复合材料加工技术分析

王莉

摘要：复合材料具有高强、耐磨性等特性，并已经应用于航空航天、电子电气等诸多的领域。这也使得越来越多的学者开始研究复合材料加工工艺。他们做了很多关于复合材料刀具的材料和结构设计、切削机理等方面的研究，并都得到了很好的成果。在本文，笔者主要分析复合材料的加工技术，主要从加工方法、切削刀具、切削参数等角度解决复合材料加工技术的难点问题。

关键词： 复合材料加工技术加工难点 材料切削 零件结构工艺性差

中图分类号TU5文献标识码A

1 前言

碳纤维复合材料尤其是高性能、耐高温碳纤维复合材料因为它结构的可设计性、优良的性能、长寿命、减重等，在航空领域应用的越来越广泛。 加工复合材料是当前复材零件使用过程中周期比较长、成本比较高、风险比较大的工序之一。 在我国构建复合材料产业链还存在相当大的缺失，相关的配套加工技术也不太成熟，在复合材料的加工技术研究方面所投入的人力物力也相对不够，跟国外比较先进的机械切削加工技术研究相比有相当大的差距。正是因为复合材料在各方面日益广泛的应用，才使其加工工艺的研究受到越来越多的关注。

2 复合材料加工技术的分析

复合材料是一种多相材料，所谓多相是指两种或者两种以上的组织或者化学性能的材料，而复合材料就是将多相材料经过各种加工方法加工而成。复合材料所含有的两相为增强相与基体相。复合材料有两种机械加工方法，即常规加工和特种加工两种方法。常规加工工艺与金属加工的方法相同，加工方法相对简单，工艺相对较为成熟。然而，当加工复杂工件的时候会对切削刀具产生很大的磨损，而且其加工质量较差而且切削过程中所产生的粉末会对人体产生很大的影响。特种加工工艺过程相对较易监控，加工时切削刀具与被加工工件接触量很小甚至为零，这对自动化加工非常有帮助。但因为复合材料自身的复杂性，特种加工的应用受到限制，所以相对而言，常规加工应用较多。

2.1 复合材料常规加工技术的研究

在复合材料加工初期，所采用的加工方法一般是金属材料的加工方法。随着复合材料的种类增多，加工过程当中出现了很多的问题，例如刀具磨损较快等，这就要求复合材料的加工技术面向多样化。后来，国内外很多的学者相继提出了一些关于复合材料加工的方法，并在原有方法的基础上提出了进一步改进复合材料切削工艺以及更新切削刀具等一系列的观点。直至后来，Koplev进行了很多的实验，认为复合材料切屑的形成其实就是其断裂过程的发生，而这个观点后来也得到很多人的认可。自此，很多学者开始把重点转向切削刀具结构设计等。

2.2 复合材料特种加工技术研究

复合材料常规加工过程中会对切削刀具产生很大的磨损，而且其加工质量较差而且切削过程中所产生的粉末会对人体产生很大的影响。此外，常规加工方法加工复杂工件也较为困难。而特种加工工艺过程相对较易监控，加工时切削刀具与被加工工件接触量很小甚至为零，有利于自动化加工，而且随加工工件的切割面所产生的损伤很小，所以，被加工工件形变量会非常小。目前常用的复合材料特种加工方法主要有：超声波加工以及电火花加工等等。

3复合材料加工难点分析

3.1材料切削性能差

复合材料在其密集处的脆性较大，所以切削较易崩裂，而在小分子区域，分子结合力很小，切削更易崩裂；而纤维密集处不容易被切断，此时若切削刀具不够锋利而切削过程当中的切削进给量又过大，这样，材料纤维极易被成片扯离而发生一系列的缺陷。复合材料强度较大，切削性能也很差，在切削过程中更易发生“起毛”和“扯离”。同时，在复合材料加工过程当中，刀具较易磨损而变钝，这既会对被加工件的表面质量及尺寸精度产生很大的影响，还会降低材料加工效率。总之，正是由于复合材料本身的组成及其特性，而使其切削性能较差。

3.2零件结构工艺性差

有很多零件都呈回转体形状，其主要是由柱、锥、曲面等所组成的，零件的主要的工作面大多是尖边结构，由单个圆孔或者锥孔等所形成，而这会严重影响复合材料的加工，而导致其在切削过程当中极易出现翻边以及崩边。

4 解决复合材料加工问题的措施

4.1改进毛坯结构和模压成型工艺

为了有利于材料加工，就要对结构进行改进，主要方法就是减少直角边，在台阶处要选择光滑连接并且应尽量减少尖角结构。研究表明影响复合材料切削性能的一个很大的方面就是其组织的均匀性，此外，模压过程当中的预浸料预烘环节的均匀性也是影响复合材料切削性能的一个主要因素。

4.2选择合适的刀具与切削参数

由于复合材料本身的特性，在进行复合材料切削加工时所用的切削刀具硬度要高，同时还要满足耐冲击以及耐磨等条件。而硬质合金作为一种能承受较大冲击负荷的材料可以同时满足上述条件。此外，人造金刚石以及立方氮化硼都是超硬的材料，所以可以用这三种材质刀具进行切削，同时选择合适的速度及进给切削参数。

4.3优化加工方法

研究各种加工方法可以减少复合材料加工问题的发生，通过对复合材料进行各方面的分析研究，笔者总结出如下几个方法：

（1）合理编排切削路径。

在复合材料的加工过程当中，如果被加工件的切削部位受到很大的拉应力会使其发生“翻边”、 “崩边”等现象。所以，在进行切削的时候要按“入体”的切削路径进行切削。

（2）设置工艺槽，防止零件崩边。

由于乱纤维复合材料在钻头的锋利程度上受到限制，不适合采取普通的钻孔方法进行加工通孔。但是可以用增加工艺槽的方法，这样就可以有效地防止孔口崩边现象的发生。

（3）采用粗、精加工。

对于乱纤维复合材料的模压件不适合用大切深的方法进行加工。为有效防止以上问题的发生，应该尽量增强刀具的耐用度，并尽量提升加工的效率，采用分粗、精加工的加工方法。

5 总结

通过分析复合材料加工技术，对复合材料加工技术也有了一定的了解。笔者认为在今后的研究当中应该在下面几个方向加以努力：

通过分析复合材料加工技术，对复合材料加工技术也有了一定的了解。笔者认为在今后的研究当中应该在下面几个方向加以努力：

（1）对切削力、复合材料的性能、切削热温度场的分布及产生原因进行深入的研究；

（2）对复合材料的加工刀具的材料、几何参数进行研究；

（3）对复合材料的特种加工技术进行研究；

（4）通过研究复合材料的表面质量的生成原因，建立一个可以综合评价其表面质量的统一的标准。

参考文献

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[2] 陈玲林， 孙会来. 复合材料加工研究现状及激光在其加工中的应用[J]. 激光杂志， 2014， 35（2）： 7-9.

[3] 程勇， 聂海平， 崔博. 复合材料机械加工技术研究[C]//第 17 届全国复合材料学术会议 （复合材料制造技术与设备分论坛） 论文集. 2012.