碳纖維增強復合材料加工方法研究

魏同學，王 崗

（西安工程大學工程訓練中心，陜西西安 710000）

碳纖維增強復合材料是由碳纖維和樹脂經編制、燒結壓制而成，樹脂為基體，碳纖維為增強體，也是主要的承力部分。碳纖維一般由聚丙烯腈纖維（PAN 原絲）、瀝青纖維、粘膠絲或酚醛纖維等為原料，經過高溫碳化后制得。把基體浸漬在碳纖維中制成預浸料，預浸料通過手糊、層壓、噴射、拉擠、模壓等工藝制成碳纖維產品。碳纖維增強復合材料構成圖如圖 1所示[1-2]。

圖1 碳纖維增強復合材料構成圖Fig. 1 Composition of carbon fiber reinforced composites

碳纖維增強復合材料具有較高的強度、硬度及耐高溫、耐腐蝕、重量輕等獨特的性能，因而廣泛被應用于飛行器、車輛行業、醫用器械、能源行業、體育裝備等行業，碳纖維增強復合材料近年來在汽車制造和飛行器方面大量被使用，如汽車的儀表盤、車架、車門、保險杠等部件，飛行器的機翼、機門、外殼體等部件。碳纖維增強復合材料已經作為汽車、飛行器、體育裝備等要求具有輕硬型特性材質的主要選擇，并且將逐漸代替鋁材和鋼材等金屬材料作為汽車生產、航空航天、醫療器械、機器人、工業裝備等領域的首要選取材料[3]。

碳纖維增強復合材料是新型復合材料同樣也是難加工材料中最典型的[4]，碳纖維增強復合材料首先經過材料成型的方法制作成型材，其次對制作成的型材進行再次加工從而達到尺寸精度或工藝裝配需求。碳纖維增強復合材料再次加工的方法，目前主要是機械加工、激光加工和數控超高壓水切割這3種常用的加工方式。一直以來傳統機械加工成為了碳纖維增強復合材料加工的常見方法，然而在機械加工過程中因為碳纖維增強復合材料的高強度、高硬度、高耐磨性及多層不同材質等因素，造成了機械加工在加工時碳纖維增強復合材料容易出現材料分層、局部脫落、表面不平整等影響加工質量的問題，并且對刀具造成的磨損非常的嚴重，因而零件的加工精度和工藝要求都極難得到保證，同時加工成本增加，加工效率低，廢品率高。激光在加工碳纖維增強復合材料時，同樣受材料特殊性能的影響，在加工時容易出現熱損傷、材料分層、表面不平整等質量問題，因此機械加工和激光加工不能成為碳纖維增強復合材料加工的最好方法[5]。

近年來，數控超高壓水切割技術得到迅速發展，被廣泛地用于各種不同性能材料的加工，包括石材、木材、金屬、泡沫及復合材等大部分材料，這對碳纖維增強復合材料的加工提供了又一種加工方法，它基本可以滿足零件的加工要求，降低了上述2種加工方法所造成的質量問題。因此，我們通過使用光纖激光切割、數控超高壓水切割以及機械加工3種加工方式對相同材料、相同尺寸規格的碳纖維增強復合材料進行加工試驗。

1 試驗方案

試驗中使用激光切割、數控超高壓水切割以及機械加工3種加工方式對相同材料、相同尺寸規格的碳纖維增強復合材料進行加工試驗。通過對試驗所得數據和加工工件進行對比分析，最終試驗出哪一種加工方法更適合碳纖維增強復合材料的切削加工。對于任何類型的加工方式來說，加工的最終目的就是尺寸精度的高低和表面質量的好壞，該試驗要求試驗件尺寸精度為20±0.05mm×100±0.05mm×2mm，表面質量要求平整且不分層，圖2為試件加工零件圖。

圖2 試件加工零件圖Fig.2 Parts drawing

1.1 試驗材料

試驗采用碳纖維增強復合材料板，材料板厚度為2mm，表1為碳纖維增強復合材料的主要性能參數，以此主要來研究碳纖維增強復合材料在3種不同加工方式下的參數變化。

表1 碳纖維增強復合材料的主要性能參數Table 1 Main performance parameters of carbon fiber reinforced composites

1.2 試驗平臺

試驗采用了光纖激光加工、數控銑削加工及數控超高壓水切割加工3種試驗平臺，通過3種平臺分別對相同材質和尺寸的碳纖維增強復合材料板進行試驗加工，表2為試件加工方式及試驗平臺參數表。

表2 試件加工方式及試驗平臺參數Table 2 Machining method and test platform parameters

2 試驗加工

2.1 激光加工

光纖激光切割是運用光纖激光器輸出的1064nm激光光束經過放大、折射后聚焦到工件表面，經過自動化控制激光設備的能量大小、功率大小和離焦量等參數，使工件產生高溫熔化并形成切割縫隙，從而完成對工件的加工[6]，圖3為激光切割示意圖。激光切割在加工時，加工參數、材料性能等對工件的質量起著至關重要的作用，因此通過反復調整激光功率、激光切割速度、離焦量等主要加工參數，制定了激光切割碳纖維增強復合材料板的最優加工參數，最終選用如表3所示光纖激光切割碳纖維增強復合材料板工藝參數作為此次試驗的加工參數，并以此數據來檢驗光纖激光切割加工碳纖維增強復合材料的優勢和缺陷。

圖3 激光切割示意圖Fig. 3 Laser cutting schematic diagram

表3 激光切割碳纖維增強復合材料板工藝參數Table 3 Process parameters of carbon fiber reinforced composite sheet by laser cutting

