纖維增強復合材料的性能及機械加工技術

馬瑛劍

摘? 要：文章在淺析纖維增強復合材料的性能后，重點分析和研究了不同類型的纖維增強復合材料的機械加工技術，在提出機械加工過程中需要注意的事項后，以為提升機械加工的效率和質量提供了依據，也為相關行業的技術人員帶來了現實幫助。

關鍵詞：纖維增強復合材料;性能;機械加工技術

中圖分類號：TB33? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）14-0097-02

Abstract： After analyzing the properties of fiber reinforced composites， this paper focuses on the machining technology of different types of fiber reinforced composites， and puts forward the matters needing attention in the process of machining. It not only provides a basis for improving the efficiency and quality of machining， but also brings practical help for technicians in related industries.

Keywords： fiber reinforced composites; properties; machining technology

伴隨著我國經濟的快速發展，先進技術和先進材料層出不窮，以纖維增強復合材料為主的材料在應用過程中發揮著重要的作用。這種材料不僅具有極強的耐腐蝕性，強度較高、比模率大，還符合綠色環保和可持續發展的要求。因此，纖維增強復合材料在一定程度上滿足了工業和建筑行業對于材料性能方面的需求。以下將纖維增強復合材料的機械加工技術的相關探究進行了深入的剖析。

1 纖維增強復合材料的性能淺析

我國近幾年堅持新技術、新材料的研發。纖維材料作為新產品的一種，受到了生產企業的重視和廣泛應用。其最大的特點就是高強度、低重量、耐腐性等，將逐步替代一些傳統的材料。但是纖維增強復合材料在機械加工過程中存在著較多的問題，如：操作溫度升高、切削時出現較大的磨損、加工過程中余熱溫度較高、材料極易出現分層等問題。為了能夠解決這些問題的出現，則需要不斷提升自身的加工技術，這樣才能有效減少加工出現的各種缺陷，進而降低加工的成本。

2 不同類型纖維增強復合材料機械加工技術的研究

2.1 碳纖維增強復合材料的銑削加工技術

（1）刀具的選擇。刀具的使用和各種參數的數據上來講，被加工材料的質量會受到作用力的影響而發生較大的變化。例如：切削的速度較快，加工材料的缺陷也會越小;切削的力度越大，其產生的缺陷也就越小。因此，針對于一些硬度較高的刀具，如：合金類刀具等在進行操作時需應該對切削的速度和切削的力度等予以重視，以避免溫度過高或者過低等給刀具帶來的較大磨損。例如：切削過程中需要將速度設置在40-80m/min。同時，在選擇刀具時還需要技術人員反復的進行測試，以對不同的加工環境等方面予以考慮。碳纖維增強復合材料在進行削切技術時主要采用干切削的方法，這種方法在應用時會產生較高的熱量，進而對刀具產生一定的磨損。而在之后的測試中通過在氣冷的環境中開展實驗，能夠減少對刀具的磨損，同時也能夠顯著提高纖維材料的質量。（2）切削角度的分析。相關的技術人員反復測試后，材料切削的角度如果超過45度，則表示切削的效果較差。而正好在45度，其材料的加工質量或者效果最佳。當夾角的角度如果在直角或者平角之間隨意更換后，材料也會受到一定的影響。因此，纖維材料在加工時需要注意材料切削，這樣才能保障產品的質量。（3）銑削力的把控。銑削專用模型能夠對銑削力進行全面把控和預測，從而在預測過程中能夠對相關的參數等進行精準的把控，以全方位地保障和提高碳纖維增強復合材料的加工質量。在加工過程中需要選用不同的方法進行測試。第一，建立反復的模型。相關的技術人員在進行大量的試驗后，利用多元性回歸的方法，計算出銑削力，在利用方差對其進行反復的測試后，使得銑削力的經驗公式更加可靠，有保障，使得確定的公式誤差控制在10%以內。第二，利用有限元法。這種方法通過借助網絡信息技術，對材料加工的全過程等進行虛擬化的實驗，其能夠對各種材料的加工予以全面把控，從而減少材料的耗費，達到節約成本的目的。

2.2 碳纖維增強復合材料的機械鉆孔技術

（1）超聲振動轉孔技術。這種技術融合機械加工術和超聲波加工術，該技術在加工時主要以原來的切削機床的運作原理為基礎，在加工切削刀具上進行超聲振動，這種技術能夠一定程度上減少對刀具的摩擦，導致刀具受損的現象，進而減少加工成品產生的毛刺或者撕裂的現象。另外，超聲波振動鉆孔技術通過連續性的切削，不斷進行排屑工作，能夠減少由于溫度過熱對材料造成的損耗，還能夠提高加工的質量。（2）螺旋銑孔技術。其技術原理就是刀具在運行的過程中通過圍繞銑孔中軸線進行不斷旋轉，在靠近軸線后進而產生螺旋形軌道。該技術不僅能夠降低熱量，還在散熱或者排屑方面都具有優勢。同時，該技術還能夠滿足不同條件、不同材料規格的加工，只需要一把刀具進行調節就能夠達到加工的要求。另外，技術人員反復測試后建立了比較規范的預測模型，能夠在較大直徑條件下制孔，在減少和降低摩擦力的同時，能夠加強刀具的損傷，提升材料的加工質量。但是這種技術面對較小單位直徑下的孔進行加工還有待完善。

