碳纖維復合材料的加工技術探析

王兆慧

摘 要 碳纖維增強樹脂基復合材料是一種新型的復合材料，具有良好的性能，廣泛應用于航天航空等領域。但由于其復雜的組成結構，其屬于難加工材料。如果加工方式選擇不當，則容易造成工件尺寸偏差和表觀質量不合格。因此，本文對碳纖維復合材料的加工技術進行了探析，闡述了復合材料機械加工的機理與特點，介紹了高壓磨料水射流、激光束加工兩種特種加工方法，其具有常規(guī)機械方法無法比擬的優(yōu)點。

關鍵詞 碳纖維增強樹脂基復合材料；機械加工；高壓磨料水射流；激光束

ABSTRACT Carbon fiber reinforced composities material is a new type of composite material with good performance and is widely used in aerospace and other fields. However， it is a difficult material to machine due to its complex composition. If the processing method is not selected properly， it is easy to cause the workpiece size deviation and apparent quality to be unqualified. Therefore， this paper analyzes the processing technology of carbon fiber composite materials， expounds the mechanism and characteristics of composite material machining， and introduces two special processing methods of high-pressure abrasive water jet and laser beam processing， which have the advantages that conventional mechanical methods cannot match.

KEYWORDS carbon fiber reinforced composites; machining; high-pressure abrasive water jet; laser beam

1 引言

碳纖維增強樹脂基復合材料[1]（CFRP）是以碳纖維為增強體、聚合物樹脂為基體的功能性材料，具有輕質、高比強、高比模、耐腐蝕、抗疲勞、材料性能可設計等優(yōu)點[2]，廣泛應用于航天、航空、汽車等領域[3]。隨著碳纖維復合材料在實際應用中的不斷深入，對其進行研究的力度也在逐漸增強，出現(xiàn)了很多高性能的的新型材料，如耐高溫、耐燒蝕材料[4-6]，但對碳纖維增強樹脂基復合材料機械加工技術的研究相對較少。所以，加大對碳纖維復合材料加工技術的探索與分析，具有一定的意義。尤其是特種加工技術，它具有常規(guī)機械方法無法比擬的優(yōu)點。

2 碳纖維復合材料加工技術

CFRP零部件加工技術主要有機械加工和特種加工，本文闡述了以下加工技術的特點、切削機理，并對該種技術的優(yōu)缺點進行總結歸納，提出 CFRP切削加工面臨的問題。

2.1 CFRP的機械加工

機械加工是使用機床、刀具等設備對CFRP零部件進行精加工，根據(jù)零部件的尺寸精度和裝配工藝等要求選擇合適的刀具、加工參數(shù)和切削方法，如車削、銑削、鉆孔、磨削等。機械加工的工藝流程一般分為六步，分別為機床準備、加工零部件固定（裝夾）、刀具安裝、工藝參數(shù)設置、粗加工和精加工。機械加工具有工藝設備簡單（與金屬加工設備基本相同）、加工成本低、適用性強等優(yōu)點[7]，但由于CFRP材料具有高強度、高硬度、導熱性較差、各向異性等特點，使其在機械加工過程中容易出現(xiàn)以下現(xiàn)象[8-10]。

（1）材料產(chǎn)生分層破壞

分層是復合材料鋪層之間由于存在過高的應力導致脫膠而產(chǎn)生的一種破壞現(xiàn)象。CFRP具有非均勻性、層間結合強度較低的特點，連續(xù)的纖維容易在受刀具切削的過程中，偏離當前層平面，進而導致各個材料層之間產(chǎn)生應力作用，從而引起CFRP零部件內部出現(xiàn)分層。同時當切削參數(shù)（進給量、主軸轉速等）不合理時，會使材料層間受到額外的剪切力與層間應力作用，導致零部件加工區(qū)域周圍形成分層，如圖1所示。分層會降低材料的性能甚至使零部件報廢，即使是很小的分層也是非常嚴重的缺陷。

（2）加工刀具磨損嚴重

CFRP切削過程是一個碳纖維斷裂和樹脂基體破壞相同時進行的復雜過程。在此過程中，刀具會與復合材料長時間的摩擦，這會使刀具刃口鈍化。同時刀具所處于的工作環(huán)境非常糟糕，不僅它的工作空間非常狹小，而且環(huán)境內部溫度也很高，進而產(chǎn)生的切削熱集中于刀尖、刀刃，更加影響刀具的壽命。而且當?shù)毒吲c材料摩擦后，會產(chǎn)生大量的粉末，這些粉末又會對刀具產(chǎn)生一定的影響。并且在切削過程中，還會出現(xiàn)碳纖維回彈的問題，加重了刀具的磨損，降低刀具的壽命。

