零件加工.pdf

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】的内容，可以使用淘豆网的站内搜索功能，选择自己适合的文档，以下文字是截取该文章内的部分文字，如需要获得完整电子版，请下载此文档到您的设备，方便您编辑和打印。:..:强度高,杂质少,纤度均匀,细旦化等。加热时不熔融,可牵伸,且CF产率高。常用的CF原丝:聚丙烯***纤维、粘胶纤维、沥青纤维。(金刚石、石墨、非晶态的各种过渡态碳),根据形态的不同,在空气中在350℃以上的高温中就会不同程度的氧化;在隔绝空气的惰性气氛中(常压下),元素碳在高温下不会熔融,但在3800K以上的高温时不经液相,直接升华,所以不能熔纺。碳在各种溶剂中不溶解,所以不能溶液纺丝。碳纤维不能用熔融法或溶液法直接纺丝,只能以有机纤维为原料,采用间接方法来制造。通常用有机物的炭化来制取碳纤维,即聚合预氧化、炭化原料单体原丝一预氧化丝一碳纤维。碳纤维的品质取决于原丝,其生产工艺决定了碳纤维的优劣。以聚丙烯***(PAN)纤维为原料,干喷湿纺和射频法新工艺正逐步取代传统的碳纤维制备方法(干法和湿法纺丝)。,是指纺丝液经喷丝孔喷出后,先经过空气层(亦叫干段),再进入凝固浴进行双扩散、相分离和形成丝条的方法。经过空气层发生的物理变化有利于形成细特化、致密化和均质化的丝条。纺出的纤维体密度较高,表面平滑无沟槽,且可实现速纺丝,用于生产高性能、高质量的碳纤维原丝。干喷湿纺装置常为立式喷丝机,从喷丝板喷出的纺丝液细流经空气段(干段)后进入凝固浴,完成干喷湿纺过程;再经导向辊、离浴辊引m的丝条经后处理得到PAN纤维。离开喷丝板后的纺丝液细流先经过空气层(干段再进入凝固浴,干段很短,但对凝固相分离和成纤结构有着重大影响。在空气层挤出的纺丝液细流中的溶剂急速蒸发,表面形成了薄薄致密层,细流进入凝固浴后可抑制双扩散速度;由于在喷丝板出口处产生膨胀效应,靠细流自身的重力以及牵伸力向下流动,然后经干喷湿纺的正牵伸可使胀大部分被牵伸变细后进入凝固浴;凝固浴采用低溶剂质量分数配比和低温凝固,低溶剂质量分数配比可加大溶剂与细流之间的质量分数差,加速扩散;低温可抑制扩散速度,利于沉淀结构致密化、均质化,最终纺出的原丝和所制碳纤维表面较平滑而无沟槽。与纯湿纺相比,干喷湿纺可纺出较高密度且无明显皮芯结构的原丝,大幅提高了纤维的抗拉强度,可生产细特化和均质化的高性能碳纤维。(200~350℃,射频负压软等离子法)、碳化(800~1200℃,微波加热法)到石墨化(2400~2600℃,射频加热法),主要受到牵伸状态下的温度控制。在这一形成过程中达到纤维定型、碳元素富集,分子结构从聚丙烯***高分子结构一乱层的石墨结构一三维有序的石墨结构。国内有自主知识产权的“射频法碳纤维石墨化生工艺”开辟了碳纤维生产的创新之路,它采用射频负压软等离子法预氧化PAN原丝,接着用微波加热法碳化,最后用射频加热法石墨化形成小丝束碳纤维。、脱氢、脱氮和环化的过程,达到碳元素富集和纤维定型目的。由于等离子体的活性远比分子和中性原子大,在离子状态下能够实现氧:..化,所以在生产过程中把工频电能通过射频发生器转化成射频电磁场能量,再将石英容器的气体抽成负压,在射频电磁场的激发下,使之电离形成等离子体。由于在常温下就能获得带电的氧离子,因此,可以在远低于350℃的条件下完成高温状态下的化学过程。大动能离子对PAN的分子结构有破坏性需滤除,留下弱离子即软等离子,它们在有机物分子链空间的渗透能力非常强,可缓解“皮芯”现象。加工过程中还采用了射频极化法,能够里外同时进行化学反应,有效地减轻了氧化过程中的表里不一状况。,电磁场的递质加热后过渡到富集碳原子,再直接对纤维加热。由于电磁波传播的方向与走丝方向相反,使得碳化过程从低温区移向高温区。另外,走丝速度很快,每束纤维都用1个走丝单元,这样,走丝速度和牵伸力就能分别控制,实现动态即时调节。