近年來，碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料(CFRTP)因其高比強(qiáng)度、出色的抗沖擊性、優(yōu)秀的耐溫性能、可回收利用以及較短的成型周期等特點(diǎn)，在眾多高端裝備的輕量化進(jìn)程中嶄露頭角，成為多個(gè)領(lǐng)域新材料發(fā)展的焦點(diǎn)。該類材料已從最初的碳纖維增強(qiáng)聚醚酰亞胺(CF/PEI)、碳纖維增強(qiáng)聚苯硫醚(CF/PPS)拓展至現(xiàn)今的碳纖維增強(qiáng)聚芳醚酮(CF/PEKK)和碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮(CF/PEEK)復(fù)合材料，性能不斷提升。
早在上世紀(jì)末，國外就已經(jīng)開始將CFRTP應(yīng)用于航空制造業(yè)，例如空客A340機(jī)翼整流罩采用了CF/PEI復(fù)合材料，而灣流G650高端商務(wù)機(jī)的水平尾翼則選用了CF/PPS復(fù)合材料。隨著科研技術(shù)的不斷發(fā)展，這類材料的性能表現(xiàn)愈發(fā)出色，適用范圍越來越廣。國內(nèi)領(lǐng)先的智上新材廠家成功實(shí)現(xiàn)了高性能碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮(聚芳醚酮)復(fù)合材料的大規(guī)模生產(chǎn)，成為該行業(yè)研究的熱點(diǎn)話題。熱塑性碳纖維復(fù)合材料制品在制作時(shí)往往采用一體化設(shè)計(jì)，為滿足嚴(yán)格的尺寸精度和定位要求，成型后的加工環(huán)節(jié)中大量涉及切削操作。若缺乏足夠的碳纖維復(fù)合材料加工經(jīng)驗(yàn)，直接進(jìn)行碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)材部件的加工極易導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢。威盛新材深耕碳纖維制品定制領(lǐng)域近十年，是國內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)材批量化生產(chǎn)的廠家，對此類材料有深厚的理解，下面將分享一些關(guān)于碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)材制品切削加工的相關(guān)見解。
在熱塑性碳纖維樹脂復(fù)合材料制品(以下簡稱熱塑性碳纖維制品)的切削加工過程中，至關(guān)重要的一點(diǎn)是對切削溫度的精準(zhǔn)控制。熱塑性樹脂對溫度極其敏感，銑削時(shí)一旦溫度過高，樹脂會發(fā)生軟化，從“玻璃態(tài)”轉(zhuǎn)變?yōu)?ldquo;高彈態(tài)”，進(jìn)而導(dǎo)致變形。并且，樹脂軟化過程中，碳纖維對其的約束力減弱，纖維絲在銑削過程中更難以切斷，易引發(fā)邊緣毛刺和損傷。因此，銑削過程中的溫度控制是關(guān)鍵所在。
實(shí)際切削加工中，切削溫度與產(chǎn)熱源和傳熱過程的模擬準(zhǔn)確度緊密相關(guān)。威盛新材在對傳統(tǒng)熱固性碳纖維制品進(jìn)行切削加工時(shí)觀察到，熱固性碳纖維制品加工產(chǎn)生的切屑為粉末狀，剪切滑移和刀屑間的產(chǎn)熱效應(yīng)可忽略不計(jì)，主要溫度來源為刀面與材料接觸產(chǎn)生的摩擦熱。相比之下，金屬制品在加工時(shí)，剪切滑移和刀屑產(chǎn)熱較為顯著，而刀面接觸摩擦生熱則較少。但在熱塑性碳纖維制品加工過程中，由于熱塑性樹脂具有宏觀的強(qiáng)各向異性，樹脂具有高韌性和較強(qiáng)的黏附性，在加工時(shí)，切屑與前刀面的摩擦功、材料塑性變形功以及后刀面與已加工表面的摩擦功均會導(dǎo)致三個(gè)變形區(qū)的溫度發(fā)生顯著變化，因此加工過程更為復(fù)雜。
深入研究熱塑性碳纖維制品的切削加工原理，對于加快此類產(chǎn)品的商業(yè)化進(jìn)程、促進(jìn)熱塑性復(fù)合材料加工工藝的發(fā)展至關(guān)重要。在計(jì)算實(shí)際加工過程中的總產(chǎn)熱量時(shí)，簡單表示為Qtotal=Qplastic+Qrake+Qflank，其中Qplastic代表塑性變形產(chǎn)熱，Qrake表示刀屑摩擦產(chǎn)熱，Qflank表示刀具與工件摩擦產(chǎn)熱。加工過程中單位時(shí)間內(nèi)的總機(jī)械功可通過主切削力Fc與切削速度v的乘積得出，即W=Fcv。假設(shè)三個(gè)變形區(qū)消耗的摩擦功和變形功全部轉(zhuǎn)化為熱量，則Qtotal=W。當(dāng)然，真實(shí)的計(jì)算遠(yuǎn)不止如此簡單，還需考慮切削區(qū)熱分配比例系數(shù)以及熱塑性碳纖維制品內(nèi)部纖維方向等因素的影響。
以T700碳纖維與聚醚醚酮(PEEK)復(fù)材制備而成的不同碳纖維角度板材的機(jī)加工數(shù)據(jù)為例，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在相同工藝條件下，纖維方向?yàn)?0°和135°的板材傳入工件的熱分配比例系數(shù)和工件溫度明顯高于纖維方向?yàn)?°和45°的情況。另外，不論纖維方向如何變化，加工過程中傳入切屑和工件的熱分配比例始終大于傳入刀具的熱分配比例。切削速度和進(jìn)給量對工件溫度有顯著影響，通常情況下，隨著切削速度的增加，工件溫度會先上升后下降，在切削速度約為v=100 m/min時(shí)達(dá)到峰值。
當(dāng)前，連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料已在全球范圍內(nèi)獲得廣泛認(rèn)同，因其優(yōu)異的耐腐蝕性、高強(qiáng)度、優(yōu)秀的阻燃性能、低煙密度、可回收利用等特性，加上熱塑性樹脂分子結(jié)構(gòu)賦予的良好設(shè)計(jì)性，已經(jīng)成為未來幾十年復(fù)合材料發(fā)展的重要趨勢。而掌握其加工過程的產(chǎn)業(yè)化正是連接該類產(chǎn)品從研發(fā)到實(shí)際應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)。在國內(nèi)，威盛新材憑借十年豐富的碳纖維制品來圖定制生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和率先實(shí)現(xiàn)連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料量產(chǎn)的技術(shù)突破，已成為供應(yīng)應(yīng)用于飛機(jī)、航天器、軌道交通、醫(yī)療器械等高端領(lǐng)域重要材料制品的首選合作伙伴。
