纖維增強復合材料的機械加工技術研究

寧蒙川

摘 要：隨著我國社會經濟與科技的發展，很多先進的材料不斷出現，當中纖維增強復合材料具有重要的意義，這種材料具有一定優勢，比如：強度-重量比值高，比模率大，耐腐蝕性很強等，并且使用時效很長，所以，現階段已經普遍被用于各個不同領域中。可是，一旦在使用時，某些特性出現相應問題，那么就會嚴重降低這種材料的具體功效，所以，筆者針對纖維增強復合材料中的碳纖維增強復合材料的幾種機械加工技術進行了具體分析，并對其發展背景與具體工藝進行詳細的闡述，以備相關人士參考。

關鍵詞：碳纖維增強復合材料 機械加工技術 銑削加工技術 非傳統鉆孔技術 研究

中圖分類號：TB332 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）05（a）-0071-02

在現階段我國的社會生產生活里，對于纖維增強復合材料的加工需求不斷變得更高、更個性化，其被投入使用的范圍也在不斷普及，想要得到更好的加工成果，技術的完善和更新是當前的必要條件。

1 碳纖維增強復合材料的機械加工技術發展背景

碳纖維增強復合材料是一類結構復雜又難以加工的材料，因為其本身的不均勻性與結合強度過小等特性，碳纖維增強復合材料在進行具體加工的時候常會產生各種不足。而且，在對碳纖維增強復合材料進行加工的時候，產生的摩擦力極易將刀具磨損或磨鈍，進而在被磨損的刀具作用下增加材料的加工缺陷，從而為相關工廠和企業造成很多麻煩。現階段，中國相關加工技術才剛剛開始投入使用，所以，在日常的運作中要不斷地對技術進行完善，進而減小和消除加工缺陷[1]。

2 碳纖維增強復合材料的銑削加工技術

（1）銑削加工試驗。碳纖維增強復合材料經過銑削加工技術后，其效果會對產品的耐腐蝕性和抗磨性等造成直接影響，除此之外還在一定程度上受所要投入生產過程中所用的刀具、各種參數等作用影響。

（2）從所用刀具和各種參數的數據方面來說，被加工材料的質量會隨著相關條件的變化而發生規律性變化，加工后的成品材料體表光滑程度受具體參數影響，具體規律表現為：進行切削的速率越快，加工材料的缺陷越小，進行切削的力度越大，加工材料的缺陷也隨之變小。對硬度較高的合金類刀具進行操作時，切削速度切記不可以太高，速度過高極易導致刀具與材料的接觸面溫度急速升高，進而對刀具造成磨損，可以將切削的具體速度設置為40～80 m/min，每一個齒輪的進給量設置在0.04 mm/z（齒）最為合適。同時，怎樣對合適的加工刀具進行有效的選取也相當重要，對于刀具的選取需要以技術人員的反復試驗為基礎，根據加工環境不同而從不同角度考慮其條件。一般對碳纖維增強復合材料進行削切技術都會采用干切削的方法，在這一過程中，會產生極高的熱量，進而對刀具產生嚴重的磨損現象。部分技術人員選用在氣冷的環境下進行相關實驗，并且發現，這樣能夠很大程度上減輕對刀具的損壞，并且所加工材料的加工質量也有所提升。

（3）從碳纖維切削角度方面來講，這一角度對于材料切削的效果也存在著重要的影響。經過技術人員的反復試驗得出，角度一旦超過45°，材料的削切效果不好，而角度正好在45°的時候，材料的加工效果最為美觀，當夾角的角度在直角與平角之間變換的時候，材料一般都會產生一些毛刺類的瑕疵。所以，在進行具體加工過程中，一定要注意選用角度，在最優的角度下進行切削，以保證產品的加工質量。

（4）銑削刀具的選用。由于對碳纖維增強復合材料進行切削的過程中會產生極高的熱量，對刀具會造成相應的磨損，進而無法進行有效、全面的切削。所以，在對其進行加工的過程中，所選用的加工刀具要在具備高耐磨、高硬度和低磨損的基礎上，保證刀具切點的高鋒利度，以使對加工材料進行快速無誤的切削工作過程中，有效地避免或減輕毛刺等相關瑕疵的產生。現階段，各企業對于碳纖維增強復合型材料的銑削刀具一般都是硬度較高的合金類刀具，其表面大多被添加低壓化學氣相沉積的金剛石元素、立方氮化硼元素以及聚晶金剛石等元素。經技術人員大量研究后，研發了針對碳纖維增強復合材料切削工作的使用刀具，被叫做左右交錯多齒銑刀，這種刀具本身被設計具有合適的寬度以及厚度，有效地減輕毛刺、撕裂等瑕疵的形成，被當前廣大技術人員認為是性能最高的切削刀具[2]。

（5）銑削力。一個科學、準確的銑削專用模型能夠對相關銑削力進行全面的預測，進而獲得精準的相關參數，進一步對碳纖維增強復合材料的加工質量進行全方位的提高。技術人員以如何全面提高相關材料的加工質量而運用不同方法進行了試驗。