2.3 玻璃纖維增強復合材料的機械加工技術

玻璃纖維增強復合材料雖然硬度較高，很容易發生脆裂的現象，但是這種復合材料具有透明度較高的特征，被廣泛應用至工業和建筑行業的生產中。本文針對這一材料進行機械加工時需要注意的加工技術要點。例如：刀具的選擇上盡量選擇金剛石材質的刀具或者氮化硼刀具等，這些刀具的使用能夠增強切割的效果和切割的質量。

2.4 熱塑性樹脂基復合材料的機械加工技術

熱塑性樹脂基復合材料具有較強的韌性和抗沖擊性能，同時還具有抗裂紋擴展的能力。機械加工成型的周期也響度較短，僅僅發生加熱變軟或者冷卻變硬等變化，可以有效地降低使用的成本。其一，該材料機械加工成型的技術主要為熱壓成型技術。其過程主要是將單向或者浸料按照一定的設計比例或者剪裁標準等，并順著一定的方向鋪貼成需要的厚度。在不斷加熱或者加壓后，能夠保障材料固結后得到成型品。熱壓成型技術能夠將一些復雜形狀的零件進行制備。并且對于尺寸的控制也相對較高，生產的效率大大提升。而該技術熱壓成型的主要因素與支撐框架、熱源和熱壓機等有著直接關系;其二，注塑成型技術。其工藝過程主要是先烘干纖維增強的熱塑性顆粒，再對進料的設備或者模具進行加熱后，能夠將纖維材料加熱到一定程度后在壓力的實施下能夠將熔融物注入到模具中，從而經過冷卻后得到成型品。其三，纖維纏繞成型。其工藝過程為：材料鋪放的過程中采用熱氣噴槍進行加熱，保障熱塑性樹脂能夠按照一定的規律纏繞在芯模上;固化和脫模后就能夠得到結構件。產品在纏繞過程中需要對加熱、匹配的纏繞速度等予以重視，以減少樹脂在纏繞過程中發生的凝固現象，而直接影響到產品的性能。例如：導致層內或者層面不再發生黏連的現象。

2.5 金屬基復合材料的機械加工技術

（1）金屬基復合材料性能主要表現在：金屬基復合材料具有高強度和高模量等方面的特征，同時還具有良好的高溫穩定性。金屬基體的高溫性能相對于聚合物來講，性能更為突出。在加上增強材料在高溫的作用下具有很高的強度，在尺寸的把握上、導熱性上、吸潮性上、老化上都具有較好的性能。（2）金屬基復合材料的機械加工過程中主要采用三種有成型的方法，其一，液態法。液態法主要是由含壓鑄或者半固態的復合鑄造;無壓滲透法等構成，這些方法的優點就是成本較低，一次性就能成功，可進行大批量的生產。其二，固態法。在制備的過程中為了能夠提高該產品的壓制性和燒制收縮率，應該根據實際的加工條件、加工環境等加入液相燒結組元，整個制備過程能夠有效增強材料的硬度和耐磨性。其三，噴涂沉積能夠制作出顆粒型金屬復合材料，其最大的優勢就是能夠增強材料的強度，而對于金屬潤濕的要求相對較低。

2.6 3D打印滌綸纖維增強復合材料的加工技術

在對3D打印設備進行改造后，通過采用FDM型3D打印機制備纖維增強復合材料。一方面，對打印工藝參數進行優化，目的就是能夠保障滌綸纖維與樹脂基材料能夠更好地熔融在一起。另一方面，對打印噴嘴進行改進，以確保纖維在樹脂基體中能夠均勻分布，從而增強滌綸纖維的性能。同時，還可以采用SLA型3D打印機制備纖維增強復合材料，在均勻分布后，以減少纖維與纖維之間距離過大造成的分散不均勻的現象，從而弱化了纖維增強樹脂基體力學性能的效果。

3 纖維增強復合材料在機械加工過程中注意事項

3.1 不斷加深技術的改良，轉變傳統固有觀念

由于材料的種類不同，加工的方式、加工的工藝等存在很大的差異性。因此在之后的機械加工過程中，技術人員需要對加工技術不斷改良，在對原有固有的傳統觀念進行深化，不斷采用有效的加工方法對加工技術等進行調整，以期能夠大大提升纖維增強復合材料機械加工的質量。

3.2 注重對纖維增強復合材料切割速度的把控

為了能夠提高這一類型材料的機械加工質量，需要注意切割速度的把控。伴隨著切割技術的不斷完善，其能夠顯著降低由于切割力度較大而造成纖維增強復合材料表面質量不佳的現象。一方面，在開展切割作業時需要對速度等進行合理把控，避免速度過高或者過慢，造成的材料分層的現象;另一方面還需要提高刀具的質量。例如：在技術改革之后，采用硬度較高的合金鉆頭，以在之后的作業中能夠鉆取更多的鉆孔。

4 結束語

纖維增強復合材料具有較強的性能，其主要表現在高強度、耗能低等方面，使得纖維增強復合材料在各行各業中得到了廣泛應用。但是在推廣這些先進纖維增強復合材料時，不同的機械加工技術有著不同的要求，這就需要在利用這些加工技術時需要根據自身的需求，加強對相關技術的改進，在采用多種實驗方法后，能夠使加工技術發揮其應有的功能和價值，進而加工出更多完美的產品，從而也為進一步加強對纖維增強復合材料的推廣等作出一定的借鑒作用。

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