特殊材料加工工艺

1、特殊材料加工技术,陶瓷和复合材料难加工的原因： 1)高硬度；2)高强度；3)高塑性和高韧性；4)低塑性和高脆性；5)低导热性；6)有微观的硬质点或硬夹杂物；7)化学性能过于活泼。,我们对航天领域中难加工特殊材料陶瓷和复合材料的加工技术进行了追踪。,陶瓷材料的切削加工性,一、与切削加工相关的陶瓷材料的特性,1具有高硬度 在各类工程结构材料中，陶瓷材料的硬度仅次于金刚石和立方氮化硼 2具有高刚性,3具有高的抗压强度和低的抗拉强度,4塑件极差 陶瓷材料常温下几乎无塑性。 5.韧性极低,6陶瓷的热特性 陶瓷的线胀系数比金属低得多 导热系数(Sic、AlN除外)也比金属小,二、陶瓷切削加工的特点,陶瓷制

2、品尺寸精度低，不能直接作为机械零件使用，必须经过机械加工才行。 陶瓷尺寸收缩率约为10以上，而金属仅为0.2以下 传统的加工方法是用金刚石砂轮磨削，还有研磨和抛光。 磨削效率低，加工成本高。 烧结金刚石、易切陶瓷、高刚度机床开发，使切削加工成为可能。,1、只可能使用金刚石或立方氮化硼刀具 CBN切削陶瓷试验结果尚不理想 ； 金刚石的耐磨性约为A12O3陶瓷的10倍，切削陶瓷时金刚石的热磨损很小 ； 金刚石在空气中切削高温下氧化引起碳化而磨损 。,天然单晶金刚石切削刀锋利，硬度高，但遇冲击和振动易破损,2陶瓷材料的去除机理是刀具刃口附近的被切材料产生脆性破坏，而金属则是产生剪切滑移变形。,3从机

3、械加工角度看，断裂韧度低的陶瓷材料应该容易被切削加工。 不烧结陶瓷和预烧结陶瓷材料内部存在大量龟裂。比完全烧结陶瓷材料容易切削。 烧结温度和压力越高、材料越致密、硬度越高，切削加工性越差,刀具而用度越低,4从剪切滑移变形的角度看，某些陶瓷材料只有在高温区会软化呈塑性，切削时刀具刀口附近的陶瓷材料产生剪切滑移变形才有可能。,5陶瓷材料切削时的脆性龟裂会残留在加工表面上。,复合材料的切削加工性 复合材料是指由两种以上在物理和化学性质不同的物质，人工制成的一种多相固体材料。 金属与金属、非金属与非金属、金属与非金属均可复合。 几种不同材料复合之后，既保持了各自的优点，又获得了更优越的综合力学性能和物

4、理性能。,一、复合材料的特点 （1）比强度及比模量高于其他材料。其中以纤维复合材料比强度和比模量最高。 （2）具有良好的抗疲劳性能。如多数金属疲劳极限是拉伸强度的4050，而碳纤维增强复合材料可高达7080。 （3）复合材料吸振能力强。这是由于复合材料自振频率高，不易产生共振，同时纤维与基体之间有界面存在，对振动有反射和吸收作用。 （4）复合材料高温性能好。 具有良好的减磨、耐磨、自润滑性能、隔音性、化学稳定性及电、光、磁等特殊性能。,二、复合材料的分类 其全部相可分为两类：一为基体相，另一为增强相。基体相起粘结作用；增强相起提高强度和刚度的作用。 复合材料可以分为结构复合材料和功能复合材料两

5、大类。结构复合材料的分类方法有三种： （1）以基体类型分类：金属基复合材料、树脂基复合材料、无机非金属基复合材料等。 （2) 以增强纤维类型分类：碳纤维复合材料、玻璃纤维复合材料、有机纤维复合材料、复合纤维（SiC、B）复合材料、混杂纤维复合材料等。 （3) 以增强相外形分类：细粒复合材料、短纤维复合材料、连续纤维复合材料和叠层复合材料等。,三、 常用纤维增强复合材料,1玻璃纤维树脂基复合材料(Grass Fiber reinforced Plastics，简称GFRP) 以塑料为基体与玻璃纤维复合，俗称玻璃钢。 按所用塑料基体不同，玻璃钢分为热塑性玻璃钢和热固性玻璃钢两种。 前者以热塑性塑料

