探究纖維增強復合材料的性能及機械加工技術

雷偉斌

摘要：近些年來，我們國家社會經濟和科技獲得了突飛猛進的發展，越來越多的復合材料持續涌現，其中纖維增強復合材料的出現具有非常重要的現實意義，這種材料的力學性能與其它同類型材料相比有很多優勢，例如：強度一重量比值高，比模率大，耐腐蝕性能優異等等，同時可以進行長時間的有效使用，因此目前這種材料已經被廣泛用在各行各業中了。但是，在實踐中使用時，一旦一些特殊屬性發生問題，相應的就會極大的降低這種材料的性能。因此，我們對這種材料的機械加工技術開展了一定的分析，同時對其發展環境和詳細工藝進行了一定的闡述。

關鍵詞：纖維增強;復合材料;機械加工技術

中圖分類號：TQ050.4+3;TQ320.67+1

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2019）08-0069-04

現階段，復合材料獲得了很大的發展與應用，不管是這種材料的力學性能，還是在實際中的應用上，都相比單一的材料具有優勢。特別是最近一段時間以來受到人們很大青睞的纖維增強復合材料，這種材料的加工技術非常復雜，一般的加工技術很難達到纖維增強復合材料的機械加工要求[1]。我們仍然需要努力，雖然目前我們國家已經在一些新型的加工技術方面獲得了突破，但是在實踐中具體應用上還有很多問題需要解決，這也很大程度的影響了這種材料的質量。對于這種情況我國的機械加工企業也正在采取措施。

1 纖維增強復合材料的性能

通常在復合材料的大家族里面，纖維增強復合材料的綜合能力最具有優勢，所以這種復合材料在各個領域當中也普遍的進行應用，但是其在進行具體的機械加工時，對于加工設備、技術還有環境等有著更苛刻的要求，這種復合材料的性能優勢很大程度上表現在這幾個方面：首先，相對比一般的材料來觀察，纖維增強復合材料的性能比模量更大;比強度作為這種復合材料非常重要的性能之一，一般越小越能減少一些不必須的加工程序，這種性能其也比一般材料要小;但就算這種纖維增強復合材料擁有那么多的優勢，其依然有很多的不足與弊端，其中非常明顯的一點就是在實施切削加工時，就會導致刀具磨損嚴重，很容易對刀具造成破壞，并且也很容易造成預產應力的形成，這種現象的發生不僅不利于復合材料的質量提高，同時也會給機械加工企業增加更多的成本投入[2]。

2 纖維增強復合材料的加工特性

2.1 易形成分層破壞現象

一般情況下出現的分層現象是纖維增強復合材料在進行機械加工時經常見到的情形，其中很大的一部分原因就是因為脫膠，由于纖維增強復合材料輔層之間通常需要使用特定的膠進行結合，但是問題就在于膠的性能一旦失效或者減弱，就會馬上導致脫膠的情況發生。也有可能是在實施加工時參數沒有嚴格按照要求設置，存在誤差，也會影響纖維增強復合材料的結構變化。通過仔細細致的觀察，不難發現，這種現象的發生不利于復合材料的整體性能提高，會對復合材料的性能造成很大程度上的破壞，所以在機械加工中要盡量防止材料分層，不然的話在之后的實際應用過程中很容易引發安全風險的發生。

2.2 刀具磨損嚴重

刀具與加工和成本緊密關聯，復合材料加工技術中主要使用的就是切削技術，我們可以想一下刀具在復合材料之間要進行大量的摩擦，所以溫度會在極短的時間里面迅速上升，在這種技術的機械加工過程中，其會形成高溫，并且這種高溫一般都集聚在刀尖位置，在機械技工過程中這種情況肯定要一直持續的，這就必然會對刀具造成不小的損毀;另外還有一點需要注意，在機械切削過程中要盡可能避免碎屑和刀具接觸，因為會造成刀具更快的擦傷、刃口遲鈍的情況發生。而這種情況也說明了要想保證纖維增強復合材料的加工質量與速度就要頻繁的檢查刀具磨損情況并進行更壞，在一定程度上會給機械加工企業帶來額外的成本投入[3]。

2.3 產生殘余應力

纖維增強復合材料對機械技工技術要求非常高，目前的技術水平在加工過程中會產生殘余應力，從而會導致粗糙度等加工工藝達不到標準要求，而造成這種現象發生的絕大多數原因就是溫度太高，材料在加工時一定要注意各個材料層之間的強度，并且還要避免產生分層、撕裂等情況，這樣的情況在鉆孔時表現的最為明顯，同時也是影響機械加工質量的重要原因。

3 復合材料的加工切削溫度

我們從近些年來可以查到的資料來觀察，切削溫度的相關研究僅僅只是在鉆削上進行，1985年有人在鉆頭里面加入人工熱電偶，測量到了鉆頭切削刃部分的溫度，但是這種測量方法極不科學，以及存在很大的局限性，也有其他例如測量到孔出口處溫度的實驗，但是結果也不是很讓人信服，所以測試數據獲得很不容易。直到樊銳通過紅外熱像儀完整觀察到鉆削過程中的溫度場。如圖1所示。

