復(fù)合材料孔成形過程中機(jī)械加工問題探討

王石磊

摘 要：目前隨著材料科學(xué)的快速發(fā)展，復(fù)合材料在越來越多的領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。在對(duì)復(fù)合材料的質(zhì)量進(jìn)行檢測過程中，孔加工是確保其制品合格率的重要因素。而在進(jìn)行孔加工時(shí)，機(jī)械加工是其最主要的手段之一，利用機(jī)械加工有效的確保了孔加工的精準(zhǔn)性。文章對(duì)復(fù)合材料缺口孔成形設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)機(jī)械加工的考慮進(jìn)行了分析，并進(jìn)一步對(duì)影響復(fù)合材料制孔質(zhì)量的因素進(jìn)行了具體的闡述。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；孔成形；機(jī)械加工

近年來，在我國的建筑、航空及船舶工程中都應(yīng)用到了復(fù)合材料，隨著復(fù)合材料應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，對(duì)復(fù)合材料制品的需求量也增加。復(fù)合材料制品在生產(chǎn)過程中需要對(duì)機(jī)械加工工藝進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注，這是確保復(fù)合材料制品質(zhì)量的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)，特別是在孔加工過程中。由于復(fù)合材料在制孔過程中存在著特有的缺陷，極易導(dǎo)致材料出現(xiàn)分層、出口起毛及撕裂的情況，而且產(chǎn)品也容易劈裂，而且在復(fù)合材料與其他材料進(jìn)行連接和配合時(shí)則需要利用孔來進(jìn)行，所以復(fù)合材料制品中存在著孔多的情況，而在復(fù)合材料成孔的部位也是結(jié)構(gòu)最為薄弱的位置，需要確保其成孔的質(zhì)量，這是確保復(fù)合材料制品合格率的重要的標(biāo)準(zhǔn)。

1 復(fù)合材料制品孔成型設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)機(jī)械加工的考慮

1.1 孔的成型方案需要認(rèn)真斟酌

對(duì)于復(fù)合材料制孔過程中，對(duì)其是否需要選擇機(jī)械加工工藝來制孔需要進(jìn)行充分的考慮，對(duì)其結(jié)構(gòu)完整性、技術(shù)要求、加工成本及加工時(shí)間等方向入手，對(duì)其在孔成型過程中需要采取何種工藝進(jìn)行確定。通常來講，在進(jìn)行復(fù)合材料制品制造過程中，越簡單的工藝及工藝對(duì)于復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)完整性越有利。而且在制品成型過程中，對(duì)于可以采用模壓來進(jìn)行制孔的則盡量不使用機(jī)械加工的工藝來進(jìn)行。對(duì)于在與其他部件不需要進(jìn)行主要連接和配合的制品，而且對(duì)孔的要求也不高的情況下，則需要采取其他的成型工藝來進(jìn)行加工。但對(duì)于孔的技術(shù)要求較高，而且孔數(shù)量較多，需要具有較高精度的情況則需要采用機(jī)械加工來進(jìn)行，這樣不僅可以有效的確保制孔的質(zhì)量，而且可以有效的提高復(fù)合材料零件的合格率。

1.2 孔機(jī)械加工時(shí)結(jié)構(gòu)的考慮

在進(jìn)行孔成型操作時(shí)，需要確保結(jié)構(gòu)層具有良好的承力能力，因?yàn)樵诳准庸み^程中極易導(dǎo)致復(fù)合材料結(jié)構(gòu)層的連續(xù)性受到破壞，這樣復(fù)合材料制品的受力能力和使用壽命都會(huì)受到較大的影響，所以為了確保制品能夠更好的滿足使用的要求，則需要確保復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)層具有良好的承力能力。而且在制孔過程中，對(duì)于質(zhì)量要求較高的孔，則需要在確保其達(dá)到技術(shù)要求的基礎(chǔ)上，對(duì)其易加工性進(jìn)行充分的考慮。

1.3 產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)質(zhì)量和原材料

復(fù)合材料如果纖維浸漬性較好，其空隙率則較小，在這種情況下，產(chǎn)品則更易進(jìn)行加工，具有良好的加工性能。如利用層壓板來對(duì)真空浸漬和模壓成型的材料進(jìn)行加要，則會(huì)具有較好的加工性。而對(duì)于玻璃鋼材質(zhì)制孔，由于其浸漬性較差，所以制孔的合格率則較低。

1.4 加工工藝的選擇

復(fù)合材料是由纖維和基體所組成的材料，其結(jié)構(gòu)為二相或是多相，具有非均質(zhì)和向異性的特點(diǎn)，具有較高的硬度，與傳統(tǒng)的材料具有根本上的區(qū)別，所以對(duì)其進(jìn)行加工時(shí)，不能將傳統(tǒng)的加工工藝來對(duì)其進(jìn)行加工，需要工程師在對(duì)不同要求的孔進(jìn)行熟悉和了解，從而來確保選擇哪種機(jī)械加工方式來確保制品的質(zhì)量。