电磁波对纤维有很强的穿透作用,电磁波能瞬时作用在纤维整个截面的表里,避免了所谓的“皮芯”~2600℃,,纤维的乱层结构变为三维有序的结构,模量大幅提高成为高模量碳纤维,此过程亦称石墨化。因射频的波长比微波长,采用射频感应加热法能够使电磁波对纤维有足够的作用时间,容易控制。经过射频法石墨化的碳纤维消除了“皮芯”结构具有热效率高、纤维的离散系数小等优点。,主要有预氧化(即稳定化)、低温碳化、高温碳化(又称石墨化)、表面处理、上浆和干燥等六大工艺步骤,其生产工艺流程见下图::..分子式粘胶纤维由于具有环状分子结构,所以可以直接进行碳化或石墨化处理,加热不会熔融,不需予氧化处理进行环化。)25~150℃,脱去粘胶纤维的吸附水(脱去物理吸附的水)2)150~240℃,纤维素环的脱水(脱去化学吸附的水)3)240~400℃,自由基反应,C—O键及C—C键断裂,放出H2O、CO、CO2等气体4)400℃以上,进行芳香化,放出H2在整个处理过程中,为使CF性能优良,产率高,所以要求加热速度较慢,而且不同的过程中,加热速度也不同。:粘胶中含有大量的H、O原子,所以碳化理论收率仅55%,实际收率约20~30%;粘胶基CF强度较低,性能平衡性差,弹性系数较大。优点:瞬间耐烧蚀性能好,可用作火箭的内衬材料。、高模CF主要是用PAN纤维为原料来制造的。***纺丝共聚单体聚合PAN湿纺PAN纤维引发剂干湿纺预氧化碳化石墨化空气介质OF惰性气氛CF惰性气氛200-300oC1200-1500oC2000-:..,原丝应具备高纯度、高强度和高取向度、细旦化等性能。高纯度:原丝中所含各类杂质和缺陷将“遗传”给碳纤维。为达到高纯度这一目的,可从以下几方面采取措施:原料的精密过滤;充分洗涤;无尘纺丝。高强度和高取向度:采用干湿法纺丝。细旦化:原,丝细旦化已成为提高原丝强度和生产高强度碳纤维的主要技术途径之一。)加入共聚单体的目的:①使原丝予氧化时既能加速大分子的环化,又能缓和纤维化学反应的激烈程度,使反应易于控制;②并可大大提高予氧化及碳化的速度;③有利于预氧化过程的牵伸。2)共聚单体的种类:在众多的共聚单体中,不饱和羧酸类:如***丙烯酸、丙烯酸、丁烯酸、顺丁烯二酸、***反丁烯酸等占有重要位置。,而不用干法纺丝。这是因为干纺生产的纤维中溶剂不易洗净。在预氧化及碳化过程将会由于残留溶剂的挥发或分解而造成纤维粘连及产生缺陷。加工方法及过程:1)湿法:纺丝原液→喷丝头→凝固浴(溶剂的水溶液)→水洗、拉伸等。2)干法:纺丝原液→喷丝头→纺丝甬道(热空气,溶剂在此受热蒸发)→冷却、拉伸等。水洗时间(s)36101227残留溶剂(%))(CN/dtex)碳强度(Gpa)(Gpa))干湿法纺丝::..~300℃下氧化气氛中(空气)受张力的情况下进行。,以使PAN纤维在高温碳化时不熔不燃,保持纤维形态,从而得到高质量的CF。:白→黄→棕褐色→黑色。,使环状结构在较高温度下择优取向(相对纤维轴),可显著提高CF的模量。)环化反应(梯形六元环,耐热)2)脱氢反应未环化的聚合物链或环化后的杂环可由于氧的作用而发生脱氢反应,形成以下结构:3)吸氧反应氧可以直接结合到预氧化丝的结构中,主要生成-OH,-COOH,-C=O等,也可生成环氧基。NNNN:..。采取措施:通入预氧化炉中流动空气。,也可根据有关经验式进行计算。影响因素:对于常用的PAN原丝,1)预氧化温度愈高,所需时间愈短;2)纤度愈细,时间愈短;3)共聚原丝所需预氧化时间要比均聚的短;4)改变预氧化气氛(如空气中加入SO2等)可促进预氧化反应的进行,缩短预氧化时间。5)传热方法对预氧化时间也有影响。***基环化的程度。1)如果纤维充分氧化,预氧化丝中的氧含量可达16~23%,一般控制在6~12%。2)低于6%,预氧化程度不足,在高温碳化时未环化部分易分解逸出。3)高于12%,大量被结合的氧会在碳化过程中以CO2、CO、H2O等逸出,导致纤维密度、收率、强度下降。~1900℃的惰性气氛中进行。惰性气体一般采用高纯氮气。,而且使纤维致密化并避免大量孔隙的产生,可制得结构较均匀的高性能碳纤维。