復(fù)合材料加工技術(shù)分析

王莉

摘要：復(fù)合材料具有高強、耐磨性等特性，并已經(jīng)應(yīng)用于航空航天、電子電氣等諸多的領(lǐng)域。這也使得越來越多的學(xué)者開始研究復(fù)合材料加工工藝。他們做了很多關(guān)于復(fù)合材料刀具的材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計、切削機理等方面的研究，并都得到了很好的成果。在本文，筆者主要分析復(fù)合材料的加工技術(shù)，主要從加工方法、切削刀具、切削參數(shù)等角度解決復(fù)合材料加工技術(shù)的難點問題。

關(guān)鍵詞： 復(fù)合材料加工技術(shù)加工難點 材料切削 零件結(jié)構(gòu)工藝性差

中圖分類號TU5文獻標識碼A

1 前言

碳纖維復(fù)合材料尤其是高性能、耐高溫碳纖維復(fù)合材料因為它結(jié)構(gòu)的可設(shè)計性、優(yōu)良的性能、長壽命、減重等，在航空領(lǐng)域應(yīng)用的越來越廣泛。 加工復(fù)合材料是當前復(fù)材零件使用過程中周期比較長、成本比較高、風(fēng)險比較大的工序之一。 在我國構(gòu)建復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)鏈還存在相當大的缺失，相關(guān)的配套加工技術(shù)也不太成熟，在復(fù)合材料的加工技術(shù)研究方面所投入的人力物力也相對不夠，跟國外比較先進的機械切削加工技術(shù)研究相比有相當大的差距。正是因為復(fù)合材料在各方面日益廣泛的應(yīng)用，才使其加工工藝的研究受到越來越多的關(guān)注。

2 復(fù)合材料加工技術(shù)的分析

復(fù)合材料是一種多相材料，所謂多相是指兩種或者兩種以上的組織或者化學(xué)性能的材料，而復(fù)合材料就是將多相材料經(jīng)過各種加工方法加工而成。復(fù)合材料所含有的兩相為增強相與基體相。復(fù)合材料有兩種機械加工方法，即常規(guī)加工和特種加工兩種方法。常規(guī)加工工藝與金屬加工的方法相同，加工方法相對簡單，工藝相對較為成熟。然而，當加工復(fù)雜工件的時候會對切削刀具產(chǎn)生很大的磨損，而且其加工質(zhì)量較差而且切削過程中所產(chǎn)生的粉末會對人體產(chǎn)生很大的影響。特種加工工藝過程相對較易監(jiān)控，加工時切削刀具與被加工工件接觸量很小甚至為零，這對自動化加工非常有幫助。但因為復(fù)合材料自身的復(fù)雜性，特種加工的應(yīng)用受到限制，所以相對而言，常規(guī)加工應(yīng)用較多。

2.1 復(fù)合材料常規(guī)加工技術(shù)的研究

在復(fù)合材料加工初期，所采用的加工方法一般是金屬材料的加工方法。隨著復(fù)合材料的種類增多，加工過程當中出現(xiàn)了很多的問題，例如刀具磨損較快等，這就要求復(fù)合材料的加工技術(shù)面向多樣化。后來，國內(nèi)外很多的學(xué)者相繼提出了一些關(guān)于復(fù)合材料加工的方法，并在原有方法的基礎(chǔ)上提出了進一步改進復(fù)合材料切削工藝以及更新切削刀具等一系列的觀點。直至后來，Koplev進行了很多的實驗，認為復(fù)合材料切屑的形成其實就是其斷裂過程的發(fā)生，而這個觀點后來也得到很多人的認可。自此，很多學(xué)者開始把重點轉(zhuǎn)向切削刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計等。

2.2 復(fù)合材料特種加工技術(shù)研究

復(fù)合材料常規(guī)加工過程中會對切削刀具產(chǎn)生很大的磨損，而且其加工質(zhì)量較差而且切削過程中所產(chǎn)生的粉末會對人體產(chǎn)生很大的影響。此外，常規(guī)加工方法加工復(fù)雜工件也較為困難。而特種加工工藝過程相對較易監(jiān)控，加工時切削刀具與被加工工件接觸量很小甚至為零，有利于自動化加工，而且隨加工工件的切割面所產(chǎn)生的損傷很小，所以，被加工工件形變量會非常小。目前常用的復(fù)合材料特種加工方法主要有：超聲波加工以及電火花加工等等。

