PEEK+30%碳纤增强的加工成型

PEEK+30% 碳纤增强（PEEK-CF30）的加工成型因 30% 高碳纤维含量而面临更大挑战：碳纤维的高硬度会加剧设备磨损，且高填充量显著降低熔体流动性，需通过 “高温补偿 + 高压驱动 + 超硬工具” 等方式平衡加工效率与性能保留。以下是其主要加工方式及关键要点：

一、注塑成型：批量复杂部件的核心工艺

注塑成型是 PEEK-CF30 规模化生产的主要方式，适用于齿轮、轴承座、连接器等结构规整的部件，但需解决 “低流动性 + 纤维分散不均” 的核心问题。

1. 原料预处理：严控水分，避免降解

• 干燥要求：PEEK-CF30 吸潮性略低于纯 PEEK，但仍需在130-160℃真空干燥 6-8 小时（水分含量≤0.01%）。若水分超标，高温下会导致 PEEK 水解（产生气泡、银丝纹），且碳纤维与基体界面结合力下降，拉伸强度可能降低 25-30%。

• 储存注意：干燥后需立即使用，暴露在湿度＞50% 的空气中超过 30 分钟需重新干燥，避免二次吸潮（碳纤维间隙易吸附水汽）。

2. 温度控制：高温补偿低流动性

30% 碳纤维使熔体粘度比 CF20 高 30-50%，需通过更高温度降低粘度：

• 料筒温度：

• 前段：380-390℃（预热，避免冷料堵塞喷嘴）；

• 中段：400-410℃（主要熔融区，确保碳纤维均匀分散）；

• 喷嘴：410-430℃（最高温区，降低出口阻力）。
  注：温度超过 430℃会导致 PEEK 缓慢降解（释放 CO₂等气体），表面出现焦黄色斑点，需通过热电偶实时监控。

• 模具温度：需维持在170-190℃（高于 CF20 的 160-180℃），目的是：① 延长熔体在模具内的流动时间（避免因冷却过快导致 “短射”）；② 促进 PEEK 结晶（结晶度达 40-45%，减少内应力）。

3. 注射参数：高压 + 低剪切平衡性能与成型

• 注射压力：需显著高于 CF20（120-160MPa），设定为150-200MPa（根据部件复杂度调整）。例如，带细孔（φ＜3mm）的部件需 180-200MPa，厚壁件（10-20mm）可降至 150-160MPa。压力不足会导致填充不满，过高则可能切断碳纤维（长度从 0.3mm 降至 0.08mm，弯曲模量下降 15%）。

• 注射速度：采用 “低速 - 中速 - 低速” 分段控制：

• 初始阶段（0-30% 型腔）：低速（20-40mm/s），避免纤维在浇口处堆积；

• 中间阶段（30-90%）：中速（50-70mm/s），确保熔体均匀流动；

• 末端阶段（90-100%）：低速（10-30mm/s），减少飞边和气泡。

• 保压与冷却：

• 保压压力：注射压力的 70-80%（105-160MPa），保压时间 10-20 秒（厚壁件延长至 30 秒），补偿高结晶度导致的收缩（收缩率约 0.6-0.9%，低于 CF20 的 0.8-1.2%）。

• 冷却时间：20-40 秒（模具温度 170℃时），需缓慢冷却（通过模温机梯度降温），避免内应力开裂。

4. 模具设计：抗磨损 + 优流道

• 流道与浇口：流道直径需比 CF20 大 25%（如 φ6mm 增至 φ7.5mm），采用圆形流道减少阻力；浇口尺寸放大 35%（如直径从 2mm 增至 2.7mm），避免碳纤维在浇口处 “过滤” 堆积。

• 模具材料：因 30% 碳纤维磨损性极强，型腔需采用粉末冶金高速钢（如 ASP-60，HRC60-62）或表面喷涂碳化钨涂层（厚度＞100μm），模具寿命可达 5-8 万模次（普通淬火钢仅 2-3 万模次）。