（3）產(chǎn)生殘余應力

在碳纖維增強復合材料中，主要有兩部分組成，一種為碳纖維，另一種為基體樹脂，兩部分無論在物理性質還是化學性質都有著較大的差異，最為突出的是膨脹系數(shù)。而材料的機械加工是伴隨著大量的熱量產(chǎn)生，導致加工端面溫度很高，使材料發(fā)生熱膨脹，由于兩個組分膨脹系數(shù)不同，致使材料層間存在著熱應力，這也是產(chǎn)生殘余應力的原因之一；同時，由于復合材料還呈現(xiàn)各項異性，層間強度很低，切削時在切削力的作用下容易產(chǎn)生分層、撕裂等缺陷[11]，進而產(chǎn)生殘余應力。鉆孔時表現(xiàn)的尤為明顯，加工質量難以保證，尺寸精度和表面粗糙度都很難合格。

2.1.1 CFRP機械加工去除機理

CFRP材料的機械加工過程中主要去除形式為CFRP受到切削刀具的擠壓、剪切、彎曲和拉伸后直接發(fā)生脆性斷裂而形成切屑[12，13]。CFRP的切削除受到材料屬性的影響外，還受到碳纖維取向分布的影響，不同纖維取向下，纖維所受的力不同，其切除機理也有較大的不同。以一束碳纖維的切削受力模型分析切削去除機理，如圖2所示。圖中θ為一束碳纖維與加工方向的夾角，即纖維的方向；Fr為切削力；Fτ為切削力沿垂直纖維軸向的分力；Fб為切削力沿纖維軸向的分力；Mб為纖維所受的彎曲應力。

當θ=0°/180°時，刀具切削方向與纖維平行并形成抽向擠壓應力，CFRP切削部分發(fā)生層間分離使纖維被掀起，在彎曲應力與壓縮應力共同作用下發(fā)生纖維脆性斷裂并形成切屑；當θ=90°/270°時，切削方向與纖維軸向垂直，切削力Fr與纖維軸向垂直，形成沿垂直纖維軸向的剪切應力Fτ。在剪切應力Fτ作用下，樹脂基體由于強度低容易發(fā)生破裂。樹脂基體破裂后，碳纖維成為承載主體，剪切應力對碳纖維形成剪切作用，在剪切作用下碳纖維發(fā)生脆性剪切斷裂；當0°＜θ≤45°時，切削力Fr可分解為沿纖維軸向的拉伸應力Fб和垂直纖維軸向的剪切應力Fτ，在拉伸應力Fб和剪切應力Fτ作用下，纖維受到拉伸和壓縮作用而發(fā)生脆性斷裂。隨著θ的增大，纖維所受的剪切作用越明顯；當135°＜θ≤180°時，切削力巧可分解為沿纖維軸向的壓縮應力Fб和垂直纖維軸向的剪切應力Fτ，同時，切削部位在刀具推擠力作用下發(fā)生彎曲，產(chǎn)生彎曲應力Mб。在這幾個力的綜合作用下，纖維發(fā)生脆性斷裂。

2.2 CFRP的特種加工

CFRP材料的特種加工方法主要有高壓磨料水射流、激光束加工等，特種加工方法解決了傳統(tǒng)機械加工方法由于刀具磨損與切削力熱引發(fā)的加工精度、表面質量與生產(chǎn)環(huán)境差等問題，在CFRP材料加工中，得到了極大的應用。

2.2.1 高壓磨料水射流加工

使用高壓磨料水射流法能夠克服傳統(tǒng)機械加工的部分缺點，對復合材料樣品的厚度幾乎沒有限制，且加工阻力較小，不易出現(xiàn)分層和撕裂損傷。其原理為介質水通過水泵，將機械能轉變?yōu)樗膲毫δ?，再通過噴嘴小孔將水高速噴出，形成高能射流，使水的壓力轉變成動能而完成材料切割的一種方式。當水射流沖擊被切割工件時，動能又重新變成作用于材料上的壓力能。若壓力能超過材料破壞強度，即可切斷材料。為提高加工效率和質量，在水介質中加入一定比例的磨料，如金剛石、石英砂等，利用磨料的高硬度、尖銳頂角，提高水流的切割和破碎能力，如圖3所示[14]。

