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解讀國(guó)家發(fā)明一等獎(jiǎng)：碳纖維復(fù)合材料加工技術(shù)

2018-08-13 11:40:33 作者：蘇格拉偉來(lái)源：碳纖維研習(xí)社分享至：

2018年1月8日上午，中共中央、國(guó)務(wù)院在北京召開(kāi)國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)，大連理工大學(xué)賈振元教授主持的“高性能碳纖維復(fù)合材料構(gòu)件高質(zhì)高效加工技術(shù)與裝備”榮獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)。今天就來(lái)解讀賈振元教授的這項(xiàng)發(fā)明成果，了解這項(xiàng)技術(shù)發(fā)明的來(lái)龍去脈。

既然是技術(shù)發(fā)明，那一定是一項(xiàng)解決了某種問(wèn)題的新的解決方案。所以今天的解讀從兩方面展開(kāi)，先說(shuō)說(shuō)解決了什么問(wèn)題，再說(shuō)說(shuō)賈振元教授的解題方案。

問(wèn)題的提出

碳纖維復(fù)合材料不用做過(guò)多介紹，既然關(guān)注了這個(gè)公眾號(hào)，必然會(huì)有一些了解。我們做碳纖維復(fù)合材料部件，肯定要涉及很多打孔、切削、銑削等加工工藝。但是碳纖維復(fù)合材料是由碳纖維和樹(shù)脂組成，與金屬材料相比，復(fù)合材料加工復(fù)雜得多，因?yàn)槠鋬?nèi)部的碳纖維和樹(shù)脂加工特性明顯不一樣，尤其是層間強(qiáng)度明顯低于其他方向。

這就帶來(lái)幾個(gè)問(wèn)題，首先當(dāng)?shù)毒咔邢髁Υ笥趯娱g強(qiáng)度的時(shí)候，很容易頂開(kāi)最外邊基層材料，產(chǎn)生撕裂損傷。也就是碳纖維復(fù)合材料一層一層疊起來(lái)，像書(shū)本一樣。當(dāng)切削或者鉆孔到最后幾層厚度的時(shí)候，有可能就會(huì)把最后的幾層撕裂，看起來(lái)就像下圖這個(gè)樣子。

其次第二個(gè)問(wèn)題，碳纖維強(qiáng)度高，刀具難以切斷，很容易造成表面毛刺現(xiàn)象，降低了工件結(jié)構(gòu)完整性和增大了裝配誤差。

最后一個(gè)問(wèn)題，刀具和碳纖維復(fù)合材料摩擦生熱，肯定使接觸面溫度過(guò)高，可能會(huì)造成基體樹(shù)脂的軟化、燒蝕，從而帶來(lái)結(jié)構(gòu)損傷。而且切削產(chǎn)生的碎屑不容易排出。

解決方案

試題已經(jīng)準(zhǔn)備好了，就看大連理工大學(xué)的賈振元教授如何解答。我們沒(méi)有更多的資料來(lái)了解這項(xiàng)技術(shù)發(fā)明的完整情況，不過(guò)從大連理工官網(wǎng)發(fā)布的消息和賈振元教授申請(qǐng)的專(zhuān)利，我們可以得到這項(xiàng)技術(shù)的大概輪廓。

首先針對(duì)碳纖維復(fù)合材料表層撕裂和纖維毛刺問(wèn)題，賈振元教授提出了“微元去除”和“反向剪切”相結(jié)合的方案，我們分別了解一下。

所謂“微元去除”，就是減小刀具單刃切削量，來(lái)降低切削過(guò)程的分層和撕裂損傷的可能。也就是賈教授認(rèn)為切削過(guò)程發(fā)生分層和撕裂，是因?yàn)榍械锰土恕２阶舆~的大，容易扯著蛋。應(yīng)該小步快跑，減小切削。像考古似的，先用挖掘機(jī)、然后用鐵鍬、最后用小毛刷，才不容易損壞文物。

所謂“反向剪切”，就是表面幾層材料撕裂，是因?yàn)榍邢鞣较蛴械毒呦蛲忭敚獠繘](méi)有力約束著最外邊幾層的材料，所以會(huì)發(fā)生撕裂。解決之道就是，最外邊幾層利用刀具從反方向的切削，來(lái)防止撕裂行為的發(fā)生。

所以，賈振元教授解決撕裂損傷和剝層的技術(shù)方案就是：首先利用一系列的公式計(jì)算碳纖維復(fù)合材料可能會(huì)在切削到什么程度的時(shí)候會(huì)發(fā)生撕裂現(xiàn)象，然后先利用“微元去除”的辦法小步快跑的進(jìn)行切削，到達(dá)計(jì)算的容易發(fā)生撕裂的程度，翻轉(zhuǎn)刀具，從反向進(jìn)行加工，防止撕裂產(chǎn)生。

以上技術(shù)方案記錄在公開(kāi)號(hào)為：CN201610975600的專(zhuān)利公開(kāi)文件中。

對(duì)于切削過(guò)程容易產(chǎn)生溫度過(guò)高和切屑不容易排出的問(wèn)題，賈振元教授提出的方案是“負(fù)壓逆向冷卻”和“自風(fēng)冷排屑”方案。先上一個(gè)示意圖：

同樣，這是一個(gè)賈振元教授申請(qǐng)的專(zhuān)利文件的附圖。多余的解釋不說(shuō)了，最主要的有兩個(gè)亮點(diǎn)。一是在鉆頭外部加了一個(gè)罩子，這個(gè)罩子與復(fù)合材料表面形成一個(gè)密閉的空腔，然后在在編號(hào)為11的小口進(jìn)行抽真空。

第二個(gè)亮點(diǎn)就是鉆頭尖部有一個(gè)小孔，我怕大家看不到，專(zhuān)門(mén)做了備注。這個(gè)小孔是一個(gè)氣孔，加工的時(shí)候，氣體從這里吹出，然后從上面說(shuō)的11口排出去，這個(gè)過(guò)程不但把切削過(guò)程產(chǎn)生的熱量帶走，也吹走了切屑。

這還沒(méi)完，上邊不是說(shuō)最外邊幾層材料沒(méi)有支撐嘛。加工的時(shí)候，容易發(fā)生撕裂。賈振元教授的這個(gè)方案鉆頭尖部這個(gè)小孔可以在還剩下最后幾層材料的時(shí)候，改吹起為吸氣，利用鉆頭外邊的這個(gè)罩子里面形成的真空，外部大氣壓會(huì)壓著最外邊幾層材料向內(nèi)，從而防止發(fā)生撕裂損傷。

以上技術(shù)方案記錄在專(zhuān)利號(hào)為：CN201610392258的專(zhuān)利授權(quán)文件中。

是不是發(fā)現(xiàn)解決方案也沒(méi)什么特別高大上的地方？其實(shí)在賈振元教授的專(zhuān)利文件中，列舉了大量的公式和原理來(lái)進(jìn)行說(shuō)明，可以看出還是做了大量的理論研究的。加工問(wèn)題算是復(fù)合材料里面的一個(gè)小眾問(wèn)題了，能獲得國(guó)家技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)，說(shuō)明不怕問(wèn)題小，就怕不較真。任何一個(gè)小問(wèn)題，或許也可以產(chǎn)生巨大的研究成果。

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責(zé)任編輯：韓鑫

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