碳纖維復(fù)合材料加工技術(shù)與發(fā)展趨勢

劉熠崟

摘要：碳纖維復(fù)合材料具有良好的力學(xué)與濕熱性能，因此被廣泛應(yīng)用于各類產(chǎn)品中。同時(shí)，該材料因其非均質(zhì)性及各向異性，一直是典型的難加工材料。文章匯總了近年來對碳纖維復(fù)合材料加工技術(shù)的研究，總結(jié)出減少切削及鉆削加工缺陷的工藝條件。此外，文章還介紹了新加工技術(shù)的研究成果，并展望了未來的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：碳纖維復(fù)合材料 切削 制孔 加工缺陷 加工新技術(shù)

碳纖維復(fù)合材料一般為樹脂與增強(qiáng)體組成的非均質(zhì)、具有各向異性的材料。不同于金屬材料的加工，碳纖維復(fù)合材料在加工過程中易造成界面分層、纖維斷絲等缺陷，從而影響工件精度與表面質(zhì)量。目前的加工方式有機(jī)械加工、激光切割、高壓水切割等，其中激光切割和高壓水切割方法更為先進(jìn)，可有效改善工件質(zhì)量，但這兩種方法成本較高，具體工藝參數(shù)也有待進(jìn)一步探索。機(jī)械加工易造成分層、變形、毛刺、撕裂、表面粗糙及刀具磨損嚴(yán)重等問題【1-2】，但因其成本低仍被各行業(yè)廣泛使用，并有大量研究者從原理、切割路徑、工藝參數(shù)、刀具等方面尋找提高機(jī)械加工質(zhì)量的方法。

1 碳纖維復(fù)合材料切削技術(shù)

切削可通過切屑、表面粗糙度、分層、毛刺、塑性變形、刀具磨損程度來評價(jià)分析，切削方向，前角大小，刀具類型等都會(huì)對切削效果產(chǎn)生影響【3-4】。

由于碳纖維復(fù)合材料具有各向異性，研究者將切削方向與纖維方向所組成的角稱為纖維方向角θ，并通過一系列正交試驗(yàn)來研究θ對切削加工的影響。根據(jù)Ahmad等【5】研究，當(dāng)θ=0°或180°時(shí)，刀沿纖維方向切割，復(fù)合材料易發(fā)生分層，纖維翹起后易發(fā)生斷裂，因此產(chǎn)生的切屑通常較長，但加工表面比θ=45°或θ=135°時(shí)更光滑。當(dāng)θ=45°時(shí)，復(fù)合材料受到壓力及剪切力，從而產(chǎn)生層間斷裂。此外，在受到壓力時(shí)，微小的裂紋會(huì)出現(xiàn)在工件兩側(cè)表面，因此造成工件表面質(zhì)量較差。當(dāng)θ=90°時(shí)，纖維橫截面方向受力導(dǎo)致纖維斷裂，產(chǎn)生切屑，同時(shí)該角度切割時(shí)刀具磨損程度較高。當(dāng)θ=135°時(shí)，復(fù)合材料易產(chǎn)生分層及彎曲現(xiàn)象，通?？梢杂^察到因材料彈性變形而導(dǎo)致的工件厚度增加。此外，龔佑宏等【6】研究發(fā)現(xiàn)，θ=0°或180°時(shí)切削力最大，θ=45°時(shí)次之，θ=135°切削力小于θ=45°，θ=90°時(shí)切削力最小。由于纖維主要是縱向加強(qiáng)，因此θ=90°時(shí)，纖維橫截面斷裂瞬間的最大切削力小于θ=0°時(shí)纖維斷裂瞬間的最大切削力。有很多學(xué)者研究切屑及切削力在纖維方向角變化過程中的分布規(guī)律，但目前還未有學(xué)界統(tǒng)一認(rèn)可的規(guī)律，因此碳纖維復(fù)合材料各向異性對加工的影響還有待進(jìn)一步研究。