• 排气设计：排气槽深度 0.01-0.02mm（比 CF20 更浅），宽度 10-15mm，确保气体快速排出（碳纤维与熔体混合产生的气体更多）。

5. 常见缺陷及解决

• 填充不足（短射）：熔体流动性不足。解决方案：料筒温度提高 5-10℃，或注射压力增加 10-15MPa（但需避免超过 200MPa 导致纤维断裂）。

• 表面粗糙 / 纤维外露：熔体未能充分润湿纤维。解决方案：提高模具温度至 180-190℃，或延长保压时间 5-10 秒。

• 力学性能偏低：纤维分散不均或断裂。解决方案：降低螺杆转速至 40-60rpm（减少剪切），或优化原料混合工艺（采用双螺杆挤出机确保纤维均匀分散）。

二、机加工（切削加工）：高精度部件的关键工艺

PEEK-CF30 的机加工难度显著高于 CF20：30% 碳纤维的高硬度（莫氏硬度 3-4）会加剧刀具磨损，且材料导热性差（1.2-1.5W/(m・K)）易导致局部过热，需针对性优化刀具与参数。

1. 刀具选择：超硬材料是前提

• 刀具材质：必须使用金刚石涂层硬质合金（PCD）或立方氮化硼（CBN）刀具，其耐磨性是 CF20 所用刀具的 2-3 倍。例如，加工 φ8mm 孔时，PCD 钻头可加工 300 件（CF20 约 500 件），而普通硬质合金仅能加工 30-50 件（刃口快速磨损导致尺寸超差）。

• 刀具几何参数：

• 前角：8°-12°（小于 CF20 的 10°-15°，减少纤维 “撕裂”）；

• 后角：4°-6°（减少刀具与工件摩擦）；

• 刃口半径：0.03-0.08mm（更锋利，避免碳纤维突出表面）。

2. 切削参数：低温控 + 低速度

• 切削速度：需低于 CF20（CF20 铣削 30-60m/min），具体为：

• 铣削：20-40m/min；

• 车削：40-60m/min；

• 钻孔：15-30m/min（避免钻头过热退火）。

• 进给量：0.03-0.1mm/r（低于 CF20 的 0.05-0.15mm/r），进给过快会导致纤维断裂和刀具崩刃，过慢则积热严重（表面温度超过 343℃导致 PEEK 熔融）。

• 冷却方式：必须使用高压油性切削液（压力 1-2MPa），通过专用喷嘴直达切削区（流量≥5L/min），避免水溶性冷却液（导致材料吸水膨胀）。禁止干切削（会导致刀具寿命缩短至 1/10，且表面质量恶化）。

3. 精度控制：分阶段加工 + 退火消除应力

• 各向异性补偿：PEEK-CF30 的纤维取向导致更明显的各向异性收缩（沿纤维方向收缩 0.3-0.5%，垂直方向 0.8-1.0%），需采用 “粗加工→退火→精加工” 流程：

1. 粗加工留 0.15-0.3mm 余量；

2. 160℃保温 3 小时消除内应力（比 CF20 多 1 小时）；

3. 精加工至最终尺寸（精度可达 ±0.005mm）。

• 表面质量控制：通过低速精铣（进给量 0.02-0.04mm/r）或金刚石砂轮抛光，使表面粗糙度 Ra≤0.6μm（低于 CF20 的 0.8μm），避免纤维外露导致的 “磨粒磨损”（如轴承配合面）。