光纖激光切割碳纖維增強復合材料板的優勢是：切割縫隙窄、加工速度快、不產生切削力、節約材料等方面，缺陷是：由于碳纖維增強復合材料在熱膨脹系數及熱性能上有著較大的差異，造成激光切割碳纖維增強復合材料板時出現表面損傷、分層、尺寸精度及表面質量差等問題，如圖4試件1激光切割表面局部放大圖及表4試樣件加工質量表所示。

圖4 試件1激光切割表面局部放大圖Fig. 4 Specimen 1 local magnification of laser cut surface

表4 試樣件激光切割加工質量表Table 4 Quality table for laser cutting of specimen

2.2 機械加工

機械加工選用數控銑床來進行試驗，機械加工是利用金屬刀具與工件的相互作用進行加工，如圖5所示，加工時產生較大的切削力、工件易變性、刀具磨損快、材料浪費率高。機械加工時通常通過設置轉速、進給速度、背吃刀量等主要加工參數來控制工件加工的質量，因此通過多次優化加工參數制定了機械加工碳纖維增強復合材料板的最優加工參數，最終選用如表5所示機械加工碳纖維增強復合材料工藝參數作為此次試驗的加工參數，通過加工試驗得出如表6所示試樣件加工質量數據表。

圖5 數控銑削加工示意圖Fig.5 Diagram of CNC milling

表5 機械加工碳纖維增強復合材料工藝參數Table 5 Process parameters of carbon fiber reinforced composites machined

表6 試樣件機械加工質量數據Table 6 Sample machining quality data

碳纖維增強復合材料因為其具有特殊的材料性能和復雜的組成結構，因此采用機械加工碳纖維增強復合材料是比較困難的，加工時試驗材料容易出現分層、表面局部脫落、切削變形等嚴重影響工件尺寸精度和表面質量的問題[7-8]，如圖6所示，并造成刀具磨損加快、成本增高、粉塵污染等問題。

圖6 試件2機械加工表面局部放大圖Fig.6 Local magnification of machined surface 2

2.3 數控超高壓水切割加工

數控超高壓水切割是一種新型的特種加工方法，利用普通的水通過增壓的方式將水增壓到200～400 MPa以上，然后經過0.1～1 mm的噴嘴噴射產生800～1000 m/s的高速水射流，利用高速水射流和加入少量金剛砂顆粒物實現對工件的加工。數控超高壓水切割在加工時工件瞬間溫度控制在60℃以內，因而也被稱作“冷態加工”，圖7為數控超高壓水切割示意圖。其廣泛被用于非金屬材料和金屬材料的加工以及用于特殊情況下消防救援的超高壓水切割搶險救援消防車（也稱冷切割救援車）。數控超高壓水切割與傳統機械激光切割、激光加工、電火花加工等相比較，具有低溫冷態加工、不受材料性能限制、加工能力強、切割范圍廣、不產生熱變形、加工效率高、刀具損耗小等顯著優勢[9-10]。

圖7 數控超高壓水切割示意圖Fig.7 Diagram of NC UHP water cutting

數控超高壓水切割在加工時通過調整壓力、進給速度、磨料耗量等主要加工參數來控制工件加工的質量，因此通過多次優化加工參數制定了數控超高壓水切割碳纖維增強復合材料板的最優加工參數，最終選用如表7所示數控超高壓水切割碳纖維增強復合材料板工藝參數作為此次試驗的加工參數，并以此數據來檢驗數控超高壓水切割碳纖維增強復合材料的優勢和缺陷。

表7 數控超高壓水切割碳纖維增強復合材料工藝參數Table 7 Process parameters of carbon fiber reinforced composites by NC UHV water cutting

數控超高壓水切割碳纖維增強復合材料板具有切縫窄、速度快、不產生熱變形、不使材料分層、節約材料等優勢，通過試驗得出了表8試樣件加工質量數據表，從數據可以看出，試樣件加工后的尺寸精度控制在圖紙公差范圍內，試樣件尺寸合格，并且表面質量符合要求，未出現分層、缺陷等表面問題，如圖8試件3加工表面局部放大圖所示。

表8 試樣件加工質量數據表Table 8 Sample processing quality data sheet

圖8 試件3加工表面局部放大圖Fig.8 Local magnification of machined surface of specimen 3

3 試驗結果

經過使用光纖激光切割、數控超高壓水切割和機械加工3種加工試驗平臺分別對碳纖維增強復合材料進行試驗加工，在試驗樣品尺寸、材質相同的情況下，3種加工平臺分別通過多次試驗選取了最佳的加工工藝參數完成對試樣件的加工，最終得出如表9碳纖維增強復合材料試樣尺寸精度對比數據。通過數據可以看出，數控超高壓水切割基本能夠達到碳纖維強化復合材料二次加工所要求的尺寸精度和表面質量。

表9 碳纖維增強復合材料試樣尺寸精度對比數據Table 9 Comparison of dimensional accuracy data of carbon fiber reinforced composites

4 結論

通過3種加工試驗平臺對碳纖維增強復合材料加工的結果可以得出，數控超高壓水切割在碳纖維增強復合材料加工方面優勢明顯，分別在尺寸精度、表面質量、加工效率及環保節約方面對比光纖激光切割和機械加工有著顯著的提高，并且在航空航天飛行器、醫療器械、體育用品等零部件加工以及復合材料分析研究等方面得到了充分的論證。