复合材料特种加工技术

复合材料机械加工是复合材料制品生产工艺的一个重要环节。通常分为常规和特种两类方法。常规方法简单、方便,但加工质量不高,易损坏加工件,刀具磨损快,而且难以加工形状复杂的工件;特种方法虽然复杂些,但加工质量高,刀具磨损小,能加工形状复杂的工件,容易监控,因此经济效益高。文中简要介绍特种机械加工方法的特点和加工时应注意的事项。     

纤维复合材料激光加工进展及航天应用展望

纤维增强复合材料(FRPs)因其优异的力、热、电磁、化学等性质被广泛应用于航天、航空等领域。作为一种各向异性、非均质的难加工材料,纤维复合材料的传统加工方式存在精度、损伤及效率等问题,为其激光加工技术的快速发展提供了机遇。综述了激光加工技术在实验研究、理论与仿真等基础研究方面的进展,分析研究热点和发展趋势,指出纤维复合材料超快激光加工存在的问题及挑战;报告了纤维复合材料在激光切割与制孔、激光铣削、激光表面处理和连接技术、激光辅助成形等方面的研究及应用进展;针对航天器(特别是空间飞行器)先进制造应用,提出了纤维复合材料产品激光宏观加工和激光微细制造技术的潜在应用方向,展望了实现应用所需发展的工艺装备,以期为后续该类材料产品的激光加工应用提供参考。     

纤维增强复合材料激光加工研究进展

对纤维增强复合材料（FRP）激光加工国内外的研究现状进行了梳理。从激光加工中材料的去除过程、去除机理以及热吸收特性等方面综述了FRP激光加工机理;从激光加工热影响区对材料性能影响、影响热影响区因素、热影响区预测等方面梳理了FRP热影响区的研究现状;概述了FRP激光辅助加工技术的研究进展。大量研究表明,由于FRP的各向异性,FRP激光加工与均质材料的激光加工存在显著差异。目前,FRP激光加工的热影响区能有效的降至几微米,显著降低了热影响区对构件性能的影响。为最大限度的融合激光加工的优势,FRP激光复合加工技术在FRP加工领域的应用逐渐受到关注,成为FRP加工技术提升的一个重要发展方向。     

碳纤维复合材料的后加工工艺

碳纤维复合材料后加工时，易产生各种加工缺陷，刀具磨损快，尺寸控制困难，本文通过对碳纤维复合材料的切削，制孔，切割等后加工工艺的研究，对各种后加工工艺用的刀具材料，几何角度提出了建议，并推荐了相应的工艺参数。     

KFRP复合材料螺旋铣削工艺制孔质量

文摘凯夫拉纤维增强复合材料(KFRP)在钻削过程中会产生严重的分层、起毛等缺陷,难以满足装配工序的要求。本文将螺旋铣削工艺运用于KFRP复合材料制孔,进行了偏心距、主轴转速和刀具类型的单因素试验,以分层因子、起毛面积和孔径偏差表征KFRP复合材料螺旋铣削的制孔质量,深入研究不同工况下的缺陷抑制机理和制孔质量。结果表明,偏心距、主轴转速和刀具结构对制孔质量均有显著影响,采用波形四刃铣刀在偏心距0.5 mm和主轴转速4 000 r/min工况下的制孔质量最好,分层因子和孔径偏差分别为1.27和1.2%,起毛面积比二刃铣刀下降了13.7%。     

微细小孔的超短脉冲激光加工方法研究

针对航空发动机燃油喷嘴等微细小孔的精密高效加工要求,采用双温方程研究超短脉冲(皮秒)激光加工机理,模拟得出材料内电子和晶格的温度分布,开展皮秒激光加工工艺参数研究,分析烧蚀阈值、扫描速度、激光偏振态等因素对加工质量的影响规律,进行镍基高温合金和钛合金材料的激光脉冲冲击制孔和振镜扫描环切制孔实验研究,为超短脉冲激光制孔时工艺参数的选择提供理论指导及实验依据。     

薄层芳纶复合材料壳体的后加工研究

针对芳纶复合材料壳体后加工存在的问题,本文采用了通用机械加工和激光加工两种方法,通过优化加工工艺,分析了钻头的几何形状、转速、加工条件（冷却和施加背衬材料）等因素对加工的表面质量及尺寸的稳定性的影响,进而探讨了采用通用机械加工方法需要注意的一些问题,且对比分析了激光加工的特点及其实际应用的条件。     

