激光和机械组合加工碳纤维复合材料的方法
【专利摘要】本发明激光和机械组合加工碳纤维复合材料的方法属于激光与机械加工技术，具体涉及一种采用激光与机械切削组合加工碳纤维复合材料的方法。该方法使用激光发生器作为激光源，选定加工参数实现单次扫描切深最大。其中包括功率、聚焦位置、单次扫描速度、扫描次数，经一次或多次扫描，对碳纤维复合材料样件进行所需几何特征的粗加工，完成大部分材料的高效去除；进一步通过机械加工方式一次去除激光加工产生的热影响区及粗加工余量，最终完成碳纤维复合材料样件所需大尺寸几何特征的高质高效加工。该方法有效地降低机械加工量，降低了由于复合材料特性本身决定的不可避免的刀具磨损、加工损伤，减少了加工粉尘，提高加工效率，降低刀具成本。
【专利说明】激光和机械组合加工碳纤维复合材料的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于激光与机械加工技术，具体涉及一种采用激光与机械切削组合加工碳纤维复合材料的方法。
【背景技术】
[0002]碳纤维复合材料具有高比强度、高比刚度、抗疲劳性、耐腐蚀等特性，在航空航天领域得到了大量应用，能有效降低结构重量。其应用中存在大量保证构件精度的切削工艺及用于连接装配的制孔工艺、切割工艺过程，以满足各种连接、装配功能。诸多工艺过程中，主要通过机械加工的方式实现碳纤维复合材料制件与构件的加工，包括主要连接位、窗口及承力边缘等几何特征的大量钻削、铣削及打磨修整加工。由于碳纤维复合材料自身特殊性，细观上呈现由纤维和树脂构成的混合形态，宏观上呈现各向异性和叠层特征，同时切削热易导致树脂粘结强度降低，机械加工中极易出现分层、撕裂和毛刺等加工损伤，同时纤维本身高强高硬，以及切削热不易扩散导致刀具磨损严重，严重影响其高质高效加工，报废率高、刀具消耗量大，导致其使用成本极高。同时随着碳纤维复合材料应用逐渐从小、次承力构件发展到现阶段大型承力构件，加工尺寸大，加工数量多，即便在优化工艺参数及刀具结构的基础上提高了加工质量与加工效率，大量接触式机械加工仍会不可避免地造成严重的刀具磨损。此外，作为非传统加工的磨料水射流技术在碳纤维复合材料加工中也有一定的应用，其具有加工过程无热变形，切削力小，切削速度快的优点，主要用于大尺寸切边及裁剪加工，大多为非受力或非连接区域，同时存在使用成本高、射流废料回收利用难、噪声大等缺点。因此，单纯依靠机械加工或磨料水射流加工方式很难满足碳纤维复合材料高质、高效、低成本加工的要求。
【发明内容】
[0003]本发明针对上述碳纤维复合材料加工中存在的问题，发明一种激光切削与机械组合加工碳纤维复合材料的方法，使用激光发生器5作为激光源，设定加工参数实现单次扫描切深最大，其中包括功率、聚焦位置、单次扫描速度、扫描次数等，经一次或多次扫描，对碳纤维复合材料样件11进行所需几何特征的粗加工，完成大部分材料的高效去除；进一步通过机械加工方式一次去除激光加工产生的热影响区15及粗加工余量14，最终完成制件及构件所需几何特征的高效、高质、低成本加工。
[0004]本发明采用的技术方案是激光和机械组合加工碳纤维复合材料的方法的具体步骤:将激光发生器5、导光系统2安装于激光器夹具3上，激光器夹具3安装在机床激光主轴4上，激光发生器5和导光系统2与控制柜8相连；将碳纤维复合材料样件11通过夹具10置于龙门式五轴综合实验机床工作台12上，采用加工中激光轴线与曲面法线方向始终重合的切削方式，保证单次扫描去除量最大；打开激光发生器5，计算机系统9根据碳纤维复合材料样件11的材料特性及加工尺寸，选配焦点位置、功率、扫描速度等参数；调用加工代码，激光由导光系统2的反射镜及透镜装置进行聚焦，启动除尘装置1，按预先规划好的扫描路径，经一次或多次扫描切削，快速完成样件粗加工；调用机械主轴7，计算机系统9根据激光加工热影响区15尺寸及粗加工余量14，确定精加工工艺参数，调用加工代码，启动除尘装置1，一次完成激光粗加工余量14及热影响区15的去除，完成所需几何特征的加工。
[0005]本发明的有益效果:对于大厚度碳纤维复合材料样件，通过单次实现较大的去除量，经多次快速扫描去除，保证加工速度的同时有效地减少了激光加工产生的热影响区；在热影响区尽可能小的前提下实现大部分材料的快速高效去除，大大降低了机械加工量，解决了机械加工必须以消耗高成本刀具获取高效高质加工的问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0006]图1是实施例示意图:其中，I一除尘装置，2—导光系统，3—激光器夹具，4一激光主轴，5一激光发生器，6一辅助气体装置喷头，7一机械主轴，8—控制柜,9一计算机系统，10—夹具，11 一碳纤维复合材料样件，12—工作台。
[0007]图2是加工区域不意图,其中，11 一碳纤维复合材料样件，13—激光束，14一粗加工余量，15—热影响区。