3復(fù)合材料加工難點分析

3.1材料切削性能差

復(fù)合材料在其密集處的脆性較大，所以切削較易崩裂，而在小分子區(qū)域，分子結(jié)合力很小，切削更易崩裂；而纖維密集處不容易被切斷，此時若切削刀具不夠鋒利而切削過程當中的切削進給量又過大，這樣，材料纖維極易被成片扯離而發(fā)生一系列的缺陷。復(fù)合材料強度較大，切削性能也很差，在切削過程中更易發(fā)生“起毛”和“扯離”。同時，在復(fù)合材料加工過程當中，刀具較易磨損而變鈍，這既會對被加工件的表面質(zhì)量及尺寸精度產(chǎn)生很大的影響，還會降低材料加工效率?？傊怯捎趶?fù)合材料本身的組成及其特性，而使其切削性能較差。

3.2零件結(jié)構(gòu)工藝性差

有很多零件都呈回轉(zhuǎn)體形狀，其主要是由柱、錐、曲面等所組成的，零件的主要的工作面大多是尖邊結(jié)構(gòu)，由單個圓孔或者錐孔等所形成，而這會嚴重影響復(fù)合材料的加工，而導(dǎo)致其在切削過程當中極易出現(xiàn)翻邊以及崩邊。

4 解決復(fù)合材料加工問題的措施

4.1改進毛坯結(jié)構(gòu)和模壓成型工藝

為了有利于材料加工，就要對結(jié)構(gòu)進行改進，主要方法就是減少直角邊，在臺階處要選擇光滑連接并且應(yīng)盡量減少尖角結(jié)構(gòu)。研究表明影響復(fù)合材料切削性能的一個很大的方面就是其組織的均勻性，此外，模壓過程當中的預(yù)浸料預(yù)烘環(huán)節(jié)的均勻性也是影響復(fù)合材料切削性能的一個主要因素。

4.2選擇合適的刀具與切削參數(shù)

由于復(fù)合材料本身的特性，在進行復(fù)合材料切削加工時所用的切削刀具硬度要高，同時還要滿足耐沖擊以及耐磨等條件。而硬質(zhì)合金作為一種能承受較大沖擊負荷的材料可以同時滿足上述條件。此外，人造金剛石以及立方氮化硼都是超硬的材料，所以可以用這三種材質(zhì)刀具進行切削，同時選擇合適的速度及進給切削參數(shù)。

4.3優(yōu)化加工方法

研究各種加工方法可以減少復(fù)合材料加工問題的發(fā)生，通過對復(fù)合材料進行各方面的分析研究，筆者總結(jié)出如下幾個方法：

（1）合理編排切削路徑。

在復(fù)合材料的加工過程當中，如果被加工件的切削部位受到很大的拉應(yīng)力會使其發(fā)生“翻邊”、 “崩邊”等現(xiàn)象。所以，在進行切削的時候要按“入體”的切削路徑進行切削。

（2）設(shè)置工藝槽，防止零件崩邊。

由于亂纖維復(fù)合材料在鉆頭的鋒利程度上受到限制，不適合采取普通的鉆孔方法進行加工通孔。但是可以用增加工藝槽的方法，這樣就可以有效地防止孔口崩邊現(xiàn)象的發(fā)生。

（3）采用粗、精加工。

對于亂纖維復(fù)合材料的模壓件不適合用大切深的方法進行加工。為有效防止以上問題的發(fā)生，應(yīng)該盡量增強刀具的耐用度，并盡量提升加工的效率，采用分粗、精加工的加工方法。

5 總結(jié)

通過分析復(fù)合材料加工技術(shù)，對復(fù)合材料加工技術(shù)也有了一定的了解。筆者認為在今后的研究當中應(yīng)該在下面幾個方向加以努力：

通過分析復(fù)合材料加工技術(shù)，對復(fù)合材料加工技術(shù)也有了一定的了解。筆者認為在今后的研究當中應(yīng)該在下面幾個方向加以努力：

（1）對切削力、復(fù)合材料的性能、切削熱溫度場的分布及產(chǎn)生原因進行深入的研究；

（2）對復(fù)合材料的加工刀具的材料、幾何參數(shù)進行研究；

（3）對復(fù)合材料的特種加工技術(shù)進行研究；

（4）通過研究復(fù)合材料的表面質(zhì)量的生成原因，建立一個可以綜合評價其表面質(zhì)量的統(tǒng)一的標準。

參考文獻

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[3] 程勇， 聶海平， 崔博. 復(fù)合材料機械加工技術(shù)研究[C]//第 17 屆全國復(fù)合材料學(xué)術(shù)會議 （復(fù)合材料制造技術(shù)與設(shè)備分論壇） 論文集. 2012.