金剛石刀具賦能航空航天，助力碳纖維復(fù)材高效加工
關(guān)鍵詞 金剛石刀具|2024-10-14 11:40:55|來源 Carbontech
摘要 碳纖維復(fù)合材料是一種由碳纖維和聚合物基體組合而成的高性能材料，因其在輕量化和高強(qiáng)度方面的顯著優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域。碳纖維是一種由碳原子排列成微小晶體的纖維，具有極高的強(qiáng)度...
碳纖維復(fù)合材料是一種由碳纖維和聚合物基體組合而成的高性能材料，因其在輕量化和高強(qiáng)度方面的顯著優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域。碳纖維是一種由碳原子排列成微小晶體的纖維，具有極高的強(qiáng)度和剛性，同時(shí)其密度遠(yuǎn)低于鋼等傳統(tǒng)材料，這使得它成為減少結(jié)構(gòu)重量的理想選擇。相比于傳統(tǒng)的金屬材料，碳纖維復(fù)合材料不僅重量輕，而且耐腐蝕、抗疲勞能力強(qiáng)，因此在極端環(huán)境下表現(xiàn)出色，能夠顯著延長使用壽命并減少維護(hù)成本 。
此外，碳纖維復(fù)合材料還具有很強(qiáng)的設(shè)計(jì)靈活性，制造過程中可以根據(jù)不同應(yīng)用需求調(diào)整纖維的排列和層數(shù)，從而優(yōu)化其性能。這種材料的特性使得它在現(xiàn)代飛機(jī)設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用，例如波音787和空客A350等商用飛機(jī)的大量結(jié)構(gòu)部分使用了碳纖維復(fù)合材料，從而大大提高了燃油效率。同樣，軍事飛機(jī)如F-35戰(zhàn)斗機(jī)和CH53K重型運(yùn)輸直升機(jī)也通過使用這種材料實(shí)現(xiàn)了更高的性能和載荷能力。 從商業(yè)航空中復(fù)合材料的發(fā)展趨勢來看，早期的商用噴氣式飛機(jī)幾乎沒有使用復(fù)合材料。例如，波音707于20世紀(jì)50年代初開發(fā)時(shí)，幾乎完全由金屬制成。復(fù)合材料的應(yīng)用開始于波音767，該機(jī)型于1983年投入使用，復(fù)合材料占比約6%，主要應(yīng)用于內(nèi)部的二次結(jié)構(gòu)部件。隨著時(shí)間的推移，復(fù)合材料在飛機(jī)中的應(yīng)用比例不斷增加。波音777于1995年推出，復(fù)合材料的使用增至11%，應(yīng)用于襟翼、副翼和起落架艙門 。 到2007年，空客A380首次交付時(shí)，其尾部結(jié)構(gòu)中復(fù)合材料的使用比例已增至23%。隨后，波音777X進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，采用了復(fù)合材料機(jī)翼和復(fù)合材料密集型的發(fā)動機(jī)，使得復(fù)合材料占比超過30%。波音787則是碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用的里程碑，其復(fù)合材料含量達(dá)到50%以上，涵蓋了機(jī)翼和機(jī)身結(jié)構(gòu) 。空客A350 XWB在2014年首次交付時(shí)，復(fù)合材料的比例達(dá)到了53%。 復(fù)合材料的應(yīng)用不僅限于飛機(jī)結(jié)構(gòu)，還廣泛用于發(fā)動機(jī)和短艙。例如，LEAP發(fā)動機(jī)以及波音777X的GE9X發(fā)動機(jī)中，復(fù)合材料風(fēng)扇葉片和短艙的使用成為顯著趨勢。空客A320neo于2016年交付，波音737 MAX于2017年推出，這兩款機(jī)型的發(fā)動機(jī)和短艙中也大量使用了復(fù)合材料 。未來的飛機(jī)平臺預(yù)計(jì)將進(jìn)一步擴(kuò)大復(fù)合材料的應(yīng)用比例，推動每一代飛機(jī)和發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)中更高效、輕量化的復(fù)合材料發(fā)展。 這些趨勢表明，復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的重要性不斷增加，其輕量化、高強(qiáng)度和耐腐蝕的特性為航空公司帶來了顯著的燃油經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)營效益。 碳纖維作為新材料之王，憑借其高強(qiáng)度和輕量化優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造等高性能要求的領(lǐng)域。