【具体实施方式】
[0008]下面结合技术方案和附图详细说明本发明的具体实施，附图1中是本发明的一个实施例示意图。本方法适用于碳纤维复合材料大尺寸制件制孔、窗口及边缘铣削加工，所使用材料的型号为T300，纤维体积分数为60%，铺层方式为0° /90°。下面结合具体实施例来说明本发明方法:本发明所使用的装置包括龙门式五轴综合实验机床，夹具10，激光发生器5，导光系统2，控制柜8，计算机系统9。夹具10安装在龙门式五轴综合实验机床工作台12上。激光发生器5安装在激光主轴4上,导光系统2位于激光发生器5下方。
[0009]实施例1:被加工的碳纤维复合材料样件11的尺寸为IOOOmmX IOOOmmX3mm平板，窗口尺寸为500mmX 500mm,先将碳纤维复合材料样件11通过夹具10固定于机床工作台12上，打开激光发生器5，将辅助气体装置喷头6对准加工位置，启动除尘装置I。启动控制柜8，通过计算机系统9生成该样件开窗口所需的激光粗加工与机械精加工代码，机床工作台12带动碳纤维复合材料样件11沿加工路径运动，连续激光通过导光系统2作用于碳纤维复合材料样件11进行加工；辅助气体装置喷头6喷出高压氮气，及时去除气化/熔化的材料，并保护材料基体不被氧化；除尘装置I将加工区产生的有毒气体及气化颗粒及时抽离收集；在高能激光束对加工位置材料的气化/熔化效应及辅助气体的高压作用下完成材料去除，完成一次切深扫描；激光主轴4进给到下一聚焦位置，机床工作台8带动碳纤维复合材料样件11完成二次扫描，切入材料内部最终完成窗口的粗加工，粗加工余量14为
0.6mm，其中包括产生的热影响区15厚度0.1mm。
[0010]激光粗加工:扫描次数为2，先设定单次扫描聚焦位置、功率、扫描速度参数及扫描次数:焦点在碳纤维复合材料样件11表面上方0.1mm，功率300W，扫描速度800mm/min ；
[0011]机械精加工:使用直径为6mm的多刃立铣刀，启动机械主轴7，启动除尘装置1，切削速度150m/min，一次切削剩余去除量0.6mm,完成碳纤维复合材料样件11的IOOmmX IOOmm窗口尺寸高质高效低成本加工。
[0012]现有技术中相对于实施例，一般使用直径为IOmm的硬质合金涂层多刃铣刀铣削成形加工时，刀具需去除整个窗口尺寸内材料，需定切深多次加工，材料去除量大，加工时间长，刀具磨损严重，最少使用两把刀具才能保证低损伤加工，并产生大量粉尘等不足。采用本发明方法的实施例一通过激光多次扫描粗加工，粗加工余量14为0.6mm，热影响区15厚度控制在0.1mm以内，如图2所示；精加工中机械加工去除量仅为0.6mm，通过电镀金刚石磨具一次磨削去除剩余材料，机械加工量大大减少，刀具成本低，同时可获取高的表面质量，大大减少机械加工量，缩短加工时间，节约刀具成本。
【权利要求】
1.激光切削与机械组合加工碳纤维复合材料的方法，其特征在于，该方法使用激光发生器(5)作为激光源，选定加工参数实现单次扫描切深最大，其中包括功率、聚焦位置、单次扫描速度、扫描次数，经一次或多次扫描，对碳纤维复合材料样件(11)进行所需几何特征的粗加工，完成大部分材料的高效去除；进一步通过机械加工方式一次去除激光加工产生的热影响区(15)及粗加工余量(14)，最终完成碳纤维复合材料样件(11)所需大尺寸几何特征的闻质闻效加工，具体步骤如下: 第一步将激光发生器(5)、导光系统(2)安装于激光器夹具(3)上，激光器夹具(3)安装在机床激光主轴(4)上,激光发生器(5)和导光系统(2)与控制柜(8)相连； 第二步启动控制柜(8)与计算机系统(9)，将碳纤维复合材料样件(11)通过夹具(10)置于五轴综合实验机床工作台(12)上，采用加工中激光轴线与曲面法线方向始终重合的切削方式，保证单次扫描去除量最大； 第三步打开激光发生器(5)，计算机系统(9)根据碳纤维复合材料样件(11)的材料特性及加工尺寸，选配焦点位置、功率、扫描速度参数；调用加工代码，激光由导光系统(2)的反射镜及透镜装置进行聚焦，启动除尘装置(1)，按预先规划好的扫描路径，经一次或多次扫描切削，快速完成碳纤维复合材料样件(11)粗加工； 第四步启动机械主轴(7)，计算机系统(9)根据激光加工热影响区(15)尺寸及粗加工余量(14)，确定精加工工艺参数，调用加工代码，启动除尘装置(1)，一次完成激光粗加工余量(14)及热影响区(15)的去除，完成所需几何特征的加工。
【文档编号】B23K26/00GK103817368SQ201410072858
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年2月27日 优先权日:2014年2月27日
【发明者】贾振元, 王福吉, 殷俊伟, 刘巍, 杨睿, 牛斌 申请人:大连理工大学