探析纤维增强复合材料的机械加工技术

李俊孝

摘 要：目前，全世界各地对复合材料的研究越来越取得大的进展。所谓的复合材料，其实就是为了生活中或军事上人们的一些需要，以一种材料为基体，另一种材料为增强体，用科学的手段进行组合，所具有的特性可以互相取长补短。本文综述了纤维在增强复合材料上的应用，对复合材料的常规机械加工方法进行了较详细的论述，介绍了提高机械加工质量的有效措施。

关键词：纤维增强复合材料；机械加工技术

复合材料是由两种或两种以上性质不同的材料，通过工艺手段组合而成的。它的各个组成材料在性能上起到协同作用，得到较好的综合性能，是一类新型的工程材料。尽管复合材料技术发展迅速，而且也取得了不少研究成果，但大部分研究主要集中在材料成型和力学性能设计等方面，有关复合材料的二次加工等方面的研究则比较少，特别是有关加工工艺的研究更是处于起步阶段。随着复合材料应用的日益广泛，二次机械加工越来越多，机械加工所引起的问题也会越来越受到重视。

一、纤维在增强复合材料上的应用

聚合物纤维可广泛用于工程领域，但在相当多的使用条件下，其性能并不能完全满足要求，这给纤维增强复合材料的开发提供了空间。强度是纤维复合材料的重要评价指标之一。通常复合材料的结构、机械性能及热性能等可依据纤维添加量、纤维取向程度和长度的变化而改善。目前，优化复合材料的性能/重量比，提高制品强力、刚性与重量比，降低成本及加工过程对环境的冲击，改善可用性和安全性正成为复合材料技术进步的主流趋势。用作增强的纤维材料包括有机及无机纤维材料。除高性能聚合物纤维、玻璃纤维外，天然植物纤维也具有加工增强复合材料的鲜明特点。大量研究结果显示，环氧树脂/亚麻、木浆纤维/PE、剑麻/PE、黄麻/PE、棉纤维/PP、苎麻/PP、黄麻/PP、剑麻/PP、黄麻/PET等的研究和开发都取得了可喜进展。由于生物高分子技术的进步，目前已有可能制得生物聚合物复合材料。在种植、加工、制品成型及使用中，其明显低碳经济特征，具有引领转变生产模式、改变人们高碳消费倾向和碳偏好的可能，因而正形成产业用纺织品一个新的开发领域。

二、复合材料的常规机械加工方法

复合材料的常规机械加工方法简单、方便、工艺较为成熟，但加工质量不高，易损坏加工件，刀具磨损快，而且难以加工形状复杂的工件。

1.铣削、切割、车削和磨削。聚合物基复合材料用常规普通车床或台式车床就可方便地进行车削、镗削和切割。目前加工刀具常用高速钢、碳化钨和金刚石刀头。采用砂磨或磨削可加工出高精度的聚合物基复合材料零部件。最常用的是粒度为 30～240 的砂带或鼓式砂轮机。热塑性聚合物基复合材料用常规机械打磨时，要加冷却剂，以防磨料阻塞。磨削有两种机械可用，一种是湿法砂带磨床，另一种是干法或湿法研磨盘。使用碳化硅或氧化铝砂轮研磨时不要用流动冷却剂，以防工件变软。目前碳纤维增强复合材料磨削加工的研究比较少，且主要集中在对不同砂轮磨削性能的比较方面，需要促进磨削加工在碳纤维复合材料中的应用。热塑性树脂基复合材料可以用金属加工车床和铣床加工。高速钢刀具只要保持锋利，就能有效使用。金属基复合材料一般用切割、车削、铣削和磨削就可加工。对大多数金属基复合材料而言，获得优良机加工产品的前提是刀具要锋利、切削速度要适当、要供给充足冷却液或润滑剂和进给速度要快。

2. 锯切。玻璃纤维增强热固性基体层压板，采用手锯或圆锯切割。碳纤维增强复合材料采用金刚砂刀具切割加工工艺，切割效果好。切割工艺参数与碳纤维增强复合材料厚度有很大关系，进给量应与厚度成反比例。热塑性树脂基复合材料采用带锯和圆锯等常用工具时要加冷却剂。石墨/环氧复合材料最好用镶有硬质合金的刀具切割。金属基复合材料可用镶有金刚石的线锯锯切，不过切割速度较慢，且只能作直线锯切。采用金刚石砂轮对陶瓷基复合材料进行常规锯切，可有两种速度：一种是 250r/min，另一种是 4000r/min。这种锯切会使切割面的陶瓷基复合材料有相当大的损坏。

3. 钻孔和仿形铣。在复合材料上钻孔或作仿形铣时，大多数热固性复合材料层合板经钻孔和仿形铣后会产生收缩，因此精加工时要考虑一定的余量，即钻头或仿形铣刀尺寸要略大于孔径尺寸，并用碳化钨或金刚石钻头或仿形铣刀。钻孔时最好用垫板垫好，以免边缘分层和外层撕裂。另外钻头必须保持锋利，必须采用快速除去钻屑和使工件温升最小的工艺。由于碳纤维复合材料的性质与金属不同，因此在碳纤维增强复合材料的加工中不能简单地沿用金属材料的加工刀具和工艺，碳纤维增强复合材料钻削制孔方向是碳纤维增强复合材料的关键加工工艺之一。防止钻孔时出口端纤维分层，在结构开敞条件下，孔的出口面要用硬质高密度板支撑并垫实，这样能有效地防止孔出口分层和劈裂。

三、提高机械加工质量的措施

先进复合材料的历史较短，发展较快，尽管机械加工方面的理论研究尚未健全，但大量的应用研究已经先行一步，并取得了丰硕的成果。

新型刀具的研究是提高复合材料加工质量的重要手段。在实际生产中，由于复合材料对刀具磨损严重，高速钢钻头刃磨一次只能钻3～4个孔，如采用硬质合金钻头则可以钻100个孔左右，美国Carter Diamond Tool公司推出的新型高性能金刚石钻头，其寿命比硬质合金钻头高若干倍。根据我国研究，只有CBN和PCD等超硬刀具有较明显的效果。

高速切削对提高复合材料的加工质量具有明显的效果。从金属切削原理可知，在加工效率不变的前提下，提高切削速度可以减少进给量，进给量越低则切削力越小，加工表面的质量也就越高。这一规律同样适用于复合材料切削，当切削力小到不足以产生分层、撕裂、劈裂等各种缺陷时，即可获得高质量的加工表面。

相对于普通切削加工来说，振动切削具有切削力小、切削温度低、被加工表面质量高以及刀具耐用度高等优点，这些优点非常适合于复合材料的切削加工，在其他工艺参数不变的情况下，超声振动切削的分层破坏比普通切削减少近1/3。除振动切削以外，切削领域的各种新加工技术非常值得关注。

四、结语

纤维增强复合材料切削技术的研究刚刚起步，还是一个新的领域，有许多问题值得进一步深入研究。随着复合材料应用的日益广泛和各种加工技术的不断发展，我们相信纤维增强复合材料的加工技术也会随之不断进步。复合材料特种加工具有常规机械加工方法无法比拟的优点，具有加工质量高、能加工复杂形状的工件、容易监控和经济效益高等优点，是复合材料机械加工未来发展的主要方向。

参考文献：

[1] 李志强.纤维增强复合材料机械加工技术.航空制造技术，2003，（12）：34-37.

[2] 裘镜蓉.复合材料特种加工现状及其发展趋势.航天情报研究报告，HQ-B91054：917-924.