:..,纤维中非C原子(如N、H、O)被大量除去,预氧化时形成的梯形大分子发生脱N交联,转变为稠环状,形成了CF。碳化后含碳率达95%左右,碳化产率约40~45%。(如CO2、CO、H2O、NH3、H2、HCN、N2)的瞬间排除。如不及时排除,将造成纤维表面缺陷,甚至断裂。解决措施:一般采用减压方式进行碳化。~3000℃的温度下进行。,也可采用高纯氦气He。,水银密封,保护气体正压密封等。,使之与纤维轴方向的夹角进一步减小,以提高碳纤维的弹性模量。,可达99%以上;纤维结构不断完善。CF的乱层石墨结构转化为GrF的类似石墨的层状结晶结构。,一般将有机化合物在隔绝空气或在情性气体中热处理,在释放出氢、烃类和碳的氧化物的同时,残留的多环芳烃的黑色稠状物质称为沥青。其含碳量大于70%,平均分子量在200以上,化学组成及结构千变万化,它们是结构变化范围极宽的有机化合物的混合物。优点:沥青资源丰富,成本可降低。在民用方面有很大潜力。:力学性能较低的所谓通用级沥青基碳纤维各向异性沥青基碳纤维:,主要有预氧化(即稳定化)、低温碳化、高温碳化(又称石墨化)、表面处理、上浆和干燥等六大工艺步骤。现以应用最广的聚丙烯晴基碳纤维为例,简要介绍碳纤维的制造工艺过程。~300℃的温度条件下,通过长达2小时的热处理和拉抻处理,使PAN分子由氧铰链结构变为十分稳定的阶梯状苯环结构,以保证其在后续加热过程中不至于熔融或燃烧。注意:此阶段的化学变化将放出大量热量,若加热太快,累积的热量不能及时散出,往往会出现局部过热,导致纤维烧断。同时温度太高,PAN分解的速度快于氧化扩散进入纤维内部的:..速度,则会产生预氧化不完全的皮芯结构,致使碳化后的碳纤维呈现中空化。(石墨化)二个阶段,均在充满惰性气体一氮气的碳化炉中进行。经过预氧化的纤维进入低温碳化炉,在800~1000℃的温度条件下碳化热解,继而在高温碳化炉中,再通过1000~2000℃的温度梯度进一步碳化,并完成晶核石墨化的处理。在该过程中,非碳元素N、H、O、S等被逐步从阶梯状的聚合物上除去,苯环凝聚成石墨状的多晶相结构。经过这种高温裂解的碳化处理过程后,就完成了碳纤维的主要生产工艺步骤。:对纤维表面进行氧化或涂覆处理,以增加纤维的润湿性、抗氧化性,以及与基材的粘着性。表面处理的方法主要有电化学法、热气氧化法和气体沉淀法等,其中较常用的为电化学法,处理装置包括电解槽和水洗槽两部分。纤维在以罗拉(罗拉,纺织机械中起喂给、牵伸、输出等作用的圆柱形回转零件,是英语词“roller”的音译,有辊和轴的含义)为阴极和与之平行的石墨板为阳极的电解槽中使表面得到氧化,然后在水洗槽中用软水除去纤维上的电解质。:保护纤维、防止毛丝受损伤,有利于纤维的后加工。上浆装置由调装槽、导辊、上浆槽、上浆辊、刮浆辊等构成。前道工序水洗后的纤维含有约30%~40%的水份,通过上浆制程加以去除,使纤维能够承受后道工序较高的干燥温度及较长的干燥时间而不致变质。,一般采用一组由蒸汽或热油加热的硬陶瓷滚筒来完成,最后再卷取成型。飞机用碳纤维复合材料的加工过程成型加工飞机使用的预浸料可分为350°F固化型和250°F固化型两种。需要高强度和耐热性的主要结构可以使用350°F固化型而辅助结构多用250°F固化型的AFRP或AFRP/CFRP混合材料等。根据设计要求,将预浸料切断,依次变换方向铺层进行层压,而后用高压釜及加热炉加压加热固化。图一为预浸料层压示意图。:..随着零件的大型化和整体结构化的发展,成型加工的自动化引起了人们的注意。~,主翼外板等结构件约需200层。如果完全用手工进行层压,不但增加成本,而且基材有可能因暴露于室温下而变质,造成层压失败。因此,从降低零件的制造成本以及稳定质量来说,成型加工的自动化就势在必行了。这里的自动化指用自动剪裁机、自动层压机、长丝卷绕机以及机器人等加工预浸料。图二是已经实用化的自动层压机的实例。机械加工1碳纤维复合材料的加工特性碳纤维增强型复合材科的基体一般为树脂,从树脂的硬度和强度来说都易于加工,,使得切削温度较高,严重时会烧焦树脂或使树脂软化。