除纖維方向角外，F(xiàn).Wang等研究【7】表明前角（γ）、刀刃半徑（r）對切屑形成也有很大影響。前角越大，對碳纖維復(fù)合材料的壓力越大，更容易出現(xiàn)像θ=45°時(shí)產(chǎn)生的切削問題，并且切屑會(huì)變得更短。刀刃半徑越大，越容易造成復(fù)合材料彎曲變形，纖維毛刺變多，工件表面不平整【8】。

綜上所述，切削時(shí)應(yīng)盡量控制纖維方向角θ介于0°到90°之間，從而獲得較好的表面質(zhì)量，同時(shí)減少刀具磨損;前角γ盡量大于0°，減少對碳纖維復(fù)合材料的壓力;刀刃半徑越小越好，減少碳纖維復(fù)合材料的彎曲變形。

2 碳纖維復(fù)合材料鉆削技術(shù)

鉆削是工件制孔常用的技術(shù)，制孔質(zhì)量與軸向鉆削力，工藝參數(shù)、鉆頭形狀及鉆頭材料等有關(guān)【9】。

軸向鉆削力大小與制孔過程中產(chǎn)生的缺陷相關(guān)，孟慶勛等【10】對鉆頭在復(fù)合材料內(nèi)部旋轉(zhuǎn)期間產(chǎn)生的力進(jìn)行微元?jiǎng)澐郑⒔⑤S向力模型來表明鉆頭在任意狀態(tài)與軸向力的關(guān)系。試驗(yàn)定義纖維方向角為纖維與鉆頭鉆削點(diǎn)切面之間的夾角，當(dāng)θ=0°或180°時(shí)，軸向力達(dá)到最小，孔壁質(zhì)量最好。當(dāng)θ介于0°至80°之間以及180°至260°之間，孔壁質(zhì)量較差。研究同時(shí)表明，當(dāng)鉆孔數(shù)量增加時(shí)，刀刃半徑變大，軸向力急劇增加。

工藝參數(shù)對鉆削加工也有重要影響。加工工藝參數(shù)不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致鉆削溫度升高，從而對材料造成一定的破壞。研究表明，鉆削溫度與主軸轉(zhuǎn)速成正比，與給進(jìn)速度成反比，并且與纖維方向角有關(guān)，當(dāng)θ=90°時(shí)，鉆削溫度達(dá)到最高【11】。加工工藝參數(shù)不僅影響鉆削溫度，也可能造成撕裂、孔壁質(zhì)量差等缺陷。碳纖維復(fù)合材料撕裂長短與與主軸轉(zhuǎn)速成反比，與給進(jìn)速度成正比?？妆谫|(zhì)量隨主軸轉(zhuǎn)速的增加先增加后減少;當(dāng)給進(jìn)速度f<0.1mm/r時(shí)，孔壁質(zhì)量與給進(jìn)速度成正比，當(dāng)給進(jìn)速度f>0.1mm/r時(shí)，兩者相關(guān)性不明顯【12】。因此應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置給進(jìn)速度、主軸轉(zhuǎn)速，使工件滿足質(zhì)量要求。

此外，鉆頭形狀也會(huì)影響制孔質(zhì)量。使用不同鉆尖角的麻花鉆對碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行加工，鉆尖角增大，孔出口分層現(xiàn)象會(huì)增多，但是孔進(jìn)口處的分層會(huì)減少。Feito等【13】認(rèn)為鉆尖角在90°至108°時(shí)，分層現(xiàn)象最少。除了鉆頭形狀，鉆頭材料也可以改善制孔過程中產(chǎn)生的缺陷。Ameur等【14】研究發(fā)現(xiàn)，TiN涂層的鉆頭可減小軸向力，改善孔表面質(zhì)量。Iliescu等【15】發(fā)現(xiàn)鉆石涂層鉆頭的使用壽命是普通鉆頭的10～12倍，并且可以減少分層。因此，他們建議使用鉆石涂層的麻花鉆，同時(shí)鉆尖角應(yīng)為為125°至130°，螺旋角為35°至40°，后角為10°至25°，使得碳纖維復(fù)合材料在鉆削時(shí)分層現(xiàn)象最少。Ferreira等【16】對比了陶瓷，金剛石，立方氮化硼涂層的鉆頭，發(fā)現(xiàn)金剛石涂層的鉆頭對制孔質(zhì)量改善明顯。Hrechuk等【17】也通過試驗(yàn)表明PCD涂層的鉆頭耐磨損性能好，甚至優(yōu)于鉆石涂層鉆頭。