6、(如尼龙、聚苯乙烯等)为基体；后者以热固性塑料(如环氧树脂、酚醛树脂等)为基体。,玻璃钢的性能特点 强度较高，接近或超过铜合金和铝合金，由于相对密度小(1.52)，所以比强度高于铜、铝合金，甚至超过高级合金钢。 耐蚀性、介电性优良，加工成形性良好。 缺点是刚度差、易变形、耐热性差(不超过200)、导热性差、易蠕变等。 要求自重轻的受力结构件 。,2碳纤维树脂复合材料(Carbon Fiber reinforce plastics，简称CFRP) 是以人造纤维或天然纤维为原料，在隔绝空气条件下经高温碳化而成。 抗拉强度比玻璃纤维略高，而弹性模量是玻璃纤维的46倍。碳纤维还具有较好的高温性能。 密

7、度比玻璃钢还要小，它是目前比强度和比模量最高的复合材料之一。 在抗冲击性能、抗疲劳性能、减磨性能、耐磨性能、自润滑性、耐腐蚀性及耐热性等方面都有显著优点。,碳纤维在机械工业中主要用于一些承载零件(如连杆、齿轮)、耐磨零件(如轴承、密封圈、活塞)、耐腐蚀零件(如化工泵、高压泵、管道、容器)等。 此外，它还可用于航空、航天器的构件材料，如飞机翼尖、尾翼、起落架、人造卫星支架、火箭喷嘴等。 3.硼纤维与树脂复合材料(BFRP)。 抗拉强度与玻璃纤维相近，而弹性模量却高5倍。但由于成本高或技术上的原因，目前应用不如前两种普遍。 4.芳纶纤维增强复合材料（KFRP）,四、树脂基纤维增强材料切削加工的特点

8、,1.切削温度高 纤维增强材料的切削层是在剪切与弯曲的联合作用下切除的，切削功率大； 由于纤维增强材料的弹性模量低，切削时将产生较大的弹性变形，增大了与刀具间的摩擦，所以产生的热量多。 另外，纤维增强材料的导热系数低，切削时产生的热量难以很快散出。,2刀具磨损严重、耐用度低 切削纤维材料时，因切削热集中在刀具切削刃附近很小区域内，纤维的弹性恢复和粉末状的切屑剧烈擦伤刀具表面; 切削强度较高的纤维增强材料时，在刀具后刀面垂直于切削刃的方向上，会产生线隙形沟条状磨损，所以刀具磨损快，刀具耐用度低。,3. 表面粗糙度大 由于纤维方向与轴线间的夹角不同，以及增强纤维和基体树脂的线胀系数不同，使切削加工

9、后的表面易产生应力集中，且“起毛”，表面粗糙度大，加工精度低。 4. 控制切削温度 切削温度高会使基体树脂软化变质 不能随意使用切削液 5.钻孔时 钻削力产生周期性变化 同时沿孔的轴线方向上，纤维增强材料几何边界层有局部应力集中，从而产生分层现象。,五、 切削实例说明,(1)增强纤维的纤维角影响加工表面质量、切削力和刀具磨损,(2)刀具的磨损形态 切削CFRP时，不论用哪种刀具材料(表138中的k10、P20、M10、TiC、TiN、TaN、CW、CB)，在不同切削速度范围内，均可观察到有边界磨损； 当磨损量较小时呈带状，磨损量较大时呈三角状。 在TiN和Tic等金属陶瓷刀具后面上还可观察到一

10、种特殊的磨损沟(图1310)，沟的间距与纤维层间隔有关。,(3)切削速度对刀具磨损率的影响 切削GFRP时，切削速度达到临界值后，磨损值急剧增大，即刀具磨损率大。切削CFRP时，切削速度对刀具磨损率几乎无影响 (Tic、TiN、TaN基硬质合金除外 ) (4)刀具材料性能对刀具磨损率的影响 刀具材料的抗压强度越高、热胀系数越小，刀具磨损率越小 ; 刀具材料的导热系数影响不同。切削GFRP时，刀具材料的导热系数对磨损率几乎无影响，切削CFRP影响甚大，试验点很分散，原因在于强度高.,(5)切削FRP的切削力 切削力总的来说比切削金属小得多，且各向分力大小也有不同。 切削CFRP时，主切削力Fc远小于背向力FP； 切削GFRP时，FcFP; 切削速度相同时，切削CFRP的FP约为GFRP的56倍，Fc仅是切削GFRP的1倍左右。原因在于CFRP的抗拉强度大。,(6)不同刀具材料的切削性能不同 在试验的三种硬质合金(K10、P20、M10)、两种陶瓷(cw和CB)、三种金属陶瓷(Tic、TiN、T