而碳纤维的硬度约为HV800,抗拉强度ob≈500MPa,抗弯强度obb≈270MPa,剪切强度tsm()MPa,当其受弯曲与剪切应力时。较易被切断:受拉伸应力时。切断较难。因此纤维方向对切削过程有较大的影响,而在加工时其切削力与变形之间的关系要比切削传统材料复杂得多,基体与纤维之间的协同效应对复合材料受力后的行为影响也很大。在飞机制造行业中。采用碳纤维复合材料的零件一般外形尺寸较大,形状结构比较复杂,零件通过纤维以0度、45度、90度等多个方向铺叠成型,其硬度和强度都很高,切削过程中切削力较大,切削温度较高,为了防止油污影响零件,加工过程中一般还采用千切削(不加冷却液)的方式,加工过程中零件易被烧伤或受熟软化,***磨损严重。:..2******材料及几何参数的选择(1)***材料碳纤维复合材料具有较高的硬度。因此加工时应选用合适的超硬***。***材料主要有cVD金刚石、PcBN、陶瓷、高性能金属陶瓷、涂层硬质合金、超细晶粒硬质合金等。(2)前角针对碳纤维复合材料切削力大和导热性能差的特点,***的前角应选用较小僮,以增强切削刃强度和散热体积。但同时碳纤维复合材料具有较高的强度及韧性,切削刃应保持锋利。因此,前角又不宜过小。一般情况下前角选用γ0=(8~12)°。(3)后角为了减小后刀面的摩擦与磨损,延长***的使用寿命。***的后角易选用较大值,但为了保证***切削刃强度和不引起崩刃,后角一般取α0=(6~13)°。(4)齿数及螺旋角根据碳纤维复合材料难切削的特点,***齿数及螺旋角度可适当选用较大值,加工过程中使多个刀齿能同时参与切削。一般选取齿数ze=(3~4),螺旋角β=(35~45)°。(1)吃刀量碳纤维复合材料零件采用铺叠成型,成型后由数控加工进行零件轮廓切削。切削时***磨损量较大,为保证加工面的表面质量,轴向采用不分层切削方式,切深ap为零件缘条厚度,一般ap=(~5)mm。为避免切削力过大,径向切深ae不易过大,可选ae≤l/3D(D为***直径)。(2)切削速度及进给量为了减小切削受力,提高零件表面质量及切削效率,采用高速切削方式,一般转速s=(17000~20000)rpm,进给速度F一(2500~3000)mm/min。3新型PCD***PCD***具有高硬度、高耐磨性、高导热性及低摩擦系数、刀齿形状保持性好等特点,能进行高精度、高效率、高稳定性和高表面光洁度加工,可成倍提高加工效率,真正实现高速、高效切削加工。PCD***通常用于有色金属及其合金的切削加工,也能胜任硬质合金的加工。随着人们对其特点的不断深入了解,发现它在非金属材料的切削加工方面具有其它材料***无可比拟的优势,并且随着其应用领域的不断扩大。已经和正在取代天然或人造大颗粒金刚石单晶***和传统硬质***(如硬质合金***、涂层***、陶瓷***等)。复合材料与钛合金复合构件是复台材料常见的应用形式。但由于两种材料的性能差异为钻孔加工带来巨大的困难。聚晶金刚石(PCD)复合片是由粒度为微米级的金刚石颗粒与Co,Ni等金属粉末均匀混合后,在高压高温下,在碳化钨(Wu)基材上烧结而成的一种刀坯新材料。PCD复合片不仅具有金刚石高硬度、高耐磨性、高导热性、低摩擦系数、低热膨胀系数等优越性能,同时还具有硬质合金良好的强度和韧性。由此而开发的PCD钻头能够同时适应复合材料与铁合金两种材料的加工要求。4螺旋面钻尖钻头麻花钻的刃磨主要是通过在钻尖处磨出形成顶角2φ的锥面和在钻头上磨出工作侧后角。的后面。这两个角度的大小对切削力、进给力和钻头的磨损有很大的影响。,,因此其定心好,切入稳定,钻削轴向力小,具有比较好的排屑能力。并且所钻的孔径与钻头的直径很接近,钻孔质量较好,在某些情况下甚至可以替代铰孔工序。:..参考文献:··、荀勇,碳纤维及其复合材料性能与应用,山东纺织科技,2004,6;,我国碳纤维工业现状和碳纤维应用,第六届长三角科技论坛纺织分论坛论文;