的后果。然而,由于缺少干式加工工艺的替代解决方案,问题仍然存在。

问题的症结点在于零件的生产成本居高不下。构件在加工时,即使采用的切削速度和进给速度很低,但由于起鳞和纤维的撕裂往往造成质量较差的结果。与此同时,切削刀具承受着很大的负荷:复合材料中的纤维会使钻头、铣刀和磨具产生非常快的磨损,需要经常更换刀具。为了解决非常严重的刀具磨损问题,首先是采用聚晶金刚石或者涂有金刚石涂层的高品质刀具,而这理所当然会提高刀具的成本。

在安全和健康保护方面,碳纤维增强塑料的干式切削加工有许多问题,尤其是切削加工过程中释放出来的微细粉尘。大量的微细粉尘颗粒物会对加工设备操作者的健康带来不利影响。为了不影响加工设备操作者的健康,企业就必须投资购置全封闭的机床附件以及排气系统和过滤系统——这是一套昂贵的设备,但是为了充分防止纤维粉尘的侵害,这是必要的,并且能够达到法规要求的。

Rhenus Lub公司面向未来的解决方案

干式切削加工的替代解决方案可能是改进提高的关键。对专门从事高性能冷却润滑液研发生产的Rhenus Lub公司来讲,面对的是特别苛求的加工材料,并由此遇到多方面的挑战(很高的刀具磨损、很低的表面质量、操作者的健康风险)并非新鲜事。为了使碳纤维合成材料的加工方案能面对未来的挑战,位于德国门兴格拉德巴赫(Mönchengladbach)的润滑液生产企业使常规的湿式加工成为加工碳纤维增强塑料合适的解决方案,该方案关键在于研发专用的冷却润滑液,采用大流量冷却方式,不损害碳纤维增强材料。

图2. 在试验时,用肉眼就可以清楚地看出,利用专用的冷却润滑液 加工出了较高质量的孔(右图)。

图2. 在试验时,用肉眼就可以清楚地看出,利用专用的冷却润滑液加工出了较高质量的孔(右图)。

这方面,在一个研究项目中,与茨维考西萨克森技术大学的研究和技术转移中心(FTZ)以及德国航空航天中心(DLR)进行合作,就纤维增强塑料进行详细的材料试验和相容性试验。在最坏情况条件下(碳纤维增强材料在60摄氏度的冷却润滑液中浸泡一周,最低试验温度为-50摄氏度)进行一系列试验以研究冷却润滑液与碳纤维增强塑料的相互作用。检测结果非常好:在切削加工时,冷却润滑液对碳纤维增强塑料的作用时间较短,没有引起材料特性值的变化;也没有观察到冷却润滑液渗透到复合材料中。

合乎逻辑的演进:湿式加工

一位Rhenus Lub公司产品研发部门的领导、同时负责冷却润滑材料质量控制的Hans Jürgen Schlindwein博士强调说:“为了客户,我们通过产品和服务组合正在寻求使各种各样的加工工序越来越达到接近最佳化,而采用专门的冷却润滑液恰恰可以满足碳纤维增强塑料的切削加工,正如大量实际测试所证明的那样。所以,我们将像以前一样不断努力,克服一切真正的创新障碍。”

图3. 即使采用没有涂层的刀具,通过使用专用的冷却润滑液,钻削 加工碳纤维塑料也可以获得较高质量的孔。

图3. 即使采用没有涂层的刀具,通过使用专用的冷却润滑液,钻削加工碳纤维塑料也可以获得较高质量的孔。

第一批成熟的产品是两种专用冷却润滑液rhenus XY 190 FC和rhenus XT 46 FC。“它们适用于加工诸如碳纤维和玻璃纤维等纤维增强塑料,在一定条件下,干式加工工艺的效率更成问题”,Schlindwein博士说道。

令人信服的实践结果

来自汽车行业的客户在加工现场生产运行得到的资料证明,使用专用冷却润滑液加工碳纤维和玻璃纤维增强材料,对切削表面和钻孔的质量、对每一个孔的加工成本、工艺费用和废品费用以及工艺过程参数等都有积极的影响。

通过加工现场的生产测试进行直接比较,利用冷却润滑液加工碳纤维零件,相对于常规干式加工的优点是:在利用冷却润滑液所进行的加工试验中,刀具的使用寿命能够提升四倍。由于较高的进给速度(高于60%以上 )显著缩短了加工时间。通过使用专用的冷却润滑液的同时,也提高了加工精度和尺寸稳定性。在使用rhenus XY 190 FC和rhenus XT 46 FC冷却润滑液之后,刀具的加工精度有显著提升,也能更好地把尺寸精度控制在规定的尺寸公差范围内。很低的加工偏差和高的尺寸精度不仅仅保证了较低的废品率,同时也提高了构件的加工质量,避免了起鳞,减少了需返工的零件数量。

专用冷却润滑剂使纤维增强塑料的切削 “有利可图”

在现场试验中,尽管提高了进给量、切削速度和进行了精密的加工,然而对钻头和铣刀等切削刀具还是起到很好的保护处理。同时得到了良好的结果:延长了刀具的使用寿命,减小了刀具的磨损,从而降低了生产成本。

辅助效应:通过使用冷却润滑液使粉尘与冷却液得到最佳融合,有益于健康保护,因此,这一工艺技术深受工艺人员和机床操作者的认可。同时,由于冷却润滑液的冲洗作用使机床工作间能够保持清洁。

图4. 采用Rhenus Lub 公司专用的冷却润滑液进行湿式加工碳纤维 增强塑料时,表明具有高的刀具使用寿命和较低的刀具磨损(右图)。 相比之下:在干式加工情况下有磨损班纹(左图)。

图4. 采用Rhenus Lub 公司专用的冷却润滑液进行湿式加工碳纤维增强塑料时,表明具有高的刀具使用寿命和较低的刀具磨损(右图)。相比之下:在干式加工情况下有磨损班纹(左图)。

Rhenus Lub公司的市场营销经理的Meinhard Kiehl工程师认为,公司是创新工艺和与此相关的高性能冷却润滑液的先驱者,“随着我们使用专门研发的冷却润滑液加工碳复合材料和其它复合材料工作的深入,我们开创了一个新时代。这不仅使工艺人员感兴趣,与此同时,这些人员迄今为止经常面对碳复合材料干式加工时,所产生的部分很不满意的结果也开始出现变化——即使是直到现在还使用冷却润滑液的企业,没有经历过加工碳复合材料的零件,现在,既可以利用我们为加工纤维复合材料而开发的专用冷却润滑液,也可以利用他们现有的机床加工高强度材料,并由此扩大他们的服务组合。这为新增的业务提供了很大的潜力。”

若涉及到纤维增强塑料切削的安全性、经济性以及可持续性的竞争力时,人们必须认识到:永远不能离开冷却润滑。


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