碳纤维复合材料在工装上的应用研究

（中航工业沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司工装制造厂，辽宁 沈阳 110043）

碳纤维复合材料在工装上的应用研究

于 菲 邹华哲 车宏亮 宋慧军

（中航工业沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司工装制造厂，辽宁 沈阳 110043）

在生产加工现场使用的工装中，有些大尺寸测具都是采用钢件结构非常笨重，测具主体材料选择不合理，没有采用轻质材料，导致测具笨重，使用很不方便，尤其测量大尺寸薄壁件，易造成被测零件损伤变形。在保证使用性能的条件下，尽可能的减轻主体零件的重量。通过对各种资料的搜集分析，了解到碳纤维复合材料具有高强度、耐腐蚀、低热膨胀、耐高温、重量轻等优点。根据工装使用性能，工装在非定位件、主体横梁类等主体简单型面的零件，只对强度和刚性有要求，使用普通的碳纤维复合材料比较适合，用复合材料代替工装结构中的横梁、支架等非定位件普通的钢类结构件，达到减轻工装的重量的目的，解决长期存在的工装笨重问题。

碳纤维；复合材料；笨重；刚性；工装

引言

测具笨重是近年来生产现场反映比较多的问题之一，在国内同行业都存在这个问题，经过大量的实物和材料分析研究，针对长度测量的测具进行试验应用，从设计源头上保证测具的合理性，彻底解决测具笨重的问题。要从测具的横梁、支架等非定位件零部件的材料方面解决测具笨重问题。在测具主体材料的选材上，从而整体减轻测具的重量，根据测具的结构和使用要求，选择合适的轻质材料，以减轻测具的重量。设计制造出的新型的应用轻质材料普通的碳纤维复合材料比同样钢结构件测具的重量减轻60%，大大减轻了工装的重量，来改进测具结构笨重问题，并应用推广到零件生产中。

1 碳纤维复合材料的特点

复合材料是指由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料。先进的复合材料（Advanced composite materialsj简称ACM）是指用碳纤维等高性能增强相增强的复合材料，对于先进树脂基复合材料，在综合性能上与铝合金相当，但比刚度比强度高于铝合金。碳纤维是最重要的增强材料，在复合材料大家族中，纤维增强材料一直是人们关注的焦点。

碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90%以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐磨擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重小，因此有很高的强度。碳纤维是由含碳量较高，在热处理过程中不熔融的人造化学纤维，经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的 由碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料，由于其比重小、刚性好和强度高，在航空航天工业中已采用先进复合材料，而工装上只应用普通的碳纤维复合材料，就能满足强度和刚性的要求，并达到减轻工装的重量。

2 应用碳纤维复合材料的测具结构方案

为解决测量大尺寸测具笨重问题，使用钢管、碳纤维等复合材料代替结构钢，减轻测具重量，避免薄壁零件压变形，提高测量精度。研制方形、圆形碳纤维的结构，满足测具横梁的要求，应用到检测大尺寸的长度测具中，减轻测具重量。

图1 碳纤维材料嚓测具结构简图

在检查薄壁零件直径在1000左右尺寸的测具设计中，横梁应用圆形碳纤维材料管子代替原钢件尺板，为便于加工，在碳纤维材料管子两端胶粘普通的钢件固定块，左端用于固定定位销，右端使用杠杆结构，结构简图如图1所示。

在工装的专用测量工具结构上，只要求结构的强度和刚性及耐磨性，其它没有过多的要求.首次研究试制时采用普通的碳纤维复合材料管子，两端粘结普通的圆形钢件结构固定块，用于连接其它钢制零部件。由于在加工制造时，无法定位，为降低加工难度，与工艺研究两端连接的圆形柱销改为长方体结构，并且与厂家联系，要求保证长方体两侧定位面的平行度，然后我们以长方体两侧定位面为基准，进行测量销和表架的组合加工，保证测具两基准的平面度要求，使测具能可靠定位，准确测量，确保测具备的测量精度。

结语

通过该项研究应用，可在测具主体材料的选材上，如测具的横梁、支架等非定位件零部件的材料方面，根据测具的结构和使用要求，选择合适的轻质材料，以减轻测具的重量。通过在多套测具上应用碳纤维材料复合材料， 从而整体减轻测具的重量，使测具的重量比同样钢件测具减轻了60%，解决了工装设计结构笨重问题，增加测具的测量稳定性，该新材料的研究应用，是设计能力和制造能力的提高，并应用推广到各产品生产中。

[1] 张桂环，刘起秀，曹子让.碳纤维复合材料在医疗上的应用研究——人工骨[J].新型炭材料，1991（01）.

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