試析復合材料機械加工技術

李東華

摘 要：在復合材料相關制品的生產工藝中，復合材料的機械加工是非常重要的一個環節。總的來說，復合材料的機械加工技術主要分為兩個大類，常規方法和非常規方法。本文分別簡要介紹了兩種方法幾種主要的加工技術。

關鍵詞：復合材料；機械加工；切割

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.09.022

1 引言

復合材料指的是將兩種或兩種以上的物質經過人工合成過程組成某種具有不同的性能與特征的多相固體材料。在現代工程中，常見的復合材料包括金屬復合材料、陶瓷復合材料和樹脂復合材料等。由于復合材料普遍具有重量輕、韌性好、耐熱性好等優點，因而在航空航天、紡織機械、體育器材、化工設備、建筑工程、船舶重工等重要行業中有著廣泛的應用。

在初步成型復合材料之后，大多數情況下要根據實際情況和預計應用目標對其進行進一步的機械加工。在復合材料制品成型前，機械加工是最后一道生產工序，必須得到足夠的重視，才能保證復合材料制品的生產質量與工藝合格。常見的復合材料機械加工方法包括常規和非常規兩種。根據復合材料的性能的差異，對其機械加工方法進行具體的制定與設計。總的來說，常規方法由于操作簡便，有著十分廣泛的應用。但是由于其加工精度普遍不高，并且刀具的磨損速度快，不足以加工形狀復雜的工件，并且加工過程中會產生大量的粉塵與廢料，污染環境的同時，還威脅人體健康。相比之下，非常規方法操作較為復雜，但這種方法能加工形狀復雜的工件，且可控性強，對道具的磨損也沒那么嚴重，具有常規方法不可比擬的優勢，是復合材料機械加工領域未來發展的主要方向。

2 復合材料的常規機械加工技術

2.1 鋸切

對于玻璃纖維增強熱固性基體層壓板，通常采用手鋸或者圓鋸進行切割。熱塑性樹脂基復合材料也是采用手鋸或者圓鋸切割，但操作時須要加冷卻劑。而石墨復合材料就要采用具有硬質合金的刀具切割。碳纖維增強型復合材料一般采用金剛砂刀具切割效果較好。金屬基復合材料可以用金剛石線鋸切割，但只能沿直線方向進行，且速度較慢。

2.2 銑削、切割、車削和磨削

目前來說，碳纖維增強型復合材料的磨削加工的相關研究還比較少，現有的工作主要集中在對不同的砂輪磨削性能的對比上，磨削技術在碳纖維復合型材料中的應用還有待研究。復合材料層合板可以在標準機床上進行銑削加工。銑削刃一般都非常鋒利，常見的有黃銅銑刀、碳化鎢銑刀、高速鋼銑刀、和金剛石銑刀等。金屬基復合材料一般用銑削、切割、車削和磨削均可。

2.3 鉆孔和仿形銑

在需要對復合材料進行鉆孔和仿型銑時，熱固性材料可能會發生收縮，因此，在進行操作時需要注意控制好余量，另外要保證鉆頭鋒利，能夠使得工件升溫較小，且鉆屑快速去除，以免影響加工進行。因為同樣的原因，要保證鉆頭具有特定的螺旋角和退屑槽，并且采用合適的鉆速，使得孔較為光滑，具有比較好的加工效果。

2.4 其他常規機械加工方法

部分復合材料，如熱固性聚合物基層合板也可用其他特殊加工設備（切齒機、自動螺紋切割機、鉸孔機、剃齒機、沖孔機和沖床等） 進行加工。另外，這種材料的機械加工還包括剪切、沖切、熱割、沖孔、鉸孔、拋光、滾光、去毛刺等。其中，沖孔和剪切在標準的金屬加工設備上進行，可以加工熱的或冷的工件。不過這些方法需要注意工作的溫度，必要時可對材料適當加熱。

3 復合材料的非常規機械加工技術

3.1 高壓水切割和高壓水磨砂切割

高壓水切割加工技術的原理是高壓水在經小孔噴嘴后高速射向材料，將動能轉變為對材料的壓力，使材料產生應力發生斷裂，實現材料的切割。該方法由于加工出來的切口質量好，工件的結構完整性也強于常規的機械切割，而且沒有切屑或者粉末飛揚，對環境與人體健康沒有危害，展現出了其特有的優勢。目前，這種技術已廣泛應用在航天和其他很多工業領域中。可用于切割大量非金屬基和金屬基復合材料。高壓水磨砂切割是高壓水流中混有磨砂粒子，與高壓水切割原理相同，主要用于切割陶瓷材料以及金屬基復合材料。

3.2 電子束加工（EBM）和超聲波加工（USM）

由高速聚集的高能電子束轟擊工件表面，產生局部高熱，從而使材料汽化和揮發，完成材料的切割。此過程一般在真空中進行。這種方法屬微量切削加工，加工精度很高。金屬基復合材料可以用多種能量的電子束進行切割加工。而超聲波機械加工適用于對材質硬而脆的材料，例如寶石、陶瓷等材料上開槽和打孔。

3.3 電火花加工（EDM）

如果在被介電材料隔開的工件與電極之間加上電壓，電壓達到一定程度會擊穿電介質，產生電火花，此時，局部溫度急劇升高，可達1200℃ ，可以熔融或汽化材料，形成一個材料表面的小火口。該方法適用于金屬基復合材料和一些具有良好導電性能的復合材料的加工。但是EDM存在的主要弊端是工具磨損快，增加了加工成本。

3.4 激光束加工

激光加工基于激光相當于強的熱源，能使材料局部發生汽化，產生一個極小的高熱區，可用于切割各種材料。激光束切割的特點在于實際切縫小、切割速度快、局域能量高，能節省很多原材，并能切割出各種復雜形狀。切割復合材料，目前工業上常用的兩種激光器是摻欽憶鋁石榴石激光器和二氧化碳激光器。

3.5 電化學加工（ECM）

簡單的說，電化學加工是用電解質溶解工件上的電化學反應的產物。電解質常用能與工件起化學反應的液體，如NaCl水溶液、NaNO3溶液等。在ECM過程中，工具和工件之間加有一個電場，工具是陰極，工件是陽極。陽極工件所使用的材料隨著加壓逐漸溶解并轉移到陰極，實際相當于電鍍的逆過程。由于常規ECM中，電極和工件互相是不接觸的，所以加工過程不會對工件造成損傷。

4 結束語

對復合材料的機械加工來說，傳統的常規方法工藝上相對來說也較成熟，可是難以加工具有復雜形狀的工件。而非常規的特種加工手段，加工的質量高、形狀復雜、經濟效益高，相比常規機械加工方法具有不可比擬的優點。在機械加工領域，我們要重視加工技術的改進與擴展，并鼓勵這方面的開發和研究工作。

參考文獻：

[1]趙祖虎.復合材料機械加工技術簡介[J].航天返回與遙感，1997（01）：57-63.

[2]于啟勛.復合材料的切削加工技術[J].航空制造技術，2009（23）：46-49.