我們在圖1溫度場的分布情況能夠觀察到，在鉆削過程里面，鉆頭尖部的溫度一直最高，我們知道在鉆頭最頂部不是光滑的，而是具有很多橫截面，復合材料的加工就是靠這些橫截面完成的，橫截面是由橫刃與縱刃組成的，其中溫度最高的部分就是在橫刃上，在鉆削過程中，鉆尖部分用于鉆削，按照一般邏輯，這個位置應該溫度最高，鉆尖橫刃部分是負前角，一般沒有切削功能，并且這個部分的軸向力最大，這就造成鉆尖橫刃這個位置在加工過程里面基本上在與工件進行摩擦，溫度高低可想而知;從另一個角度來看，鉆尖部分的橫刃與工件的切削速度更快，與工件的摩擦就更劇烈，所以溫度也就明顯更高[4]。通過對比，處于劇烈摩擦位置的橫刃部分溫度比鉆頭其他任何位置的溫度都要高。這一情況與1985年的試驗比較接近。我們通過進一步試驗能夠得到的結論是：鉆削溫度和鉆速是指數關系;鉆削溫度和進給量是負指數關系;復合材料鉆削溫度的變化規律與金屬鉆削情況類似，但是溫度對復合材料加工質量的影響比金屬材料嚴重得多，在試驗中溫度超過250℃，樹脂材料變焦，金屬則基本沒有影響。

4 加工表面完整性研究

通常情況下要想獲得對加工表面相對比較完整的研究，就要運用電子顯微鏡對纖維復合材料表面的加工工藝開展詳細的分析與研究，例如表面粗糙度等，能夠得出結論。

1）纖維增強復合材料加工表面在電子顯微鏡下進行觀察可以明顯看到是由纖維斷口表面與樹脂覆蓋表面兩部分組成，在低轉速下纖維增強復合材料加工表面以樹脂覆蓋表面占絕大部分;高鉆速下纖維復合材料的加工表面以纖維斷口表面為主[5]。

2）從纖維增強復合材料加工孔的深度進行觀察，在加工表面的入口與出口部分，以纖維斷口表面占大部分;而在纖維增強復合材料加工孔的中間位置，以樹脂覆蓋表面為主

3）在纖維增強復合材料特殊加工單向孔表面的圓周方向上，機械加工工藝存在更大的難度，例如粗糙度會根據這一方向上的位置的不同而不同，[6]。

4） 一般情況下纖維增強復合材料斷口，可根據其加工表面周向位置的不同，可分為彎曲斷口、平滑斷口、波紋斷口等類型，雖然斷口各不相同，但是它們都是垂直于自身軸線。[7]如圖2所示。

使用聲學顯微鏡還有氯化金滲透法對纖維增強復合材料加工表面完整性研究是對電子顯微鏡進行研究的有效補充，我們用這兩樣東西對纖維增強復合材機械加工過程中出現的分層現象展開了三維測量，通過認真仔細分析得到了相對比較詳細明了的分層方向與大小隨孔深變化的分布模型。通過對分層研究得出的結論為[8]：纖維復合材料加工孔表面人孑L與出孔側都有比較明顯的分層，但是人口側的分層形貌呈圓形，而出口測表面上的分層狀態是橢圓形，要注意的是出口側比入口側的分層現象更加明顯[6]。如圖3所示。

5 提高加工質量的措施

先進復合材料的研發歷史相對來說比較年輕，但是進步十分明顯，雖然機械加工技術等方面的理論研究還不是很完善，但是非常多的對實踐應用的研究已經走到了前面，同時獲得了不錯的成效[9]。

首先更高速的切削對復合材料的加工質量提升非常大。我們從金屬切削原理能夠比較清晰的了解到，進給量越小則切削力越小，加工表面的質量也就能相應的提高。這種加工技術同樣適用于復合材料的切削[7]。有人在高速鉆削技術領域開展了相效的研究，并且針對性研制的數控高速鉆削試驗臺能夠達到24000r/min的轉速鉆進行切，進給速度為24-1440mm/mm之間，測試結果說明了，高速鉆削對復合材料孔加工的質量有非常顯著的提升，同時其也是復合材料高質量加工的一個研究方向。其次先進刀具的發展也是提升復合材料加工質量的重要措施。在實踐應用里面，刀具很不耐用，以及浪費，只有發展新型刀具才能提高使用時間與生產效率[10]。

6 結語

現階段對纖維增強復合材料的機械加工技術的開發還處在剛剛開始的階段，同時這也是一個新的研究領域，還存在不少的問題需要進一步研究，隨著復合材料在實際中不斷的普遍使用以及各種機械技工技術的持續改進，纖維增強復合材料的加工技術也會迎來大規模的進步。

參考文獻

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