鋁件與碳板加工回顧

來自專欄 機械雜記

##**碳板**

1. 原材料：碳纖維預浸料，根據料中碳纖維絲束大小分為1k，3k，6k，12k等，根據板材表面紋路可分為平紋、斜紋，根據表面處理效果可分為啞光和亮光，具體的加工過程包括對與材料的剪裁、鋪層、固化、切割及後加工等程序。

2. 剪裁：板材的厚度越大，需要層疊的預浸料層數越多，預浸料的原材料寬度是固定的，如果原有尺寸不夠，那麼就會涉及到材料的拼接，對於非常規尺寸的板材，在預浸料剪裁之前必須進行合理設計，通過設計的優化，最大化地利用預浸料，減少邊餘量的產生，降低生產成本。

3. 鋪層：根據板材對拉伸力、剪切力和強度方面的需求，確定預浸料的鋪層方向和鋪層順序。角度包括0、45、90、-45幾種，最大程度利用纖維在軸向的高性能。需要根據所承擔載荷的類型來選擇角度取向，即為了最大程度的利用纖維在軸向上的高性能。纖維鋪設方向要根據載荷的主方向設定，在點應力狀態，角度為0°的鋪層對應正應力，角度為±45°的鋪層對應剪應力，角度為90°的鋪層是用來保證在複合材料製件的徑向上有足夠的正壓力，若複合材料板材承受的載荷以拉壓載荷為主，那麼鋪層方嚮應該選擇拉壓載荷的方向；若複合材料製件承受的載荷以剪切載荷為主，那麼鋪層之中要以+45°和-45°成對鋪設為主；若複合材料製件所承受的載荷情況複雜，同時包括多種載荷，那麼鋪層設計時以0°、±45°、90°多方向混合鋪設。在具體鋪設時，一般複合材料製件的鋪層均採取對稱均衡鋪設。對稱均衡鋪設的特點就是在整體的鋪層之中，上下鋪層關於中間面對稱，如果需要設計成非對稱均衡鋪層，應將這類非均衡或是非對稱的鋪層布置於靠近整體鋪層中間的位置，這種方式能有效避免複合材料製件經歷拉-彎耦合、拉-剪耦合之後發生翹曲形變。總之，鋪層順序的不同不僅影響基體裂紋的起始載荷、擴展速率、斷裂韌性，也將對基體裂紋的飽和和裂紋密度產生顯著的影響。例如，對正交層板而言，在相同的外載入荷作用下斷裂韌性與裂紋擴展速率存在對應關係。但是，對於不同鋪層順序的優劣，不能一概而論，應根據不同的使用要求，充分發揮複合材料性能的可設計性優勢。

4. 固化：預浸料經過剪裁和有序鋪疊後，就要進入烘烤固化環節。預浸料被放置於預定溫度的模具中加壓加熱後，熱壓模具閉合，層合材料在熱壓下逐漸固化並達到一定的固化度，模具打開，在牽引裝置牽引下，離開熱壓模具，完成固化。在整個固化過程中，應根據板材的性能需求，分階段調整固化的時間和溫度，不同的溫度以及受熱時間都會對碳纖維板材的材料性能產生影響，在實際生產過程中，在滿足製件後固化階段保持尺寸穩定的前提下，應盡量縮短熱壓階段的時間。

5. 後加工：在後加工過程中，盡量選擇帶金剛石塗層的鋒利刀具和整體硬質合金的鑽頭，刀具和鑽頭本身的耐磨性決定了加工的質量和工具的使用壽命。如果刀具和鑽頭不夠鋒利或者使用不當，不僅會加速磨損，提高產品的加工成本，更會造成板材損傷，影響板材的形狀、尺寸以及板材上孔、槽等加工部位尺寸的穩定性，嚴重時會造成材料出現層狀撕裂，甚至是塊狀崩落，導致整塊板材的報廢。在對碳纖維板材進行鑽孔時，轉速越快效果越好。鑽頭的選擇上，PCD8面刃鑽頭獨特的鑽尖設計較適合碳纖維板材，能更好地穿透碳纖維板材，降低分層的風險性。在對較厚的碳纖維板材進行切割時，建議採用左、右螺旋刃設計的雙刃壓迫式銑刀，這種鋒利的切削刃同時具有上切和下切的螺旋梢，切削時平衡刀具上下軸向力，確保將切削力合力指向材料的內側，以獲得穩定的切削條件，可抑制材料分層現象的產生。「菠蘿刃」鏤銑刀的上切、下切菱型刃設計也能有效切斷碳纖維板材，其較深的排屑槽在切削加工過程中能夠通過切屑的排出帶走大量的切削熱，避免損傷碳纖維板材的性能。

