碳纤维复合材料的加工技术探析

王兆慧

摘 要 碳纤维增强树脂基复合材料是一种新型的复合材料，具有良好的性能，广泛应用于航天航空等领域。但由于其复杂的组成结构，其属于难加工材料。如果加工方式选择不当，则容易造成工件尺寸偏差和表观质量不合格。因此，本文对碳纤维复合材料的加工技术进行了探析，阐述了复合材料机械加工的机理与特点，介绍了高压磨料水射流、激光束加工兩种特种加工方法，其具有常规机械方法无法比拟的优点。

关键词 碳纤维增强树脂基复合材料；机械加工；高压磨料水射流；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

碳纤维增强树脂基复合材料[1]（CFRP）是以碳纤维为增强体、聚合物树脂为基体的功能性材料，具有轻质、高比强、高比模、耐腐蚀、抗疲劳、材料性能可设计等优点[2]，广泛应用于航天、航空、汽车等领域[3]。随着碳纤维复合材料在实际应用中的不断深入，对其进行研究的力度也在逐渐增强，出现了很多高性能的的新型材料，如耐高温、耐烧蚀材料[4-6]，但对碳纤维增强树脂基复合材料机械加工技术的研究相对较少。所以，加大对碳纤维复合材料加工技术的探索与分析，具有一定的意义。尤其是特种加工技术，它具有常规机械方法无法比拟的优点。

2 碳纤维复合材料加工技术

CFRP零部件加工技术主要有机械加工和特种加工，本文阐述了以下加工技术的特点、切削机理，并对该种技术的优缺点进行总结归纳，提出 CFRP切削加工面临的问题。

2.1 CFRP的机械加工

机械加工是使用机床、刀具等设备对CFRP零部件进行精加工，根据零部件的尺寸精度和装配工艺等要求选择合适的刀具、加工参数和切削方法，如车削、铣削、钻孔、磨削等。机械加工的工艺流程一般分为六步，分别为机床准备、加工零部件固定（装夹）、刀具安装、工艺参数设置、粗加工和精加工。机械加工具有工艺设备简单（与金属加工设备基本相同）、加工成本低、适用性强等优点[7]，但由于CFRP材料具有高强度、高硬度、导热性较差、各向异性等特点，使其在机械加工过程中容易出现以下现象[8-10]。

（1）材料产生分层破坏

分层是复合材料铺层之间由于存在过高的应力导致脱胶而产生的一种破坏现象。CFRP具有非均匀性、层间结合强度较低的特点，连续的纤维容易在受刀具切削的过程中，偏离当前层平面，进而导致各个材料层之间产生应力作用，从而引起CFRP零部件内部出现分层。同时当切削参数（进给量、主轴转速等）不合理时，会使材料层间受到额外的剪切力与层间应力作用，导致零部件加工区域周围形成分层，如图1所示。分层会降低材料的性能甚至使零部件报废，即使是很小的分层也是非常严重的缺陷。

（2）加工刀具磨损严重

CFRP切削过程是一个碳纤维断裂和树脂基体破坏相同时进行的复杂过程。在此过程中，刀具会与复合材料长时间的摩擦，这会使刀具刃口钝化。同时刀具所处于的工作环境非常糟糕，不仅它的工作空间非常狭小，而且环境内部温度也很高，进而产生的切削热集中于刀尖、刀刃，更加影响刀具的寿命。而且当刀具与材料摩擦后，会产生大量的粉末，这些粉末又会对刀具产生一定的影响。并且在切削过程中，还会出现碳纤维回弹的问题，加重了刀具的磨损，降低刀具的寿命。

（3）产生残余应力

在碳纤维增强复合材料中，主要有两部分组成，一种为碳纤维，另一种为基体树脂，两部分无论在物理性质还是化学性质都有着较大的差异，最为突出的是膨胀系数。而材料的机械加工是伴随着大量的热量产生，导致加工端面温度很高，使材料发生热膨胀，由于两个组分膨胀系数不同，致使材料层间存在着热应力，这也是产生残余应力的原因之一；同时，由于复合材料还呈现各项异性，层间强度很低，切削时在切削力的作用下容易产生分层、撕裂等缺陷[11]，进而产生残余应力。钻孔时表现的尤为明显，加工质量难以保证，尺寸精度和表面粗糙度都很难合格。

2.1.1 CFRP机械加工去除机理

CFRP材料的机械加工过程中主要去除形式为CFRP受到切削刀具的挤压、剪切、弯曲和拉伸后直接发生脆性断裂而形成切屑[12，13]。CFRP的切削除受到材料属性的影响外，还受到碳纤维取向分布的影响，不同纤维取向下，纤维所受的力不同，其切除机理也有较大的不同。以一束碳纤维的切削受力模型分析切削去除机理，如图2所示。图中θ为一束碳纤维与加工方向的夹角，即纤维的方向；Fr为切削力；Fτ为切削力沿垂直纤维轴向的分力；Fб为切削力沿纤维轴向的分力；Mб为纤维所受的弯曲应力。

