碳纖維加工：製程、挑戰與工具

“碳纖維的高強度重量比使其成為航空航天和汽車應用的理想選擇，但其硬度需要精密加工技術”

碳纖維是一種輕質複合材料，以其高強度、低重量、耐用性、抗衝擊性和許多其他有益特性而聞名，適用於無數的工業應用。這些複合材料零件在航空航太、航海和體育用品領域特別受歡迎。在不同的工藝過程中， 碳纖維加工 是用於製作各種形狀和尺寸的組件的著名工具之一。 

碳纖維材料可透過銑削、車削、鑽孔、攻牙等機械加工操作進行加工。然而，由於其硬度、脆性和磨蝕性，其加工難度較高。碳纖維零件的加工需要太多的材料、幾何形狀、切削參數和其他考慮因素。

在本文的最後，我們將介紹什麼是碳纖維、其特性、加工操作和應用範例；

 

什麼是碳纖維複合材料？

碳纖維片材

碳纖維複合材料是用樹脂黏合在一起的長且緊密聯鎖的碳纖維鏈的基底。纖維的直徑通常可達 10 微米，且重量明顯低於鋼和鈦等其他工程材料。 

聚丙烯腈 (PAN) 等物質可提供製造複合材料片材所需的碳纖維。這些纖維被編織成織物或鋪放，然後用環氧樹脂浸漬形成預浸料。接下來，預浸材料在熱和壓力下成型和固化以形成複合材料片材。

碳纖維的主要性能有哪些？

剛性碳纖維材料具有優異的強度重量比、剛性、耐磨性、優異的耐腐蝕性和其他有益特性。這些對於製造業，尤其是航空航太和類似的高強度和輕量化應用至關重要。

碳纖維性能列表如下；

• 高機械強度（拉伸和壓縮）
• 熱膨脹最小，可承受惡劣環境。
• 堅韌且輕質
• 優異的阻尼和自潤滑性能
• 高抗疲勞性和耐用性
• 光滑且吸引人的表面
• 耐腐蝕、耐磨、耐刮、耐磨。

此外，在相同重量下，碳纖維的強度是鋼的五倍。從這個事實可以看出它在不犧牲強度的情況下輕量化零件的相關性。

表：碳纖維特性（由以下公司提供） 研究之門)

參數	價值
纖維直徑	5μm
拉伸強度/模量	5880 兆帕/294 兆帕
纖維單位面積重量	268克/平方米
密度	1.8克/厘米3
導熱係數	70瓦/ mK
應變	2%

 

碳纖維加工面臨的挑戰

碳纖維的韌性、磨蝕性和緻密結構使其難以使用簡單的工具和參數進行加工，例如在金屬加工中。因此，碳纖維加工存在一些複雜性和挑戰。然而，認識到潛在問題並採取預防措施可以消除加工挑戰和缺陷。

• 碳纖維導熱係數低 

材料的低導熱性是加工面臨的挑戰之一，因為它會在加工區域和切削刀具中產生熱量——少量的熱量流過切屑。因此，它會降低碳纖維層的性能或分層。 

預防：  使用專門的冷卻劑、受控的切割速度和先進的刀具塗層。

• 碳纖維的磨料性質 

碳纖維工件具有磨蝕性，會導致刀具快速磨損和設備振動。因此，表面處理可能會包含高度的粗糙度和不規則性。

預防：使用鑽石塗層刀具和穩定的加工裝置來減少刀具磨損和振動。

• 粉塵形成 

碳纖維比其他材料加工產生更多的粉塵顆粒，不僅給管理帶來問題，而且對人體健康有害。

預防：通風系統、除塵、個人防護裝備和其他安排是必要的。

• 層切割不一致

碳纖維複合材料通常採用不同的材料或方向進行分層，以增強特定的機械性能。這些變化會影響每一層對加工的反應，導致切割品質不一致、厚度變化、結構完整性減弱。

預防： 透過即時回饋調整參數、刀具路徑模擬以及複合工件的牢固固定。 

 

碳纖維材料CNC加工刀具

碳纖維加工刀具

碳纖維加工首選硬質材料塗層刀具，以平衡韌性。鑽石、整體硬質合金和多晶鑽石是幾種塗層選擇。下表顯示了常見的工具選項及其優缺點；

表：碳纖維 CNC 加工的來料加工 

工裝類型	優點	缺點
金剛石工具	極為堅硬、耐用、導熱性極佳	非常昂貴，不適用於黑色金屬材料
硬質合金刀具	價格實惠，隨時可用	磨損快，刀具壽命短
聚晶鑽石刀具	使用壽命延長 25 倍，高速運行	初始成本高，不適用於黑色金屬材料
整體硬質合金立銑刀	高剛性、高效排屑	適中的刀具壽命
鑽石砂礫孔鋸	乾淨的切割，最小的分層	比標準孔鋸成本更高
帶有鑽石塗層的高速鋼刀具	性能好，延長刀具壽命	不如整體 PCD 刀具耐用
專用銑刀	邊緣光滑，切割精確	專用於修邊

 

此外，除了刀具之外，加工速度和進給率是防止損壞和刀具磨損的另外兩個重要考慮因素。使用 0.02-0.05 mm/rev 的進給速度、5,000-7,000 RPM 的主軸速度以及 200 m/min 左右的切削速度。

