關(guān)于復(fù)合材料加工技術(shù)的探析

陳建平,張旭剛

（貴州航天天馬機(jī)電科技有限公司,貴州遵義,563000）

1 復(fù)合材料常規(guī)加工技術(shù)分析

自從出現(xiàn)復(fù)合材料之后，則是將金屬材料切削工藝與加工刀具基本上沿用，而在加工環(huán)節(jié)當(dāng)中出現(xiàn)的快速磨損刀具等問題，則是復(fù)合材料加工技術(shù)面臨的新的挑戰(zhàn)。國內(nèi)外學(xué)術(shù)界在二十世紀(jì)七十年代之后相繼發(fā)表部分針對復(fù)合材料加工的課題，提出相應(yīng)的切削工藝改進(jìn)與刀具更新的觀點(diǎn)。在這之后，Koplev立足于大量研究實(shí)驗(yàn)提出切削形成復(fù)合材料這也就是斷裂材料的理論，而這也讓這一領(lǐng)域當(dāng)中的相當(dāng)多的學(xué)者對其認(rèn)同。正是在這樣的理論指導(dǎo)下，使得之后特別多的學(xué)生將研究方向轉(zhuǎn)向切削的道具結(jié)構(gòu)、切削熱、切削力等領(lǐng)域。

一是切削力。由于增強(qiáng)纖維這是復(fù)合材料加工切削當(dāng)中的主要磨損要素，在實(shí)施切削過程當(dāng)中，復(fù)合材料當(dāng)中的基體其主要再說向纖維傳遞切削力，使得制品出現(xiàn)分層、內(nèi)部脫粘、纖維松動等問題，將復(fù)合材料制品力學(xué)性能降低，表面存在比較差的粗糙度。國內(nèi)外學(xué)者按照復(fù)合材料特性，借助于充分的實(shí)驗(yàn)研究提出針對切削力性質(zhì)模型。Hocheng與Puw按照纖維增強(qiáng)復(fù)合材料骯臟存在熱學(xué)與機(jī)械這兩種不同的兩相材料特征，提出進(jìn)行復(fù)合材料切削力實(shí)施相應(yīng)預(yù)測的機(jī)械學(xué)模型，還對于表面粗糙度、切削力、切邊受到纖維方向的影響做出分析，并且對纖維磨削方向進(jìn)行推薦。日本大阪大學(xué)的花其申作等人借助于CFRP切削實(shí)驗(yàn)，那么就可以了解到在切削方向和碳纖維處于哪種角度，切斷纖維的原因則是屬于刀具前進(jìn)使得垂直在纖維自身軸線的剪切應(yīng)力已經(jīng)高于剪切強(qiáng)度極限。北京航空航天大學(xué)陳鼎昌等人經(jīng)過多年的研究碳纖維復(fù)合材料鉆削工藝，按照單向CFRP對于鉆削力的理論模型初步建立起來。還在此基礎(chǔ)上進(jìn)行切削力和纖維角相互之間的關(guān)系實(shí)施分析，從所實(shí)施的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，這可以將切削力受到纖維方向的影響進(jìn)行了驗(yàn)證，提出出口處分層缺陷過程模型與檢驗(yàn)方法。而在以上的研究成果則是立足于不同角度進(jìn)行切削力和纖維方向相互之間關(guān)系作出了研究，通過切削過程纖維破壞模型的建立，往往能夠?yàn)閺?fù)合材料加工提供相應(yīng)的指導(dǎo)，可是這些理論尚未可以將各種類型復(fù)合材料切削特性進(jìn)行解釋，因此通用性比較差。

二是切削熱。從一方面上來看，這也就是指剪切基體與斷裂纖維消耗的功，另外的就是切屑摩擦前刀面、已加工面、后刀面消耗的功。復(fù)合材料往往存在比較差的導(dǎo)熱性能，切屑過程導(dǎo)致的切屑往往主要是向工件與刀具進(jìn)行傳向，使得快速磨損刀具，從而對表面粗糙度造成影響，甚至在一定程度上會對復(fù)合材料工件性能造成損傷。針對這樣的情況，怎樣將切削熱溫度場分布實(shí)施測量這是重點(diǎn)研究方向。國內(nèi)的學(xué)者相繼實(shí)施熱像儀、人工熱點(diǎn)、紅外測溫儀等手段來進(jìn)行復(fù)合材料鉆削過程切削熱的測試。如今研究切削熱還必須做到更為深入細(xì)致，按照復(fù)合材料切削熱所擁有的規(guī)律建立起相應(yīng)的模型，以便可以將數(shù)據(jù)依據(jù)提供給刀具結(jié)構(gòu)改進(jìn)與加工參數(shù)完善。