当θ=0°/180°时，刀具切削方向与纤维平行并形成抽向挤压应力，CFRP切削部分发生层间分离使纤维被掀起，在弯曲应力与压缩应力共同作用下发生纤维脆性断裂并形成切屑；当θ=90°/270°时，切削方向与纤维轴向垂直，切削力Fr与纤维轴向垂直，形成沿垂直纤维轴向的剪切应力Fτ。在剪切应力Fτ作用下，树脂基体由于强度低容易发生破裂。树脂基体破裂后，碳纤维成为承载主体，剪切应力对碳纤维形成剪切作用，在剪切作用下碳纤维发生脆性剪切断裂；当0°＜θ≤45°时，切削力Fr可分解为沿纤维轴向的拉伸应力Fб和垂直纤维轴向的剪切应力Fτ，在拉伸应力Fб和剪切应力Fτ作用下，纤维受到拉伸和压缩作用而發生脆性断裂。随着θ的增大，纤维所受的剪切作用越明显；当135°＜θ≤180°时，切削力巧可分解为沿纤维轴向的压缩应力Fб和垂直纤维轴向的剪切应力Fτ，同时，切削部位在刀具推挤力作用下发生弯曲，产生弯曲应力Mб。在这几个力的综合作用下，纤维发生脆性断裂。

2.2 CFRP的特种加工

CFRP材料的特种加工方法主要有高压磨料水射流、激光束加工等，特种加工方法解决了传统机械加工方法由于刀具磨损与切削力热引发的加工精度、表面质量与生产环境差等问题，在CFRP材料加工中，得到了极大的应用。

2.2.1 高压磨料水射流加工

使用高压磨料水射流法能够克服传统机械加工的部分缺点，对复合材料样品的厚度几乎没有限制，且加工阻力较小，不易出现分层和撕裂损伤。其原理为介质水通过水泵，将机械能转变为水的压力能，再通过喷嘴小孔将水高速喷出，形成高能射流，使水的压力转变成动能而完成材料切割的一种方式。当水射流冲击被切割工件时，动能又重新变成作用于材料上的压力能。若压力能超过材料破坏强度，即可切断材料。为提高加工效率和质量，在水介质中加入一定比例的磨料，如金刚石、石英砂等，利用磨料的高硬度、尖锐顶角，提高水流的切割和破碎能力，如图3所示[14]。

高压磨料水射流法在加工时通过调整喷射压力、进给速度、切割靶距和磨料流量等主要加工参数来控制工件的质量。（1）喷射压力小时，高压水与磨料组成的二相流体冲击力不足、切割能力弱；当喷射压力过大时，磨料粒子流量不变、间隙增大，会降低切割能力。（2）对于进给速度而言，其主要影响二相流体作用于CFRP工件的时间及切割深度。当进给速度小或过大时，都会造成材料的分层。（3）切割靶距变化会导致二相流体位置改变，高压水射流技术加工能力主要源于磨料的磨削作用，切割靶距影响了磨料粒子在水介质中的过程进而影响其速度与动能。（4）磨料流量影响二相流体的切割能力。二相流体的磨料比例小、间隙大，二相流与CFRP相互作用能力弱、切割效果差；磨料流量过高会使二相流体切割能力减弱，单位时间内的流体总动能一定，磨料粒子数量增多，单个粒子动能下降，切割能力下降。

高压磨料水射流加工的优点主要包括[15]：

①冷态切割，对CFRP无热影响或热变形；

②点能源切割，可切割任何形状复杂的工件，而且可以从任何一点开始切割，全方位自由工作；

③切缝小，切口质量高，可根据不同的需要进行粗切或精切；

④湿法切割，无粉尘、火花、烟雾、气味、热气等不良现象，工作环境好。

2.2.2 激光束加工

激光束加工作为一种成熟的热加工工艺，已经成功应用到CFRP加工中。其原理为由激光器所发出的水平光束经透镜聚焦，在聚焦处聚成一极小光斑，使材料很快被加热至气化温度，蒸发形成孔洞，随着光束的移动，并配合辅助气体吹走熔化废渣，使孔洞连续形成宽度很窄的切缝，完成对材料的切割，如图4所示[16]。

激光束加工的优点有：

①过程中无需装夹加工工具，可实现非接触式加工，减少了因接触应力而对复合材料带来的不必要损伤；

②聚焦的高能激光束作用于材料局部区域的能量达108 J/cm2以上，使工件材料瞬间熔化蒸发，实现高效率加工；

③由于聚焦光斑小，其热影响区小，可以达到精密加工的要求[17]。

但激光束加工在切割CFRP时，会有一系列热损伤问题，如热应力、微裂纹等，其常常与其他加工方式组合形成复合加工。激光复合加工技术包括激光辅助切削技术、激光水射流复合切割技术等新型特种加工方式。

3 结语

综上所述，对比以上几种不同加工技术，如表1所示。

（1）机械加工技术的优势主要在于其设备简单，成本低，适用性强；不足之处是由于CFRP材料各向异性，精加工CFRP时易产生切削力大、局部过热的问题，导致工件材料分层、起毛等缺陷，整体精度与表面粗造度较差。

（2）高压磨料水射流技术优势主要在于加工效率高、工作环境好、切口质量优，整体CFRP工件加工尺寸精度和表面质量较高；不足之处是国内对高压磨料水射流技术的加工机理、工艺参数对加工质量影响的研究较少，理论体系不完善。

（3）激光加工技术优势主要在于无接触式加工，没有切削力、无刀具损耗、加工效率较高、热效应影响范围较小；不足之处是国内对激光束加工机理、工艺参数对加工质量影响等应用研究少，尚处于起步阶段。

随着CFRP产品应用领域逐渐扩大，装配精度要求不断提高，国内外专家学者对CFRP加工设备、加工机理、工艺参数及加工质量规律进行总结，并在新型特种加工技术等方面开展创新研究，以满足未来在高端领域对CFRP产品表面质量与精度的高要求。

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