C/SiC复合材料螺旋铣削与钻削制孔效果对比

采用PCD刀具对C/SiC复合材料螺旋铣削与钻削制孔的制孔效果进行了对比研究。在同等加工效率条件下测量了两种制孔方法产生的切削力及切削热,并观察制孔质量。试验结果表明:螺旋铣孔产生的轴向力小于钻孔,约为钻孔的56.9%;孔壁粗糙度及孔径差均小于钻削;钻孔产生的切削热少于螺旋铣削制孔,约占螺旋铣的58.7%,但螺旋铣产生的切削热对材料及刀具的影响小。     

碳化硅陶瓷基复合材料激光加工技术研究综述

碳化硅陶瓷基复合材料（SiC_f/SiC和C_f/SiC）(CMC-SiC)作为一种典型的难加工材料,因其优异的耐高温、抗氧化和高强度性能,在航空航天、国防军工等领域的极端服役环境中展现出巨大的应用潜力。本文系统报道了CMC-SiC激光加工技术的研究现状,包括连续激光和长/短脉冲激光加工及超快脉冲激光加工在该材料加工领域中的现状,并探讨了气体、液体、超声振动、电磁等多种能场复合激光加工方法对加工质量的提升效果,分析了激光加工过程中存在的热影响区、氧化层、层间开裂、纤维拔出等关键问题,总结了当前多能场协同加工CMC-SiC的研究成果,为促进多能场复合加工技术的深入发展与应用提供参考。     

AFRP激光-铣削组合加工及其工艺参数优化研究

针对芳纶纤维增强复合材料（AFRP）加工中极易出现抽丝拉毛、烧蚀等问题,提出采用激光-铣削组合加工的工艺方法对AFRP进行试验研究,优化AFRP激光-铣削组合加工工艺参数。试验表明：与铣削加工相比,激光-铣削组合加工的切削温度更低,切削力以及毛刺因子更小,且在加工中切削力波动幅度小,铣削平稳;AFRP激光-铣削组合加工中的最佳激光工艺参数为：激光功率P=20 W,扫描速度v=3 mm/s,脉冲宽度L_f=60 ns,重复频率f=50 kHz;最佳铣削工艺参数为：主轴转速n=2 000 r/min,进给速度v_f=105 mm/min,切削深度a_p=0.5 mm。     

激光超声技术在复合材料检测中的应用

激光超声检测技术采用脉冲激光照射的手段激励结构中的Lamb波,可以实现远距离、非接触式的Lamb波传播波场数据测量。针对复合材料在航空领域应用中所面临的安全和可靠性能评估问题,南京航空航天大学开展了基于激光超声技术的复合材料检测研究。采用信号处理方法提取了Lamb波传播特征参数,进行了复合材料的损伤成像、刚度参数识别和疲劳特性评估,取得了理论和试验验证上的进展,为航空领域的复合材料无损检测技术提供了新方法。     

钛合金螺旋铣孔的切削力和切削温度试验研究

螺旋铣孔技术是航空装备制造领域新出现的制孔技术,因具有加工质量好、效率高等优点被用于加工钛合金、复合材料等难加工材料.采用包括切削速度、切向每齿进给量、轴向每齿进给量和螺旋导程4个基本加工参数描述螺旋铣孔过程,分析了基本参数和螺旋铣孔输入加工参数(自转、公转、进给)之间的关系.在自行研制的螺旋铣孔试验平台上开展了钛合金材料的加工试验,研究了钛合金螺旋铣孔加工中切削温度及切削力的特征,以及基本加工参数对切削温度和切削力的影响规律.试验结果表明,在螺旋导程一定时,切削温度主要由切削速度决定,而与轴向每齿进给量及切向每齿进给量无明显关系;而切削力的影响规律与切削温度相反.切削温度是影响螺旋铣孔过程中刀具磨损及加工孔质量的主要因素.在需同时保证加工效率及加工质量的前提下,应尽量选择大的切向每齿进给量、大的轴向每齿进给量和较低的切削速度.     

高性能金属零件激光增材制造技术研究进展

激光增材制造(Laser Additive Manufacturing,LAM)技术实际上是一种兼顾精确成形和高性能成性一体化需求的先进制造技术.首先介绍了两种典型激光增材制造技术的成形原理及其特点;然后介绍国内外激光增材制造技术的最新研究进展;再重点介绍西安交通大学在激光增材制造技术方面的最新研究进展:(1)超声振动辅助激光熔覆沉积对IN718沉积态组织与性能的影响;(2)感应辅助激光熔覆沉积DD4定向晶修复DZ125L叶片的研究;(3)CuW功能梯度复合材料的激光熔覆沉积工艺研究;(4)送粉气纯度对激光熔覆Fe314修复40Cr组织与性能的影响;最后阐述了激光增材制造技术所面临的挑战.     