 

碳纖維加工工藝

碳纖維可以透過各種加工工藝（銑削、車削、鑽孔等）加工成所需的形狀。

碳纖維加工工藝

1. 磨

銑削過程使用旋轉切削刀具去除材料並創建具有精確尺寸的複雜形狀。此工藝的首選工具是鑽石塗層或多晶鑽石 (PCD) 立銑刀。它們對碳纖維的磨損性具有很強的抵抗力。對於碳纖維銑削，最佳主軸轉速為 5,000-7,000 RPM，進給率為 0.02-0.05 毫米/轉。

2. 開啟

在車削過程中，工件旋轉，同時固定切削刀具透過向工件進給來去除材料。它主要用於製造圓柱形碳纖維零件。同時，鑽石塗層或 PCD 車刀是車削的理想選擇。隨後，需要適度的主軸速度和受控的進給速率以防止碳纖維層分層。 

3. 鑽孔 

鑽頭從工件表面向內旋轉並去除材料以形成與鑽頭直徑相同的孔。由於材料容易磨損和分層，碳纖維鑽孔尤其具有挑戰性。優選具有負前角和高主軸轉速的專用鑽頭，以最大限度地減少這些問題。 

4. 竊聽

攻牙在鑽孔內形成螺紋，通常用於碳纖維部件中的緊固件。攻牙需要精確且小心，以避免損壞碳纖維加工中的複合材料結構。專為複合材料設計的專用絲錐（通常塗有鈦或鑽石）可以提高鑽孔性能。 

5. 水射流切割

水刀切割機使用高壓水刀（通常與磨料顆粒混合）將材料切割成設計的形狀或圖案。該工藝對於碳纖維片材非常有效，因為它產生的熱應力最小並避免分層。隨後，水刀可實現複雜的形狀和特徵。

 

碳纖維CNC加工的應用

CNC車床、銑床、車削中心和所有設備都使用電腦數控來執行材料移除。隨後，它們可以根據加工要求容納不同類型的刀具。數控工具機的這兩項功能和許多其他功能使其非常適合將碳纖維加工成航空航太、汽車、電子等不同行業的功能部件。

客製化碳纖維加工零件

航太

碳纖維應用在航空航太工業中發揮重要作用，從商用飛機到無人機、火箭和衛星。造成這種情況的主要原因有兩個：強度和重量。此外，數控加工可以處理嚴格的公差和複雜性。

例子;

• 飛機機翼、尾翼、起落架門和機身部分。
• 衛星影格
• 無人機 (UAV)
• 直升機旋翼槳葉
• 螺旋槳葉片
• 飛彈外殼
• 太空船結構板

運動用品

碳纖維重量輕，還可以支撐自行車和滑雪板等各種運動。在這裡，減輕的重量和卓越的強度提高了他們的表現。

例子;

• 高爾夫球桿桿身
• 射箭弓
• 曲棍球棒
• 衝浪板
• 獨木舟槳
• 網球拍

Medical

碳纖維具有高耐腐蝕性和耐磨性，適用於某些醫療植入物和多種醫療設備零件。此外，它具有生物相容性，並且具有接近人體骨骼的彈性模量。

例子;

• 義肢
• 手術器械
• 矯形支架
• 病人轉運擔架
• 醫用植入物
• 輪椅框架
• 手術台

國防和軍事 

碳纖維可提高設備和車輛的性能和效率，提供卓越的防彈保護並提高燃油效率。同時，在極端條件下保持車輛零件系統的結構完整性。

例子;

• 身體護具
• 頭盔
• 車輛裝甲板
• 飛彈外殼
• 便攜式避難所
• 天線罩
• 天線結構
• 坦克裙

其他行業

能源、建築、造船等產業也使用碳纖維加工不同的零件。

例子;

• 風力渦輪機葉片、太陽能板框架、石油鑽孔機零件、電池外殼
• 船體加強件、螺旋槳軸、甲板結構
• 跑車車身板
• 工業滾筒和樂器零件

 

摘要

整體而言，碳纖維是需要高強度重量比、優異的耐腐蝕性、耐磨性和韌性的理想工程材料。一個重要的例子是航空航天部件，我們已在本文中討論過。同時，在加工碳纖維零件時，考慮刀具和加工變數至關重要。硬質材料塗層通常用於解決這些特性和可能的​​挑戰。

在 ProleanTech，我們使用客製化工具方法來處理碳纖維加工。我們的工程師模擬刀具路徑和加工操作，以優化加工參數，如主軸轉速、進給率、切削速度等。 

 

常見問題

 碳纖維加工件貴嗎？

由於原料成本較高，碳纖維機械加工零件通常比金屬零件更昂貴。然而，它們的長期好處，如減輕重量和耐用性，可以證明投資是值得的。

碳纖維比鋼合金更堅固嗎？

碳纖維的絕對強度不一定比鋼合金更堅固，但它提供了卓越的強度重量比。這意味著它具有相當的強度，同時重量明顯更輕。

什麼樣的工裝適合碳纖維加工？

帶有鑽石或硬質合金刀尖的專用刀具適用於碳纖維加工，以抵抗碳纖維的磨蝕性質並減少磨損。

碳纖維加工面臨哪些挑戰？

一些挑戰包括磨損性、分層風險和發熱。