第一，反復建立模型法。這種方法的意思就是依據以往的研究經驗，并在此基礎上反復進行試驗，再建立相應模型。這種方法本身具有一定程度的實用意義，可是前提是需要相關技術人員進行反復、大量的針對性試驗，然而如果加工條件在中途發生任何變化，那么之前試驗獲得的計算公式就無法再使用，并且還要重新建立試驗。針對這一問題，有專家利用多元線性回歸的方法，研究出關于CFRP高速銑銑削力所對應的具體經驗計算公式，而且利用方差進行了反復的檢驗，最后結果表明銑削力的經驗公式具有較高的可靠性和科學性。基于對公式準確性的疑問，部分學者共同進行了大量球頭刀銑削C/C復合材料的具體試驗，而且針對試驗所得數據信息建立了較大切深和較小切深環境內的銑削力經驗公式，最后確定公式誤差約在10%以內。

第二，解析法。這種方法的操作原理是將進行銑削加工操作的過程中所發現的物理機理進行了記錄，并依據記錄建立模型，進而對相對應的銑削力進行預測和分析，可是由于在這一過程中要不斷進行假設，無法對最后的精準度進行有效的把握。

第三，有限元法。這種方法使通過利用網絡信息技術，對材料加工過程中的各個環節進行虛擬化的模擬實驗，這樣就在很大意義上對試驗所需耗費的各種材料進行有效的節約。相關專家利用有限元法構建了碳纖維增強復合材料的正交切削對應的模型，并針對其材料的各種性能，提出了其在平面應變的環境下，均質各向異性的具有彈性材料的結構細化模型，同時還建立了適用于切削過程中的接觸類模型，最后通過反復、大量的試驗，所得數據驗證了該模型的準確性。現階段我國技術人員剛開始進行針對碳纖維增強復合材料的有限元法的研究分析，相關數據以及報道都很少，所以，由于各方面研究還不太成熟，有限元法的仿真技術想要實現與具體加工工作，還對如何建立精準的模型和切削分離準則等很多方面進行反復和大量的試驗以及研究。

3 碳纖維增強復合材料的機械鉆孔技術

（1）超聲振動鉆孔技術。這種技術是將機械加工術與超聲波加工術有效融合后而生成的技術，它是以傳統的切削機床的運作原理為基礎，并在加工切削刀具面上進行超聲振動，從而完成其輔助性功能。利用這種技術，可以有效地減小刀具表面的摩擦受損程度，進而使加工成果減輕毛刺和撕裂等瑕疵的產生，除此之外利用這種方法，還可以有效地延長刀具的使用時效，并在氣冷的環境下進行具體操作，效果更佳。利用超聲的輔助削切作用不僅對加工結果的質量進行提高，還在很大程度上控制了對刀具的損傷。因為超聲振動鉆孔技術與傳統的持續削切方式不同，這種技術是通過斷續性的切削同時，不斷進行排屑工作，這就可以減輕溫度過熱的現象，減小對道具的以及材料的損耗，從而減小工作成本和提高加工水平[3]。

（2）螺旋銑孔技術。這種技術屬于新興的技術，其原理是在刀具運轉的過程中圍繞銑孔的中軸線旋轉并不斷靠近軸線而產生的螺旋形軌道。這種技術在降低熱量、排屑和散熱等很多方面上具有一定的優勢，而且可以運用同一把刀具通過調節，實現不同條件和材料規格的加工要求，有效地降低了運作成本，可是目前這種技術還在剛剛開始研發的階段，具體的應用條件還不成熟。最近不斷有相關技術人員參與到螺旋銑孔技術的研發工作中，通過反復試驗所得經驗，構建了規范且比例精準的預測模型，使這種技術實際應用中有效地提升了對碳纖維增強復合型材料的加工質量。這種螺旋銑孔技術在相對較大的直徑條件下制孔，其本身具備很高的技術優勢，可以在輕易地減輕軸心力的同時，降低摩擦，減輕刀具損傷，并對材料的加工質量進行全面提升。可是這種技術目前對于較小單位直徑條件下的孔進行加工還存在一定的難度，需要相關技術人員的持續探究。

4 結語

由此可見，現階段在我國的社會生產生活里，對于纖維增強復合材料的加工需求不斷變得更高、更個性化，其被投入使用的范圍也在不斷普及，想要得到更好的加工成果，技術的完善和更新是當前的必要條件。所以，還需要相關技術人員的不懈努力，加大實驗與研究力度，使先進技術有效地發揮其功能，最終獲得完美的加工產品。

參考文獻

[1] 單晨偉，呂曉波.碳纖維增強復合材料銑削和鉆孔技術研究進展[J].航空制造技術，2016（15）：34-41.

[2] 于長有.纖維增強復合材料的機械加工技術研究[J].科技與創新，2015（24）：149，151.

[3] 王昌贏，文亮，明偉偉，等.碳纖維增強復合材料銑削加工技術研究進展[J].航空制造技術，2015（14）：76-80.