6. 特點：因為碳纖維板材具有可加工性，因此可以按照圖紙加工成各種形狀的平面，並且可以在板材上面做出各種孔、溝槽，便於與其他部件組合使用，所以被許多高精密機械用來代替金屬材質製做成零部件。用碳纖維板材製成的機械零部件具有質量輕、強度大、耐磨損等特點，根據機械需要，還可以通過定製選擇阻燃、增韌、絕緣或導電等特定性能。

##**鋁件**

1. 軋制：軋制是錠坯依靠摩擦力被拉進旋轉的軋輥間，藉助於軋輥施加的壓力，使其橫斷面減小，形狀改變，厚度變薄而長度增加的一種塑性變形過程。根據軋輥旋轉方向不同，軋制又可分為縱軋、橫軋和斜軋。縱軋時，工作軋輥的轉動方向相反，軋件的縱軸線與軋輥的軸線相互垂直，它是鋁合金板、帶、箔材平輥軋制中最常用的方法；橫軋時，工作軋輥的轉動方向相同，軋件的縱軸線與軋輥軸線相互平行，在鋁合金板帶材軋制中很少使用；斜軋時，工作軋輥的轉動方向相同，軋件的縱軸線與軋輥軸線成一定的傾斜角度。在生產鋁合金管材和某些異形產品時常用雙輥或多輥斜軋。根據輥系不同，鋁合金軋制可分為兩輥系軋制，多輥系軋制和特殊輥系(如行星式軋制、V形軋制等)軋制：根據軋輥形狀不同，鋁合金軋制可分為平輥軋制和孔型輥軋制等。根據產品品種不同，鋁合金軋制又可分為板、帶、箔材軋制，棒材、扁條和異形型材軋制，管材和空心型材軋制等。

2. 擠壓：擠壓是將錠坯裝入擠壓筒中，通過擠壓軸對金屬施加壓力，使其從給定形狀和尺寸的模孔中擠出，產生塑性變形而獲得所要求的擠壓產品的一種加工方法。按擠壓時金屬流動方向不同．擠壓又可分為正向擠壓、反向擠壓和聯合擠壓。正向擠壓時，擠壓軸的運動方向和擠出金屬的流動方向一致，而反向擠壓時，擠壓軸的運動方向與擠出金屬的流動方向相反。按錠坯的加熱溫度，擠壓可分為熱擠壓和冷擠壓。熱擠壓時是將錠坯加熱到再結晶溫度以上進行擠壓，冷擠壓是在室溫下進行擠壓。

3. 拉拔：拉拔是拉伸機（或拉拔機）通過夾鉗把鋁及鋁合金坯料(線坯或管坯)從給定形狀和尺寸的模子L中拉出來，使其產生塑性變形而獲得所需的管、棒、型、線材的加工方法。根據所生產的產品品種和形狀不同，拉伸可分為線材拉伸、管材拉伸、棒材拉伸和型材拉伸。管材拉伸又可分為空拉、帶芯頭拉伸和遊動芯頭拉伸。拉伸加工的主要要素是拉伸機、拉伸模和拉伸捲筒。根據拉伸配模，拉伸可分為單模拉伸和多模拉伸。

4. 鍛造：鍛造是鍛錘或壓力機(機械的或液壓的)通過鎚頭或壓頭對鋁及鋁合金鑄錠或鍛坯施加壓力，使金屬產生塑性變形的加工方法。鋁合金鍛造有自由鍛和模鍛兩種基本方法。自由鍛是將工件放在平砧（或型砧）間進行鍛造；模鍛是將工件放在給定尺寸和形狀的模具內，然後對工件施加壓力進行鍛造變形，而獲得所要求的模鍛件。

5. 其他：壓力鑄造成形法，如低、中、高壓成形，擠壓成形等。半固態成形法，如半固態軋制、半固態擠壓、半固態拉拔、液體模鍛等。連續成形法，如連鑄連擠、高速連鑄軋、Conform連續擠壓法等。複合成形法，如層壓軋製法，多坯料擠壓法等。變形熱處理法等。

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