4. 常见问题及解决

• 刀具快速磨损：碳纤维硬度高。解决方案：及时更换刀具（刃口磨损量＞0.05mm 时），或采用 CBN 刀具（比 PCD 更耐磨，但成本高 30%）。

• 表面熔融 / 发粘：切削热无法及时导出。解决方案：降低切削速度 10-20%，或增大冷却液压力至 1.5-2MPa。

• 尺寸不稳定：内应力释放导致变形。解决方案：增加退火时间至 4 小时，或在精加工前放置 24 小时让应力自然释放。

三、3D 打印（增材制造）：复杂结构的成型方案

3D 打印适用于 PEEK-CF30 的复杂结构（如多孔轻量化部件），但高纤维含量导致喷嘴磨损快、层间结合难，需针对性优化工艺。

1. FDM/FFF 技术（熔融沉积成型）

• 丝材制备：需将 30% 短切碳纤维（长度 0.1-0.2mm，比 CF20 更短，避免丝材断裂）均匀分散于 PEEK 基体，通过双螺杆挤出机拉制成 φ1.75mm 丝材（纤维分散不均会导致打印件强度波动 ±15%）。

• 打印参数：

• 喷嘴温度：410-430℃（比 CF20 高 10-20℃，确保熔体流动）；

• 热床温度：170-190℃（减少层间应力，避免翘曲）；

• 打印速度：5-20mm/s（低于 CF20 的 10-30mm/s，确保层间充分结合）；

• 喷嘴材质：陶瓷或碳化钨喷嘴（耐磨性是钨钢的 2-3 倍，打印 100 小时后磨损量＜0.1mm）。

2. SLS 技术（选择性激光烧结）

• 粉末制备：PEEK 粉末（粒径 50-80μm）与碳纤维（长度 30-80μm）混合，通过机械球磨 + 超声分散确保团聚体＜150μm（CF20 允许＜200μm）。

• 烧结参数：

• 激光功率：220-250W（高于 CF20 的 180-220W，确保碳纤维周围 PEEK 充分熔融）；

• 成型舱温度：370-390℃（接近 PEEK 熔点 343℃，减少翘曲）；

• 扫描间距：0.05-0.1mm（比 CF20 小，提高致密度）。

3. 后处理：性能提升的关键

• 退火处理：打印后在 190-210℃保温 3-4 小时（CF20 为 2-4 小时），消除内应力（可使弯曲强度提升 20-25%）。

• 表面处理：通过喷砂（氧化铝砂，粒度 120-180 目）或金刚石抛光，降低表面粗糙度（Ra 从 8-15μm 降至 1-3μm），避免纤维外露导致的磨损加剧。

四、压缩成型：厚壁 / 高纤维部件的补充工艺

压缩成型适用于壁厚＞15mm 或因流动性差无法注塑的部件（如大型轴承座），核心是 “高温 + 高压” 确保熔体充满型腔。

工艺步骤

1. 预成型：将 PEEK-CF30 粉末或预浸料放入模具，手动铺展均匀（避免纤维堆积）；

2. 升温加压：模具温度升至390-410℃（PEEK 熔融），施加15-30MPa压力（高于 CF20 的 10-20MPa），保压 40-80 分钟（根据壁厚调整）；

3. 冷却脱模：在压力下缓慢冷却至 120℃以下（降温速率＜5℃/min），避免内应力开裂，脱模后进行退火处理（同机加工后处理）。

加工核心原则

1. 抗磨损优先：30% 碳纤维的高硬度对设备 / 刀具磨损极强，需选用超硬材料（如 ASP-60 模具钢、CBN 刀具），初期设备投入高但长期维护成本低。

2. 流动性补偿：通过 “更高温度（料筒 / 模具）+ 更大压力（注塑 / 压缩）” 弥补高纤维含量导致的低流动性，同时避免温度过高导致 PEEK 降解。

3. 热管理强化：材料导热性差，需通过高压冷却（机加工）、梯度降温（注塑 / 压缩）或保温（3D 打印）控制温度，避免局部过热。

PEEK-CF30 的加工成型是 “材料特性 - 设备能力 - 工艺参数” 的深度协同，需根据产品结构（复杂 / 简单）、批量（大 / 小）及精度要求选择合适方式，核心是在 “性能保留” 与 “加工可行性” 间找到平衡 —— 其加工难度虽高于 CF20，但能实现更优的力学性能和尺寸稳定性，适合极端工况下的核心部件。