探析纖維增強復合材料的機械加工技術

李俊孝

摘 要：目前，全世界各地對復合材料的研究越來越取得大的進展。所謂的復合材料，其實就是為了生活中或軍事上人們的一些需要，以一種材料為基體，另一種材料為增強體，用科學的手段進行組合，所具有的特性可以互相取長補短。本文綜述了纖維在增強復合材料上的應用，對復合材料的常規機械加工方法進行了較詳細的論述，介紹了提高機械加工質量的有效措施。

關鍵詞：纖維增強復合材料；機械加工技術

復合材料是由兩種或兩種以上性質不同的材料，通過工藝手段組合而成的。它的各個組成材料在性能上起到協同作用，得到較好的綜合性能，是一類新型的工程材料。盡管復合材料技術發展迅速，而且也取得了不少研究成果，但大部分研究主要集中在材料成型和力學性能設計等方面，有關復合材料的二次加工等方面的研究則比較少，特別是有關加工工藝的研究更是處于起步階段。隨著復合材料應用的日益廣泛，二次機械加工越來越多，機械加工所引起的問題也會越來越受到重視。

一、纖維在增強復合材料上的應用

聚合物纖維可廣泛用于工程領域，但在相當多的使用條件下，其性能并不能完全滿足要求，這給纖維增強復合材料的開發提供了空間。強度是纖維復合材料的重要評價指標之一。通常復合材料的結構、機械性能及熱性能等可依據纖維添加量、纖維取向程度和長度的變化而改善。目前，優化復合材料的性能/重量比，提高制品強力、剛性與重量比，降低成本及加工過程對環境的沖擊，改善可用性和安全性正成為復合材料技術進步的主流趨勢。用作增強的纖維材料包括有機及無機纖維材料。除高性能聚合物纖維、玻璃纖維外，天然植物纖維也具有加工增強復合材料的鮮明特點。大量研究結果顯示，環氧樹脂/亞麻、木漿纖維/PE、劍麻/PE、黃麻/PE、棉纖維/PP、苧麻/PP、黃麻/PP、劍麻/PP、黃麻/PET等的研究和開發都取得了可喜進展。由于生物高分子技術的進步，目前已有可能制得生物聚合物復合材料。在種植、加工、制品成型及使用中，其明顯低碳經濟特征，具有引領轉變生產模式、改變人們高碳消費傾向和碳偏好的可能，因而正形成產業用紡織品一個新的開發領域。

二、復合材料的常規機械加工方法

復合材料的常規機械加工方法簡單、方便、工藝較為成熟，但加工質量不高，易損壞加工件，刀具磨損快，而且難以加工形狀復雜的工件。

1.銑削、切割、車削和磨削。聚合物基復合材料用常規普通車床或臺式車床就可方便地進行車削、鏜削和切割。目前加工刀具常用高速鋼、碳化鎢和金剛石刀頭。采用砂磨或磨削可加工出高精度的聚合物基復合材料零部件。最常用的是粒度為 30～240 的砂帶或鼓式砂輪機。熱塑性聚合物基復合材料用常規機械打磨時，要加冷卻劑，以防磨料阻塞。磨削有兩種機械可用，一種是濕法砂帶磨床，另一種是干法或濕法研磨盤。使用碳化硅或氧化鋁砂輪研磨時不要用流動冷卻劑，以防工件變軟。目前碳纖維增強復合材料磨削加工的研究比較少，且主要集中在對不同砂輪磨削性能的比較方面，需要促進磨削加工在碳纖維復合材料中的應用。熱塑性樹脂基復合材料可以用金屬加工車床和銑床加工。高速鋼刀具只要保持鋒利，就能有效使用。金屬基復合材料一般用切割、車削、銑削和磨削就可加工。對大多數金屬基復合材料而言，獲得優良機加工產品的前提是刀具要鋒利、切削速度要適當、要供給充足冷卻液或潤滑劑和進給速度要快。