其不僅具有碳材料優(yōu)異的抗拉強(qiáng)度，還兼具纖維的柔韌性和可加工性。與常見的鋼材相比，碳纖維的抗拉強(qiáng)度可達(dá)400到800兆帕，而普通鋼材僅為200到500兆帕左右，展現(xiàn)出顯著的力學(xué)優(yōu)勢。盡管碳纖維和鋼材在韌性上較為相似，但其密度遠(yuǎn)小于鋼材，這使得碳纖維復(fù)合材料（CFRP）的強(qiáng)度明顯優(yōu)于大多數(shù)金屬材料。 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）在加工過程中面臨諸多挑戰(zhàn)。首先，由于其材料具有各向異性，基體和纖維之間的復(fù)雜相互作用導(dǎo)致其物理特性與傳統(tǒng)金屬材料存在顯著差異。例如，CFRP 的不均勻性常常引發(fā)纖維拉出、基體脫落、毛刺、纖維撕裂、分層等加工缺陷，這不僅影響工件的結(jié)構(gòu)完整性，還會大大削弱其疲勞壽命。
此外，CFRP 的高耐熱性和耐磨性使得加工設(shè)備需承受更高的要求。在加工過程中，切削力會在材料分層處引發(fā)基體開裂，而材料的低導(dǎo)熱性在高速切削時(shí)容易導(dǎo)致溫度升高，從而引起樹脂溶解等問題。切削溫度和切削力的增加不僅會縮短刀具的使用壽命，還會影響工件的表面質(zhì)量。因此，實(shí)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料的高性能加工對于確保最終產(chǎn)品的質(zhì)量至關(guān)重要。 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）作為典型的難加工材料，其切削加工過程不僅受到刀具和加工參數(shù)的影響，還深受增強(qiáng)纖維和樹脂基體材料性能的制約，與傳統(tǒng)金屬材料的切削機(jī)理存在顯著差異。尤其在切削過程中，CFRP材料表現(xiàn)出極高的刀具磨損速率，這也是其加工難度大的主要原因之一。 在加工CFRP的過程中，刀具與工件的表面接觸面積較大，伴隨長期的切削磨損和振動作用，刀具表面的硬質(zhì)顆粒可能會脫落，導(dǎo)致刀具表面逐漸磨損甚至損壞。這種磨損不僅影響加工精度，還會顯著縮短刀具的使用壽命。 而刀具磨損可分為兩類：刀具破壞和磨損。根據(jù)磨損部位的不同，磨損類型又可以細(xì)分為刀尖磨損、刀具側(cè)面磨損、刀具邊緣破壞和邊緣磨損等。每種類型的磨損會對加工過程中的切削效果、工件表面質(zhì)量以及刀具壽命產(chǎn)生不同的影響。 因此，刀具材料的選擇至關(guān)重要，耐磨性強(qiáng)的材料可以減少刀具的磨損，從而提高加工效率和工件質(zhì)量。 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）加工過程中刀具的選擇至關(guān)重要，主要基于材料的高硬度、耐磨性和抗粘結(jié)能力。在刀具材料的選擇上，多個(gè)研究表明金剛石涂層刀具和聚晶金剛石（PCD）刀具是CFRP加工的優(yōu)選。 例如，巴西學(xué)者J.R. Ferreira通過車削實(shí)驗(yàn)比較了陶瓷、硬質(zhì)合金、立方氮化硼（CBN）和聚晶金剛石（PCD）刀具的表現(xiàn)。研究結(jié)果表明，PCD刀具在高速切削中表現(xiàn)出極高的耐磨性，非常適合加工CFRP材料。在此基礎(chǔ)上，龔清洪的研究進(jìn)一步證實(shí)了化學(xué)氣相沉積（CVD）金剛石涂層刀具在CFRP切削中的優(yōu)越性。龔的實(shí)驗(yàn)表明，CVD金剛石涂層刀具在切削性能上優(yōu)于聚晶立方氮化硼和硬質(zhì)合金刀具，尤其在耐磨性和切削溫度控制上表現(xiàn)突出。 此外，肯納金屬公司的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，12μm厚的CVD涂層刀具具有最佳的使用壽命和成本效益，使用壽命是未涂層刀具的10倍。這使得金剛石涂層刀具成為CFRP高性能切削中不可或缺的選擇。金剛石材料憑借其高硬度、良好的導(dǎo)熱性、低摩擦系數(shù)等特性，極大提高了CFRP加工的效率和精度。 然而，CVD涂層刀具也存在一些挑戰(zhàn)。厚涂層會降低刀具切削刃的鋒利度，甚至可能導(dǎo)致幾何偏離，因此在具體應(yīng)用中需進(jìn)行優(yōu)化。而PCD刀具則在斷裂韌性上具備優(yōu)勢，尤其在切削復(fù)雜的復(fù)合材料時(shí)表現(xiàn)穩(wěn)定。隨著PVD（物理氣相沉積）技術(shù)的發(fā)展，較低的沉積溫度和較光滑的涂層使PVD涂層刀具在某些應(yīng)用中具有潛在的優(yōu)勢，相比CVD涂層，PVD刀具更加環(huán)保且不影響基體強(qiáng)度。
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