SiCf/SiC陶瓷基复合材料制孔工艺

分别采用机械钻削制孔与激光制孔两种工艺对SiC_f/SiC陶瓷基复合材料进行制孔,对其质量以及工艺特点进行评价分析。结果表明,机械钻削制孔孔径精度较好但存在刀具磨损严重、出现毛刺崩边现象等问题;激光制孔效率较高,但孔存在锥度且因热影响区的存在导致孔的内壁表面出现分层、裂纹等缺陷。     

共胶接复合材料加筋壁板的精确制造技术研究

为提升复合材料加筋壁板的制造精度,本文基于复合材料共胶接成型工艺,研究了复合材料加筋壁板筋条的结构组成,分析得出了制备筋条R区填角料所需预浸料用量的计算模型,实现了共胶接复合材料加筋壁板筋条R区的精确填充;优化了共胶接复合材料加筋壁板的成型工装结构设计方案,改善了工装定位销的定位精度,实现了筋条轴线位置的精确控制;制作了筋条外形轮廓的辅助切割检查样板,实现了筋条轮廓边距的准确切割。通过筋条R区的精确填充、筋条轴线位置的精确控制及筋条轴线边距的准确切割实现了共胶接复合材料加筋壁板的精确制造。     

复合材料切削表面粗糙度测试方法的研究

利用先进的TalyScan150型表面粗糙度测试仪,采用不同测试手段和不同测试参数对复合材料切削试样表面进行测量、计算,得出复合材料切削表面粗糙度;通过比较分析,得到了适用于复合材料切削表面粗糙度测试的手段及参数,建立了复合材料切削表面粗糙度的测试方法,该方法为全面评价复合材料表面质量提供了测试基础。     

航空复合材料构件精确制造技术探讨及应用

随着军用航空器对作战效能比和民用航空器对燃油经济性要求的不断提升,以碳纤维增强树脂基复合材料为代表的轻量化高性能材料得以在航空器上广泛应用。国内外许多专家、学者对树脂基复合材料构件制造过程进行了大量的研究。复合材料成型工装制造时,应减少支撑块,并使用Invar钢制造的成型工装来提高复合材料构件的制造精度。在复合材料构件成型时,过低的固化压力会造成复合材料构件内部缺陷,低的升温速率和降温速率能够减少温度梯度对复合材料构件变形的影响。通过对工装补偿和优化成型工艺参数来实现盆形零件的精确制造。     

Machinability improvement in micro milling AlN after laser chemical milling

Processing microchannels inside laminated aluminum nitride high-temperature co-fired ceramics(AlN HTCC) packaging, a typical difficult-to-cut ceramic, can effectively solve the heatdissipation problem of integrated chips used in smart skin. In order to improve the processing efficiency and quality of AlN, the machinability of AlN after laser chemical milling(LCM) was studied through the milling force, machined surface quality, surface defects, formation mechanism, and tool wear. This study established a milling force model that can predict the milling forces of AlN and analyses the reasons for the improvements in the milling force based on experimental data and predicted data. The results from the model and experiments demonstrated that the milling force of the laser chemical milling assisted micro milling(LCAMM) decreased by 85%–90% and 85%–95%, respectively, due to the amount of removal of a single edge was more uniform and the actual inclination angle increased during the cutting process in LCAMM. Moreover, the machined surface quality improved by 65%–76% after LCM because of less tool wear, fewer downward-propagating cracks generated during each feed, and the surface removal mode transformed from intergranular fracture to transgranular fracture, which effectively reducing tool wear and improving tool life. Finally, when feed per tooth and depth of cut were 0.4 μm/z and 5 μm, the optimal machined surface quality was obtained, with a roughness of 64.6 nm Therefore, milling after LCM can improve the machinability of AlN and providing a feasibility for the high-quality and efficient machining of microchannels.     

复合材料超声辅助螺旋铣削试验研究

采用螺旋铣削与超声振动复合加工工艺针对碳纤维树脂基复合材料进行制孔加工试验.分析了超声辅助螺旋铣削制孔加工原理;以相同加工效率开展了制孔试验,分析了制孔过程中的切削力及孔的加工质量;阐述了加工参数对切削力、切屑形式和制孔质量的影响.研究结果表明:超声辅助螺旋铣削复合加工方法可以用于碳纤维复合材料加工,且增加超声振动幅值、降低刀具每齿材料去除量可有效减少孔出口处的毛刺、撕裂等加工缺陷.