綜上所述，鉆削制孔時(shí)可采用PCD涂層麻花鉆，鉆尖角在120°左右;鉆削時(shí)根據(jù)實(shí)際情況控制合適的主軸轉(zhuǎn)速、給進(jìn)速度，并使纖維方向角θ介于0°至80°，以改善制孔質(zhì)量。

3 發(fā)展趨勢

因此隨著制造技術(shù)的發(fā)展，可研究使用不同刃數(shù)或材料的刀具、不同加工路徑對機(jī)械加工的影響。H.Li等【18】通過研究證實(shí)了采用多重路徑的切削過程優(yōu)于僅采用單路徑的切削，采用多重路徑后，纖維斷裂長度、纖維斷絲深度、界面分層深度分別改善40%、63%、25%。Biruk-Urban，K.等【19】研究了刀刃數(shù)對精加工的影響，表明14刃刀比2刃刀對復(fù)合材料的摩擦力更小，切削力更小，尤其當(dāng)切割速度高于160m/min時(shí)，摩擦力降低明顯，得到的工件表面也更為光滑。

除了切削、鉆削等傳統(tǒng)機(jī)械加工方法的研究改進(jìn)，對激光加工、高壓水切割的改進(jìn)研究也將成為未來的趨勢。激光加工過程幾乎不會(huì)產(chǎn)生纖維斷絲，也不會(huì)造成刀具損傷，但容易造成錐化與樹脂基體熱損傷。P.Wang等【20】研究了激光誘導(dǎo)等離子體微鉆孔技術(shù)，結(jié)果表明該技術(shù)相比激光加工，可減少樹脂的熱損傷，同時(shí)縮小孔上下面直徑差值24%～32%，減少32%～47%錐化，使孔壁更光滑。魏同學(xué)等【21】將數(shù)控超高壓水切割應(yīng)用于碳纖維復(fù)合材料，證明該法在加工尺寸精度與表面平整度方面均優(yōu)于機(jī)械加工。另外，國外對自動(dòng)加工設(shè)備研究已有幾十年歷史，但國內(nèi)起步較晚，仍有很大研究空間。姚艷斌等【22】設(shè)計(jì)了自動(dòng)制孔控制系統(tǒng)。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，智能加工設(shè)備的研究應(yīng)用也將成為一大趨勢。

4 結(jié)術(shù)語

碳纖維復(fù)合材料加工需要考慮非均質(zhì)性與各向異性，因此如何改善加工質(zhì)量，滿足制件要求一直以來是學(xué)者們的研究重點(diǎn)。根據(jù)目前大量的研究報(bào)道，機(jī)械加工時(shí)，可通過控制纖維取樣角與前角、優(yōu)化加工路徑與工藝參數(shù)、選擇不同直徑與材料的刀具等方式來改善加工過程中形成的各類缺陷。基于激光加工、高壓水切割加工的探索也逐漸增多，有研究表明這兩種加工技術(shù)效率更高，可以帶來更好的加工效果。此外，也有學(xué)者研究人工智能在復(fù)合材料加工領(lǐng)域的應(yīng)用。隨著未來技術(shù)的發(fā)展，非傳統(tǒng)的加工技術(shù)有望逐步應(yīng)用于各行業(yè)。

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