纤维增强复合材料的机械加工技术研究

宁蒙川

摘 要：随着我国社会经济与科技的发展，很多先进的材料不断出现，当中纤维增强复合材料具有重要的意义，这种材料具有一定优势，比如：强度-重量比值高，比模率大，耐腐蚀性很强等，并且使用时效很长，所以，现阶段已经普遍被用于各个不同领域中。可是，一旦在使用时，某些特性出现相应问题，那么就会严重降低这种材料的具体功效，所以，笔者针对纤维增强复合材料中的碳纤维增强复合材料的几种机械加工技术进行了具体分析，并对其发展背景与具体工艺进行详细的阐述，以备相关人士参考。

关键词：碳纤维增强复合材料 机械加工技术 铣削加工技术 非传统钻孔技术 研究

中图分类号：TB332 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）05（a）-0071-02

在现阶段我国的社会生产生活里，对于纤维增强复合材料的加工需求不断变得更高、更个性化，其被投入使用的范围也在不断普及，想要得到更好的加工成果，技术的完善和更新是当前的必要条件。

1 碳纤维增强复合材料的机械加工技术发展背景

碳纤维增强复合材料是一类结构复杂又难以加工的材料，因为其本身的不均匀性与结合强度过小等特性，碳纤维增强复合材料在进行具体加工的时候常会产生各种不足。而且，在对碳纤维增强复合材料进行加工的时候，产生的摩擦力极易将刀具磨损或磨钝，进而在被磨损的刀具作用下增加材料的加工缺陷，从而为相关工厂和企业造成很多麻烦。现阶段，中国相关加工技术才刚刚开始投入使用，所以，在日常的运作中要不断地对技术进行完善，进而减小和消除加工缺陷[1]。

2 碳纤维增强复合材料的铣削加工技术

（1）铣削加工试验。碳纤维增强复合材料经过铣削加工技术后，其效果会对产品的耐腐蚀性和抗磨性等造成直接影响，除此之外还在一定程度上受所要投入生产过程中所用的刀具、各种参数等作用影响。

（2）从所用刀具和各种参数的数据方面来说，被加工材料的质量会随着相关条件的变化而发生规律性变化，加工后的成品材料体表光滑程度受具体参数影响，具体规律表现为：进行切削的速率越快，加工材料的缺陷越小，进行切削的力度越大，加工材料的缺陷也随之变小。对硬度较高的合金类刀具进行操作时，切削速度切记不可以太高，速度过高极易导致刀具与材料的接触面温度急速升高，进而对刀具造成磨损，可以将切削的具体速度设置为40～80 m/min，每一个齿轮的进给量设置在0.04 mm/z（齿）最为合适。同时，怎样对合适的加工刀具进行有效的选取也相当重要，对于刀具的选取需要以技术人员的反复试验为基础，根据加工环境不同而从不同角度考虑其条件。一般对碳纤维增强复合材料进行削切技术都会采用干切削的方法，在这一过程中，会产生极高的热量，进而对刀具产生严重的磨损现象。部分技术人员选用在气冷的环境下进行相关实验，并且发现，这样能够很大程度上减轻对刀具的损坏，并且所加工材料的加工质量也有所提升。

（3）从碳纤维切削角度方面来讲，这一角度对于材料切削的效果也存在着重要的影响。经过技术人员的反复试验得出，角度一旦超过45°，材料的削切效果不好，而角度正好在45°的時候，材料的加工效果最为美观，当夹角的角度在直角与平角之间变换的时候，材料一般都会产生一些毛刺类的瑕疵。所以，在进行具体加工过程中，一定要注意选用角度，在最优的角度下进行切削，以保证产品的加工质量。

（4）铣削刀具的选用。由于对碳纤维增强复合材料进行切削的过程中会产生极高的热量，对刀具会造成相应的磨损，进而无法进行有效、全面的切削。所以，在对其进行加工的过程中，所选用的加工刀具要在具备高耐磨、高硬度和低磨损的基础上，保证刀具切点的高锋利度，以使对加工材料进行快速无误的切削工作过程中，有效地避免或减轻毛刺等相关瑕疵的产生。现阶段，各企业对于碳纤维增强复合型材料的铣削刀具一般都是硬度较高的合金类刀具，其表面大多被添加低压化学气相沉积的金刚石元素、立方氮化硼元素以及聚晶金刚石等元素。经技术人员大量研究后，研发了针对碳纤维增强复合材料切削工作的使用刀具，被叫做左右交错多齿铣刀，这种刀具本身被设计具有合适的宽度以及厚度，有效地减轻毛刺、撕裂等瑕疵的形成，被当前广大技术人员认为是性能最高的切削刀具[2]。

（5）铣削力。一个科学、准确的铣削专用模型能够对相关铣削力进行全面的预测，进而获得精准的相关参数，进一步对碳纤维增强复合材料的加工质量进行全方位的提高。技术人员以如何全面提高相关材料的加工质量而运用不同方法进行了试验。