2. 鋸切。玻璃纖維增強熱固性基體層壓板，采用手鋸或圓鋸切割。碳纖維增強復合材料采用金剛砂刀具切割加工工藝，切割效果好。切割工藝參數與碳纖維增強復合材料厚度有很大關系，進給量應與厚度成反比例。熱塑性樹脂基復合材料采用帶鋸和圓鋸等常用工具時要加冷卻劑。石墨/環氧復合材料最好用鑲有硬質合金的刀具切割。金屬基復合材料可用鑲有金剛石的線鋸鋸切，不過切割速度較慢，且只能作直線鋸切。采用金剛石砂輪對陶瓷基復合材料進行常規鋸切，可有兩種速度：一種是 250r/min，另一種是 4000r/min。這種鋸切會使切割面的陶瓷基復合材料有相當大的損壞。

3. 鉆孔和仿形銑。在復合材料上鉆孔或作仿形銑時，大多數熱固性復合材料層合板經鉆孔和仿形銑后會產生收縮，因此精加工時要考慮一定的余量，即鉆頭或仿形銑刀尺寸要略大于孔徑尺寸，并用碳化鎢或金剛石鉆頭或仿形銑刀。鉆孔時最好用墊板墊好，以免邊緣分層和外層撕裂。另外鉆頭必須保持鋒利，必須采用快速除去鉆屑和使工件溫升最小的工藝。由于碳纖維復合材料的性質與金屬不同，因此在碳纖維增強復合材料的加工中不能簡單地沿用金屬材料的加工刀具和工藝，碳纖維增強復合材料鉆削制孔方向是碳纖維增強復合材料的關鍵加工工藝之一。防止鉆孔時出口端纖維分層，在結構開敞條件下，孔的出口面要用硬質高密度板支撐并墊實，這樣能有效地防止孔出口分層和劈裂。

三、提高機械加工質量的措施

先進復合材料的歷史較短，發展較快，盡管機械加工方面的理論研究尚未健全，但大量的應用研究已經先行一步，并取得了豐碩的成果。

新型刀具的研究是提高復合材料加工質量的重要手段。在實際生產中，由于復合材料對刀具磨損嚴重，高速鋼鉆頭刃磨一次只能鉆3～4個孔，如采用硬質合金鉆頭則可以鉆100個孔左右，美國Carter Diamond Tool公司推出的新型高性能金剛石鉆頭，其壽命比硬質合金鉆頭高若干倍。根據我國研究，只有CBN和PCD等超硬刀具有較明顯的效果。

高速切削對提高復合材料的加工質量具有明顯的效果。從金屬切削原理可知，在加工效率不變的前提下，提高切削速度可以減少進給量，進給量越低則切削力越小，加工表面的質量也就越高。這一規律同樣適用于復合材料切削，當切削力小到不足以產生分層、撕裂、劈裂等各種缺陷時，即可獲得高質量的加工表面。

相對于普通切削加工來說，振動切削具有切削力小、切削溫度低、被加工表面質量高以及刀具耐用度高等優點，這些優點非常適合于復合材料的切削加工，在其他工藝參數不變的情況下，超聲振動切削的分層破壞比普通切削減少近1/3。除振動切削以外，切削領域的各種新加工技術非常值得關注。

四、結語

纖維增強復合材料切削技術的研究剛剛起步，還是一個新的領域，有許多問題值得進一步深入研究。隨著復合材料應用的日益廣泛和各種加工技術的不斷發展，我們相信纖維增強復合材料的加工技術也會隨之不斷進步。復合材料特種加工具有常規機械加工方法無法比擬的優點，具有加工質量高、能加工復雜形狀的工件、容易監控和經濟效益高等優點，是復合材料機械加工未來發展的主要方向。

參考文獻：

[1] 李志強.纖維增強復合材料機械加工技術.航空制造技術，2003，（12）：34-37.

[2] 裘鏡蓉.復合材料特種加工現狀及其發展趨勢.航天情報研究報告，HQ-B91054：917-924.