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纤维增强复合材料的机械加工技术研究

于长有

摘 要：纤维增强的复合材料对机械加工的位置要求比较高、加工过程复杂、尺寸精度要求较高，导致加工难度较大。因此，应根据既有设备的特点，改善纤维增强的复合材料加工技术，从而提高机械加工产品的质量。就复合材料的分类和性能进行了分析，探讨了复合材料机械加工技术，以期提高复合材料机械加工的水平。
关键词：复合材料；机械加工；加工技术；切削加工
：V257 ：A DOI：10.15913/ki.kjycx.2015.24.149
在复合材料中，一种材料为基料，另外一种材料为增强体，采用科学的方式组合，可使材料的特性互相弥补，以满足军事或生活中的需要。在试验过程中，常用基料包含非金属、金属材料，常见的硬质细料、玻璃纤维、碳化硅纤维和硼纤维属于增强性材料。
1 复合材料的类型和性能
1.1 复合材料的类型
目前，复合材料的种类较多，通常可按照复合材料的结构分为4种类型，具体如表1所示。
1.2 复合材料的性能
在全部复合材料中，应用范围比较广泛的是纤维增强材料。纤维增强材料的特点是比模量较大、比强度和比重比较小。本文主要分析碳纤维增强材料的机械加工技术，碳纤维复合型材料的切削加工的特点为：刀具磨损比较严重、会产生残余应力、材料会被分层破坏和切削温度较高。分层破坏是指复合材料铺层间的脱胶现象，而脱胶现象与切削参数紧密相连，如果参数不合理，则易导致脱胶现象的产生，甚至使材料性能受到较大影响，导致零件报废；在切削过程中，切削温度不宜过高，否则，易使增强复合纤维材料与基体树脂的膨胀系数相差过大，进而产生残余应力。
此外，在刀具切削刃周围较窄的区域是切削温度较高的位置，加之碳纤维复合型材料的导热性较差，因此，这种热传向工件和刀具会破坏碳纤维复合材料。
2 复合材料机械加工技术分析
2.1 金属基的复合材料加工
金属基的复合材料是指基体为合金或纯金属，其增强体一般为颗粒、纤维与晶须复合的材料。这类复合材料的特点是剪切和横向强度较高，抗疲劳和韧性等综合性质较好。此外，还具有无污染、热膨胀的系数较小、不老化、导电、导热、不吸湿和耐磨等特点。在一些传统工艺中，通常将金属基的复合材料用于加工中，比如磨削、切割、铣削和车削等。但采用这类传统工艺会导致机械磨损，因此，需要选择镶含有金刚石、金刚石尖刀具、高速钢、碳化钨的工具，且相关人员要掌握好切削速度，加入润滑剂或冷却剂等。只有这样，才可取得更好的加工效果。
2.2 热塑性树脂基的复合材料加工
热塑树脂基的复合材料一般是指将热塑性树脂作为基体的一种复合型材料。在加工这种材料时，如果温度过高，则易使材料的基体烧焦或软化。为了避免加工过热的情况出现，要适当添加冷却剂；在切削过程中，要保证切削刀具的排削槽有足够的容量，并保持较快的切削速度；车刀刀具和刀头要锋利，尽可能地使用金刚砂或碳化钨刀具，部分特殊的塑料可使用高速钢刀具；车刀应磨成倾角，从而减小刀具的切削力，便于切削。
2.3 玻璃钢的加工
玻璃钢的特点包括耐腐蚀、高硬度、易碎、耐高温、透明性较好等。玻璃钢种类较多，比如塔器、玻璃钢罐和玻璃钢管等，根据树脂成分可分为不饱和聚酯树脂基、环氧树脂基和酚醛树脂基等。玻璃钢的可切削性与树脂基紧密相关，通常情况下，树脂基的不同会影响玻璃钢的切削性能。从以往的试验中可发现，玻璃钢刀具在高速切削中的磨损非常严重。因此，在切削时，可换成立方氮化硼刀具或金刚石刀具，使用这些刀具切削玻璃钢可大大提高生产效率。在选择刀具的几何参数时，必须掌握科学规律，按照材料性质选择。
3 复合材料机械的加工
通常情况下，复合材料机械加工的流程为：锯切→磨削→铣削→车削→切割→仿形铣→钻孔。而复合型材料具有更先进的加工方法，比如电化学加工、激光束加工、电子束加工、高压水切割、电火花加工和超声波加工等。在加工复合材料时，相关人员要高度重视复合材料切削的稳定性，科学、合理地选择切削温度，并深入分析、研究新型刀具高速切削的方式，从而提高复合型材料机械加工的质量。此外，还可采用电子显微镜观察碳纤维复合型材料的孔壁，以探究复合型材料机械加工的优化方式，确保碳纤维复合材料机械加工的顺利进行。
4 结束语
综上所述，现代化机械加工过程中常使用复合材料，而复合型材料的加工工艺比较复杂，尤其是在切削时，切削的温度、速度等因素会影响机械产品的质量。因此，在复合材料机械加工的过程中，相关人员要科学设定切削的速度和温度，尽可能避免刀具受到破坏，以确保复合材料机械加工的进度和质量。
参考文献
[1]孙开颜，姚伟，高祥政.纤维增强复合材料产品加工工艺的改进[J].才智，2015，23（02）.
[2]魏仕华.切削加工对芳纶纤维增强复合材料（KFRP）构件表面质量的影响研究[J].制造业自动化，2015，13（02）.
〔编辑：张思楠〕

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