第一，反复建立模型法。这种方法的意思就是依据以往的研究经验，并在此基础上反复进行试验，再建立相应模型。这种方法本身具有一定程度的实用意义，可是前提是需要相关技术人员进行反复、大量的针对性试验，然而如果加工条件在中途发生任何变化，那么之前试验获得的计算公式就无法再使用，并且还要重新建立试验。针对这一问题，有专家利用多元线性回归的方法，研究出关于CFRP高速铣铣削力所对应的具体经验计算公式，而且利用方差进行了反复的检验，最后结果表明铣削力的经验公式具有较高的可靠性和科学性。基于对公式准确性的疑问，部分学者共同进行了大量球头刀铣削C/C复合材料的具体试验，而且针对试验所得数据信息建立了较大切深和较小切深环境内的铣削力经验公式，最后确定公式误差约在10%以内。

第二，解析法。这种方法的操作原理是将进行铣削加工操作的过程中所发现的物理机理进行了记录，并依据记录建立模型，进而对相对应的铣削力进行预测和分析，可是由于在这一过程中要不断进行假设，无法对最后的精准度进行有效的把握。

第三，有限元法。这种方法使通过利用网络信息技术，对材料加工过程中的各个环节进行虚拟化的模拟实验，这样就在很大意义上对试验所需耗费的各种材料进行有效的节约。相关专家利用有限元法构建了碳纤维增强复合材料的正交切削对应的模型，并针对其材料的各种性能，提出了其在平面应变的环境下，均质各向异性的具有弹性材料的结构细化模型，同时还建立了适用于切削过程中的接触类模型，最后通过反复、大量的试验，所得数据验证了该模型的准确性。现阶段我国技术人员刚开始进行针对碳纤维增强复合材料的有限元法的研究分析，相关数据以及报道都很少，所以，由于各方面研究还不太成熟，有限元法的仿真技术想要实现与具体加工工作，还对如何建立精准的模型和切削分离准则等很多方面进行反复和大量的试验以及研究。

3 碳纤维增强复合材料的机械钻孔技术

（1）超声振动钻孔技术。这种技术是将机械加工术与超声波加工术有效融合后而生成的技术，它是以传统的切削机床的运作原理为基础，并在加工切削刀具面上进行超声振动，从而完成其辅助性功能。利用这种技术，可以有效地减小刀具表面的摩擦受损程度，进而使加工成果减轻毛刺和撕裂等瑕疵的产生，除此之外利用这种方法，还可以有效地延长刀具的使用时效，并在气冷的环境下进行具体操作，效果更佳。利用超声的辅助削切作用不仅对加工结果的质量进行提高，还在很大程度上控制了对刀具的损伤。因为超声振动钻孔技术与传统的持续削切方式不同，这种技术是通过断续性的切削同时，不断进行排屑工作，这就可以减轻温度过热的现象，减小对道具的以及材料的损耗，从而减小工作成本和提高加工水平[3]。

（2）螺旋铣孔技术。这种技术属于新兴的技术，其原理是在刀具运转的过程中围绕铣孔的中轴线旋转并不断靠近轴线而产生的螺旋形轨道。这种技术在降低热量、排屑和散热等很多方面上具有一定的优势，而且可以运用同一把刀具通过调节，实现不同条件和材料规格的加工要求，有效地降低了运作成本，可是目前这种技术还在刚刚开始研发的阶段，具体的应用条件还不成熟。最近不断有相关技术人员参与到螺旋铣孔技术的研发工作中，通過反复试验所得经验，构建了规范且比例精准的预测模型，使这种技术实际应用中有效地提升了对碳纤维增强复合型材料的加工质量。这种螺旋铣孔技术在相对较大的直径条件下制孔，其本身具备很高的技术优势，可以在轻易地减轻轴心力的同时，降低摩擦，减轻刀具损伤，并对材料的加工质量进行全面提升。可是这种技术目前对于较小单位直径条件下的孔进行加工还存在一定的难度，需要相关技术人员的持续探究。

4 结语

由此可见，现阶段在我国的社会生产生活里，对于纤维增强复合材料的加工需求不断变得更高、更个性化，其被投入使用的范围也在不断普及，想要得到更好的加工成果，技术的完善和更新是当前的必要条件。所以，还需要相关技术人员的不懈努力，加大实验与研究力度，使先进技术有效地发挥其功能，最终获得完美的加工产品。

参考文献

[1] 单晨伟，吕晓波.碳纤维增强复合材料铣削和钻孔技术研究进展[J].航空制造技术，2016（15）：34-41.

[2] 于长有.纤维增强复合材料的机械加工技术研究[J].科技与创新，2015（24）：149，151.

[3] 王昌赢，文亮，明伟伟，等.碳纤维增强复合材料铣削加工技术研究进展[J].航空制造技术，2015（14）：76-80.