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博特公司首创PCD整体复合刀片,致力于解决CFRP复合材料加工难题

博特公司首创PCD整体复合刀片,致力于解决CFRP复合材料加工难题

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  一、碳纤维复合材料的应用现状

  复合材料在风力发电中主要应用于转子叶片、机舱罩和整流罩。其中转子叶片是由复合材料制成的薄壳结构,一般由根部、外壳和加强筋或梁三部分组成,是风力发电机组的关键部件之一。复合材料在整个风电叶片中的重量一般占到90%以上, 其设计、材料和工艺决定风力发电装置的性能和功率。

  在风力发电机兴起100多年的历史里,叶片材料的发展经历了木制、布蒙皮、铝合金,逐渐进入了纤维复合材料时代。纤维复合材料比重轻,疲劳强度和机械性能好,能够承载恶劣环境条件和随机负荷,但随着大功率发电机组的发展,叶片长度不断增加,为了防止叶尖在极端风载下碰到塔架,就要求叶片刚度更高,于是性能更优异的增强材料碳纤维进入了叶片生产领域。其密度比玻璃纤维小约30%,而强度大40%,尤其是模量高3~8倍。碳纤维的应用可以减少负载和增加叶片长度,从而制造适合于低风速地区的大直径风叶,使风能成本下降。树脂基体方面,聚酯树脂价格低廉,成型工艺性好,但性能一般,环氧树脂则刚好相反,性能较优但价格较高且工艺操作性不好,所以目前成本和性能等介于二者之间的乙烯基树脂被叶片制造商大量采用。

  国内的整机生产企业中,新疆金风、浙江运达、大连重工集团、东方汽轮机厂等几家的市场前景被业界看好,这其中又以新疆金风科技在国内品牌中的市场份额最大。叶片市场的情况与整机基本类似,单是丹麦LM Glasfiber公司一家就占据了国际市场40%以上的份额,其产品被GE WIND、西门子(原丹麦BONUS)、SUZLON、Repower、Nordex等公司全部或部分采用;另外Vestas和Enercon公司也拥有各自的叶片生产部门。国内的叶片生产企业主要有中航保定惠腾、连云港中复连众复合材料集团等。

  二、碳纤维复合材料加工特点

  碳纤维复合材料一般以叠合制成多层板使用,通常有两种复合形式,一种是碳纤维在基体中呈同向排列,即每层的纤维方向相同,通常称这种复合材料为单向纤维复合材料;一种是各层纤维方向呈不同角度,通常称为多向纤维复合材料。

  碳纤维复合材料是一种难切削加工材料,它的脆性大、硬度高,加工时容易出现分层、撕裂、毛刺等问题。碳纤维复合材料是由质软而粘性大的基体和强度高、硬度大的纤维混合而成的二相或多相结构,其力学性能呈各向异性,机械加工条件比较恶劣,切削加工的主要特点如下:

  (1)材料产生分层破坏。分层是复合材料铺层之间脱胶而形成的一种破坏现象,当切削参数不合理时会使层间受力过大而导致分层,分层会严重降低材料的性能甚至使零件报废,即使是微小的分层也是非常严重的安全隐患。

  (2)刀具磨损严重,耐用度低。切削区温度高且集中于刀具切削刃附近很窄区域内,纤维的回弹及粉术状的切屑又加重了擦伤刃口和后刀面,加之碳纤维的硬度非常高,故刀具磨损严重,后刀面产生沟状磨损,耐用度低。

  (3)产生残余应力。表面的尺寸精度和表面粗糙度不易达到要求,容易产生残余应力。这主要是因为切削温度较高,增强纤维和基体树脂的热膨胀系数相差太大。由于复合材料呈现各向异性,层间强度低,切削时在切削力的作用下容易产生分层、撕裂等缺陷,钻孔时尤为严重,加工质量难以保证。据统计,飞机在最后组装时,钻孔不合格率要占全部复合材料构件报废率的60%以上。

  (4)切削温度高。碳纤维复合材料切屑形成过程是一个基体破坏和纤维断裂相互交织的复杂过程,在此过程中,碳纤维作为切削硬质点连续磨耗刀具,因碳纤维断裂和基体剪切,以及切屑与前刀面、后刀面与已加工表面之间的摩擦而产生大量的切削热,加之碳纤维复合材料导热性差等原因,切削热主要传向刀具和工件,导致刀具的快速磨损。

  对于习惯了金属加工的工厂而言,复合材料在航空航天和风电行业应用的不断增长向他们提出了全新的挑战。而碳纤维增强塑料(CFRP)是复合材料中尤其难以加工的材料。

  在加工诸如这类复合材料时,切屑的产生无从谈起。材料的去除机理更应该被描述为破碎。以切削刃的冲击来破碎硬质碳纤维,取代了常规的以剪切方式去除材料的加工方式。如同任何其他的切削刀具应用,在复合材料的加工中,刀具几何形状决定了切削效果。然而,在复合材料的加工中,刀具材料同样对切削效果起着决定作用。如果刀具材料没有足够高的耐磨性,就不能保持刀具的几何形状并保持锋利,刀具将快速磨损,同时其几何形状也将快速变化。

  源于严苛的切削环境,刀具加工碳纤维增强塑料(CFRP)时寿命非常短。并且因复合材料的组成没有准确的配比,难以设计完全适合的刀具。郑州博特硬质材料研发部门投入了大量的资源用于解决此类复合材料的加工问题。首创高硬度,锋利的PCD整体复合刀片,加工这类复合材料,整体PCD复合刀片,是最好的刀具材料,也是最好的超硬刀片结构。

博特首创PCD整体复合刀片