高壓磨料水射流法在加工時通過調整噴射壓力、進給速度、切割靶距和磨料流量等主要加工參數(shù)來控制工件的質量。（1）噴射壓力小時，高壓水與磨料組成的二相流體沖擊力不足、切割能力弱；當噴射壓力過大時，磨料粒子流量不變、間隙增大，會降低切割能力。（2）對于進給速度而言，其主要影響二相流體作用于CFRP工件的時間及切割深度。當進給速度小或過大時，都會造成材料的分層。（3）切割靶距變化會導致二相流體位置改變，高壓水射流技術加工能力主要源于磨料的磨削作用，切割靶距影響了磨料粒子在水介質中的過程進而影響其速度與動能。（4）磨料流量影響二相流體的切割能力。二相流體的磨料比例小、間隙大，二相流與CFRP相互作用能力弱、切割效果差；磨料流量過高會使二相流體切割能力減弱，單位時間內的流體總動能一定，磨料粒子數(shù)量增多，單個粒子動能下降，切割能力下降。

高壓磨料水射流加工的優(yōu)點主要包括[15]：

①冷態(tài)切割，對CFRP無熱影響或熱變形；

②點能源切割，可切割任何形狀復雜的工件，而且可以從任何一點開始切割，全方位自由工作；

③切縫小，切口質量高，可根據(jù)不同的需要進行粗切或精切；

④濕法切割，無粉塵、火花、煙霧、氣味、熱氣等不良現(xiàn)象，工作環(huán)境好。

2.2.2 激光束加工

激光束加工作為一種成熟的熱加工工藝，已經(jīng)成功應用到CFRP加工中。其原理為由激光器所發(fā)出的水平光束經(jīng)透鏡聚焦，在聚焦處聚成一極小光斑，使材料很快被加熱至氣化溫度，蒸發(fā)形成孔洞，隨著光束的移動，并配合輔助氣體吹走熔化廢渣，使孔洞連續(xù)形成寬度很窄的切縫，完成對材料的切割，如圖4所示[16]。

激光束加工的優(yōu)點有：

①過程中無需裝夾加工工具，可實現(xiàn)非接觸式加工，減少了因接觸應力而對復合材料帶來的不必要損傷；

②聚焦的高能激光束作用于材料局部區(qū)域的能量達108 J/cm2以上，使工件材料瞬間熔化蒸發(fā)，實現(xiàn)高效率加工；

③由于聚焦光斑小，其熱影響區(qū)小，可以達到精密加工的要求[17]。

但激光束加工在切割CFRP時，會有一系列熱損傷問題，如熱應力、微裂紋等，其常常與其他加工方式組合形成復合加工。激光復合加工技術包括激光輔助切削技術、激光水射流復合切割技術等新型特種加工方式。

3 結語

綜上所述，對比以上幾種不同加工技術，如表1所示。

（1）機械加工技術的優(yōu)勢主要在于其設備簡單，成本低，適用性強；不足之處是由于CFRP材料各向異性，精加工CFRP時易產(chǎn)生切削力大、局部過熱的問題，導致工件材料分層、起毛等缺陷，整體精度與表面粗造度較差。

（2）高壓磨料水射流技術優(yōu)勢主要在于加工效率高、工作環(huán)境好、切口質量優(yōu)，整體CFRP工件加工尺寸精度和表面質量較高；不足之處是國內對高壓磨料水射流技術的加工機理、工藝參數(shù)對加工質量影響的研究較少，理論體系不完善。

（3）激光加工技術優(yōu)勢主要在于無接觸式加工，沒有切削力、無刀具損耗、加工效率較高、熱效應影響范圍較??；不足之處是國內對激光束加工機理、工藝參數(shù)對加工質量影響等應用研究少，尚處于起步階段。

隨著CFRP產(chǎn)品應用領域逐漸擴大，裝配精度要求不斷提高，國內外專家學者對CFRP加工設備、加工機理、工藝參數(shù)及加工質量規(guī)律進行總結，并在新型特種加工技術等方面開展創(chuàng)新研究，以滿足未來在高端領域對CFRP產(chǎn)品表面質量與精度的高要求。

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