科创中国

行业领域

新材料技术

需求背景

采用传统机加工方式加工碳纤维复材构件存在以下不足：加工效率较低，加工速度最高约2000mm/min；加工面极易产生毛刺、撕裂、分层等加工损伤，质量较差；构件容易产生变形；粉尘严重，污染环境。目前国际上主要采用超声波复合切割加工碳纤维复材零件。以德国DMG为代表的国外机床生产商在超声加工技术上属于垄断地位。目前，DMG主推的Ultrasonic系列超声机床可减小加工力达50%，Ra<***µm。国内以南航、中国机械总院江苏分院等为代表的高校院所对超声复合加工开展了大量研究。中国机械总院江苏分院已开发出系列超声波发生器5种，目前正在开展超声复合加工数控机床研发攻关。

需解决的主要技术难题

超声机床可减小加工力达50%，Ra<***µm。

碳纤维复合材料是我国“十三五”规划中重点发展的一种新兴材料产业，在民用和国防领域具有十分广泛的应用，是我国经济和科技发展中不可替代的重要战略物资。碳纤维复合材料的生产技术不仅影响着复合材料的质量，还直接影响着生产成本，因此备受瞩目。

基于行业发展需求，国家知识产权局专利分析普及推广项目碳纤维复合材料课题组从树脂原料、RTM生产工艺的碳纤维复合材料制造流程出发，对碳纤维复合材料生产技术进行了深度剖析。

期望实现的主要技术目标

（1）研制高精度超声复合加工装备样机1台套。加工行程（X/Y/Z）：600×700×500mm；工作台最大承重350kg，工作台直径480mm；主轴转速20000r/min，驱动功率25kW，扭矩86N·m；超声振动频率15-55kHz，最大振幅≥15μm；X/Y/Z三轴定位精度*** mm，A/B/C轴定位精度±10"。 （2）开发出碳纤维超声加工工艺数据库，包含超声频率、振幅、切削力、精度等参数。 （3）加工试制碳纤维复合材料零件5种以上，分层比γ≤***，粗糙度≤2μm。

需求解析

解析单位：“科创中国”纳米技术专业科技服务团（上海市纳米科技与产业发展促进中心） 解析时间：2023-11-21

李小丽

上海市纳米科技与产业发展促进中心

研究员

综合评价

由于碳纤维复合材料的非均质性和各向异性，其在加工过程中极易产生分层、撕裂等损伤，严重影响构件的承载性能,加之高端装备构件结构复杂，且损伤容限要求苛刻，使得碳纤维复合材料构件加工难上加难。为满足高端装备研制对复合材料构件的加工需求，不得已采用传统切削工艺和手工作业方式，致使加工损伤严重、质量差、效率低，严重制约我国航空航天高端装备研制和批量生产进程。因此，实现碳纤维复合材料构件的高质高效加工，是保障航空航天高端装备研制和批量生产的重要前提，也是国内外高端装备制造领域所面临的严峻挑战。 研制高精度超声复合加工装备样机，开发出碳纤维超声加工工艺数据库，有助于实现高性能碳纤维复合材料构件高质高效数字化加工，解决碳纤维复合材料加工损伤难以控制、加工效率低的国际性难题。

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