2 影響復(fù)合材料制孔質(zhì)量的因素

2.1 工裝

對(duì)于工裝的考慮，廣義上講，模具本身也是加工胎具、加工工裝。但是對(duì)于孔加工而言，一般都是在制品脫模后加工，加工時(shí)需要使用一些專門的工裝卡具進(jìn)行固定、支撐、連接，以便進(jìn)行機(jī)械加工，加工精度要求高的制品還需要由鉆模保證。對(duì)于工裝的設(shè)計(jì)有以下幾點(diǎn)考慮因素：（1）確定定位基準(zhǔn)，這是制孔精度的首要保證。一般首先選擇產(chǎn)品本身精度高的面或孔來作定位基準(zhǔn)；（2）夾緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，一般而言，機(jī)床都有自己的夾緊工具，但是并不是對(duì)所有產(chǎn)品都通用，因此需要在工裝上設(shè)計(jì)夾緊機(jī)構(gòu)，以便于機(jī)床上的操作；（3）省時(shí)性，在進(jìn)行工裝設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮工裝的易裝卸，并便于工人操作，最好設(shè)計(jì)成在一個(gè)工序就能將零件上所有的孔完成加工，以便節(jié)約工時(shí)提高工作效率。

2.2 刀具

對(duì)于復(fù)合材料而言，選用合理的刀具材料、刀具結(jié)構(gòu)及幾何參數(shù)是解決復(fù)合材料難加工問題的關(guān)鍵。不同鉆頭材料、鉆頭后角，以及加工時(shí)鉆速的選擇都會(huì)對(duì)孔的成型質(zhì)量有不同程度的影響。鉆頭后角角度不同，加工時(shí)產(chǎn)生的分層和毛刺問題也會(huì)各不同。后角的設(shè)定一般根據(jù)產(chǎn)品材料、加工厚度、刀具材料來選擇，從而達(dá)到最佳加工效果，即鉆孔分層少、毛刺少，且鉆頭磨損量小。對(duì)于鉆速而言，高速鉆孔分層小，且孔的質(zhì)量較好，但是高轉(zhuǎn)速鉆頭的磨損較快。在選擇轉(zhuǎn)速時(shí)，要考慮鉆孔質(zhì)量和鉆頭磨損的大小。由于各類纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂、聚酯和乙烯基塑料，硬度高、難切削，并且不能容忍加工過程中的一點(diǎn)點(diǎn)異常偏差，且復(fù)合材料產(chǎn)品預(yù)加工附加值高，更不允許廢品的產(chǎn)生。因此對(duì)復(fù)合材料制孔刀具的要求也越來越高，目前市場上的金剛石增強(qiáng)刀具對(duì)于加工復(fù)合材料具有較好的適應(yīng)性。

2.3 人為因素

技術(shù)工人的加工經(jīng)驗(yàn)、對(duì)車床的使用情況，以及操作誤差對(duì)孔的形位精度也有影響。尤其是加工時(shí)對(duì)工裝的裝卸，保證定位面、孔，以及夾緊裝置的正確到位。對(duì)于新產(chǎn)品加工時(shí)有些技術(shù)工人按經(jīng)驗(yàn)理解工裝的使用情況，有時(shí)忽略定位銷的定位作用，只用夾具工具夾緊，從而在加工時(shí)，會(huì)出現(xiàn)孔的位置出現(xiàn)偏差，使產(chǎn)品報(bào)廢，或是忘了使用出口墊塊，從而在加工時(shí)出現(xiàn)分層、劈叉等缺陷。導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢率增加、延誤交貨時(shí)間、增加成本浪費(fèi)。

2.4 維護(hù)

對(duì)加工工裝、車床、刀具的維護(hù)，可使產(chǎn)品在反復(fù)加工后，保證其質(zhì)量要求以及加工效率。一般而言，打孔工裝多采用金屬工件，在使用時(shí)容易磨損，因而需要細(xì)心維護(hù)。同時(shí)刀具在使用過程中容易磨損，這是復(fù)合材料制孔中常見的問題，因而要及時(shí)更換。機(jī)床的定期保養(yǎng)和維護(hù)，是對(duì)孔加工最主要硬件設(shè)施的基本保證。

3 結(jié)束語

復(fù)合材料作為一種混合材料在眾多領(lǐng)域中都發(fā)揮非常重要的作用，而在對(duì)其應(yīng)用時(shí)需要與其他物件進(jìn)行有效的連接和配合，所以對(duì)復(fù)合材料制品具有多孔的要求。而且孔成型過程中往往會(huì)選擇機(jī)械加工手段來進(jìn)行加工。由于機(jī)械加工在對(duì)孔加工時(shí)需要對(duì)其結(jié)構(gòu)、原材料及加工工藝進(jìn)行必要的考慮，從而確保所加工出來的孔制品的質(zhì)量能夠有所保障。同時(shí)還要對(duì)制品質(zhì)量產(chǎn)生影響影響的因素進(jìn)行分析，保證制孔的精度和正確性，使復(fù)合材料制品的質(zhì)量達(dá)到所需要的要求。

參考文獻(xiàn)

[1]劉在陽，李冬梅，張振龍，等.復(fù)合材料制品設(shè)計(jì)過程中需要考慮的機(jī)械加工問題[J].纖維復(fù)合材料，2008，4（12）.

[2]魏威，韋紅金.碳纖維復(fù)合材料高質(zhì)量制孔工藝[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，41（12）.

[3]李鳳全.碳纖維復(fù)合材料制孔缺陷及對(duì)策的試驗(yàn)研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2008.