三是切削刀具材料與結(jié)構(gòu)。聚合物復(fù)合材料其特征是導(dǎo)熱性比較差、硬度大與耐磨性好，實(shí)施相應(yīng)的切削環(huán)節(jié)，切削熱其作用下往往會快速磨損普通常規(guī)材料刀具，這樣就會導(dǎo)致復(fù)合材料構(gòu)建切削全過程比較難完成，這就提出新的挑戰(zhàn)給選材與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)合材料切削刀具。從不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在進(jìn)行玻璃纖維加工增強(qiáng)復(fù)合材料，必須選取碳化物刀具與高速鋼刀具，在進(jìn)行纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的加工過程中，往往選取的是PCD刀具或者硬質(zhì)合金刀具。刀具往往會比較深遠(yuǎn)的影響復(fù)合材料切削加工質(zhì)量，從當(dāng)前的情況來看尚未形成統(tǒng)一刀具標(biāo)準(zhǔn)，這就必須在未來研究工作當(dāng)中，按照纖維復(fù)合材料不同實(shí)施不同切削刀具材料與結(jié)構(gòu)參數(shù)規(guī)范，從而就可以將復(fù)合材料加工工藝進(jìn)行完善。

2 復(fù)合材料特種加工技術(shù)分析

一是激光束加工。激光加工則是立足于強(qiáng)熱源，這可以進(jìn)行材料的局部氣化，其留存下來的高熱影響區(qū)比較小。激光加工過程當(dāng)中可以會聚的光束是能量超過108w/cm2與直徑是0.1mm，能夠?qū)嵤└鞣N材料的切割。激光切割其特點(diǎn)就是速度快、切縫小，可以將原材料大量節(jié)省與能夠沿著所有方向切割存儲各種復(fù)雜形狀。

二是高壓水切割與高壓水磨砂切割。高壓水切割其所具備的原理就是高壓水通過小孔向材料噴嘴射向，借助于動能向壓力轉(zhuǎn)化，從而能夠切割材料斷裂面。這樣的方法會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)完整性與切口質(zhì)量比常規(guī)機(jī)械切割更優(yōu)，并且并不會出現(xiàn)切屑粉末飛揚(yáng)。這樣的技術(shù)如今已經(jīng)在航天與別 工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。能夠切割硼纖維/環(huán)氧、有機(jī)纖維/環(huán)氧、碳纖維/環(huán)氧,玻璃纖維/環(huán)氧等大量金屬基與非金屬基復(fù)合材料實(shí)施。

三是電火花加工。由于電火花加工這樣的方法 立足于電火花侵蝕，在介電材料隔開的電極和工件兩者之間加入一電壓，如果加電壓能夠擊穿介質(zhì)的時(shí)候也就是會出現(xiàn)電火花產(chǎn)生，產(chǎn)生的電火花其局部溫度能夠達(dá)到一萬兩千攝氏度，這可以將材料氣化或者熔融，就會有一個(gè)小火口在工件表面形成。這樣的辦法主要是適合在切割加工均勻?qū)щ姴牧?。其?yōu)點(diǎn)就是并不會出現(xiàn)裂紋在工件當(dāng)中，從而能夠?qū)⑵谥聯(lián)p減少，而且加工表面皿粗糙度比25μm?？墒请娀鸹庸ね矔殡S著工具磨損太快，應(yīng)用比較少，加工成本比較高。

四是超聲波加工。這樣的加工方法其主要是通過工件的表面在高速磨砂粒子撞擊，超聲波振子導(dǎo)致有關(guān)工具出現(xiàn)高頻與小振幅直線振動，其使用的磨砂粒子絕大多數(shù)是屬于Al2O3，氧化硼或者別的類似材料。超聲波加工比較合適在脆而硬的材料上的開槽與打孔。

除此之外，特種加工方法另外還有電光學(xué)加工法、電子束加工法等，這些都會具備相應(yīng) 適宜條件與優(yōu)點(diǎn)，可是受到自身缺點(diǎn)與局限性的影響尚未實(shí)施廣泛應(yīng)用超聲波加工。

3 結(jié)語

總而言之，根據(jù)對各種復(fù)合材料的加工方法進(jìn)程研究，其往往存在經(jīng)濟(jì)效益高、監(jiān)控比較容易等優(yōu)點(diǎn)，可是都面臨著自身局限與不足。伴隨著高速發(fā)展的科學(xué)技術(shù)，這樣肯定會相應(yīng)的完善復(fù)合材料加工技術(shù)，以便能夠?qū)⑵浒l(fā)展成未來復(fù)合材料加工的主流。

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