试析复合材料机械加工技术

李东华

摘 要：在复合材料相关制品的生产工艺中，复合材料的机械加工是非常重要的一个环节。总的来说，复合材料的机械加工技术主要分为两个大类，常规方法和非常规方法。本文分别简要介绍了两种方法几种主要的加工技术。

关键词：复合材料；机械加工；切割

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.09.022

1 引言

复合材料指的是将两种或两种以上的物质经过人工合成过程组成某种具有不同的性能与特征的多相固体材料。在现代工程中，常见的复合材料包括金属复合材料、陶瓷复合材料和树脂复合材料等。由于复合材料普遍具有重量轻、韧性好、耐热性好等优点，因而在航空航天、纺织机械、体育器材、化工设备、建筑工程、船舶重工等重要行业中有着广泛的应用。

在初步成型复合材料之后，大多数情况下要根据实际情况和预计应用目标对其进行进一步的机械加工。在复合材料制品成型前，机械加工是最后一道生产工序，必须得到足够的重视，才能保证复合材料制品的生产质量与工艺合格。常见的复合材料机械加工方法包括常规和非常规两种。根据复合材料的性能的差异，对其机械加工方法进行具体的制定与设计。总的来说，常规方法由于操作简便，有着十分广泛的应用。但是由于其加工精度普遍不高，并且刀具的磨损速度快，不足以加工形状复杂的工件，并且加工过程中会产生大量的粉尘与废料，污染环境的同时，还威胁人体健康。相比之下，非常规方法操作较为复杂，但这种方法能加工形状复杂的工件，且可控性强，对道具的磨损也没那么严重，具有常规方法不可比拟的优势，是复合材料机械加工领域未来发展的主要方向。

2 复合材料的常规机械加工技术

2.1 锯切

对于玻璃纤维增强热固性基体层压板，通常采用手锯或者圆锯进行切割。热塑性树脂基复合材料也是采用手锯或者圆锯切割，但操作时须要加冷却剂。而石墨复合材料就要采用具有硬质合金的刀具切割。碳纤维增强型复合材料一般采用金刚砂刀具切割效果较好。金属基复合材料可以用金刚石线锯切割，但只能沿直线方向进行，且速度较慢。

2.2 铣削、切割、车削和磨削

目前来说，碳纤维增强型复合材料的磨削加工的相关研究还比较少，现有的工作主要集中在对不同的砂轮磨削性能的对比上，磨削技术在碳纤维复合型材料中的应用还有待研究。复合材料层合板可以在标准机床上进行铣削加工。铣削刃一般都非常锋利，常见的有黄铜铣刀、碳化钨铣刀、高速钢铣刀、和金刚石铣刀等。金属基复合材料一般用铣削、切割、车削和磨削均可。

2.3 钻孔和仿形铣

在需要对复合材料进行钻孔和仿型铣时，热固性材料可能会发生收缩，因此，在进行操作时需要注意控制好余量，另外要保证钻头锋利，能够使得工件升温较小，且钻屑快速去除，以免影响加工进行。因为同样的原因，要保证钻头具有特定的螺旋角和退屑槽，并且采用合适的钻速，使得孔较为光滑，具有比较好的加工效果。

2.4 其他常规机械加工方法

部分復合材料，如热固性聚合物基层合板也可用其他特殊加工设备（切齿机、自动螺纹切割机、铰孔机、剃齿机、冲孔机和冲床等） 进行加工。另外，这种材料的机械加工还包括剪切、冲切、热割、冲孔、铰孔、抛光、滚光、去毛刺等。其中，冲孔和剪切在标准的金属加工设备上进行，可以加工热的或冷的工件。不过这些方法需要注意工作的温度，必要时可对材料适当加热。

3 复合材料的非常规机械加工技术

3.1 高压水切割和高压水磨砂切割

高压水切割加工技术的原理是高压水在经小孔喷嘴后高速射向材料，将动能转变为对材料的压力，使材料产生应力发生断裂，实现材料的切割。该方法由于加工出来的切口质量好，工件的结构完整性也强于常规的机械切割，而且没有切屑或者粉末飞扬，对环境与人体健康没有危害，展现出了其特有的优势。目前，这种技术已广泛应用在航天和其他很多工业领域中。可用于切割大量非金属基和金属基复合材料。高压水磨砂切割是高压水流中混有磨砂粒子，与高压水切割原理相同，主要用于切割陶瓷材料以及金属基复合材料。

3.2 电子束加工（EBM）和超声波加工（USM）

由高速聚集的高能电子束轰击工件表面，产生局部高热，从而使材料汽化和挥发，完成材料的切割。此过程一般在真空中进行。这种方法属微量切削加工，加工精度很高。金属基复合材料可以用多种能量的电子束进行切割加工。而超声波机械加工适用于对材质硬而脆的材料，例如宝石、陶瓷等材料上开槽和打孔。

3.3 电火花加工（EDM）

如果在被介电材料隔开的工件与电极之间加上电压，电压达到一定程度会击穿电介质，产生电火花，此时，局部温度急剧升高，可达1200℃ ，可以熔融或汽化材料，形成一个材料表面的小火口。该方法适用于金属基复合材料和一些具有良好导电性能的复合材料的加工。但是EDM存在的主要弊端是工具磨损快，增加了加工成本。

3.4 激光束加工

激光加工基于激光相当于强的热源，能使材料局部发生汽化，产生一个极小的高热区，可用于切割各种材料。激光束切割的特点在于实际切缝小、切割速度快、局域能量高，能节省很多原材，并能切割出各种复杂形状。切割复合材料，目前工业上常用的两种激光器是掺钦忆铝石榴石激光器和二氧化碳激光器。

3.5 电化学加工（ECM）

简单的说，电化学加工是用电解质溶解工件上的电化学反应的产物。电解质常用能与工件起化学反应的液体，如NaCl水溶液、NaNO3溶液等。在ECM过程中，工具和工件之间加有一个电场，工具是阴极，工件是阳极。阳极工件所使用的材料随着加压逐渐溶解并转移到阴极，实际相当于电镀的逆过程。由于常规ECM中，电极和工件互相是不接触的，所以加工过程不会对工件造成损伤。

4 结束语

对复合材料的机械加工来说，传统的常规方法工艺上相对来说也较成熟，可是难以加工具有复杂形状的工件。而非常规的特种加工手段，加工的质量高、形状复杂、经济效益高，相比常规机械加工方法具有不可比拟的优点。在机械加工领域，我们要重视加工技术的改进与扩展，并鼓励这方面的开发和研究工作。

参考文献：

[1]赵祖虎.复合材料机械加工技术简介[J].航天返回与遥感，1997（01）：57-63.

[2]于启勋.复合材料的切削加工技术[J].航空制造技术，2009（23）：46-49.