李俊孝

摘 要：目前，全世界各地對復(fù)合材料的研究越來越取得大的進(jìn)展。所謂的復(fù)合材料，其實(shí)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(qiáng)體，用科學(xué)的手段進(jìn)行組合，所具有的特性可以互相取長補(bǔ)短。本文綜述了纖維在增強(qiáng)復(fù)合材料上的應(yīng)用，對復(fù)合材料的常規(guī)機(jī)械加工方法進(jìn)行了較詳細(xì)的論述，介紹了提高機(jī)械加工質(zhì)量的有效措施。

關(guān)鍵詞：纖維增強(qiáng)復(fù)合材料；機(jī)械加工技術(shù)

復(fù)合材料是由兩種或兩種以上性質(zhì)不同的材料，通過工藝手段組合而成的。它的各個(gè)組成材料在性能上起到協(xié)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(fù)合材料技術(shù)發(fā)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(xué)性能設(shè)計(jì)等方面，有關(guān)復(fù)合材料的二次加工等方面的研究則比較少，特別是有關(guān)加工工藝的研究更是處于起步階段。隨著復(fù)合材料應(yīng)用的日益廣泛，二次機(jī)械加工越來越多，機(jī)械加工所引起的問題也會越來越受到重視。

一、纖維在增強(qiáng)復(fù)合材料上的應(yīng)用

聚合物纖維可廣泛用于工程領(lǐng)域，但在相當(dāng)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(qiáng)復(fù)合材料的開發(fā)提供了空間。強(qiáng)度是纖維復(fù)合材料的重要評價(jià)指標(biāo)之一。通常復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能及熱性能等可依據(jù)纖維添加量、纖維取向程度和長度的變化而改善。目前，優(yōu)化復(fù)合材料的性能/重量比，提高制品強(qiáng)力、剛性與重量比，降低成本及加工過程對環(huán)境的沖擊，改善可用性和安全性正成為復(fù)合材料技術(shù)進(jìn)步的主流趨勢。用作增強(qiáng)的纖維材料包括有機(jī)及無機(jī)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(qiáng)復(fù)合材料的鮮明特點(diǎn)。大量研究結(jié)果顯示，環(huán)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(fā)都取得了可喜進(jìn)展。由于生物高分子技術(shù)的進(jìn)步，目前已有可能制得生物聚合物復(fù)合材料。在種植、加工、制品成型及使用中，其明顯低碳經(jīng)濟(jì)特征，具有引領(lǐng)轉(zhuǎn)變生產(chǎn)模式、改變?nèi)藗兏咛枷M(fèi)傾向和碳偏好的可能，因而正形成產(chǎn)業(yè)用紡織品一個(gè)新的開發(fā)領(lǐng)域。

二、復(fù)合材料的常規(guī)機(jī)械加工方法

復(fù)合材料的常規(guī)機(jī)械加工方法簡單、方便、工藝較為成熟，但加工質(zhì)量不高，易損壞加工件，刀具磨損快，而且難以加工形狀復(fù)雜的工件。

1.銑削、切割、車削和磨削。聚合物基復(fù)合材料用常規(guī)普通車床或臺式車床就可方便地進(jìn)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(fù)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(jī)。熱塑性聚合物基復(fù)合材料用常規(guī)機(jī)械打磨時(shí)，要加冷卻劑，以防磨料阻塞。磨削有兩種機(jī)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(shí)不要用流動(dòng)冷卻劑，以防工件變軟。目前碳纖維增強(qiáng)復(fù)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(jìn)磨削加工在碳纖維復(fù)合材料中的應(yīng)用。熱塑性樹脂基復(fù)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(fù)合材料一般用切割、車削、銑削和磨削就可加工。對大多數(shù)金屬基復(fù)合材料而言，獲得優(yōu)良機(jī)加工產(chǎn)品的前提是刀具要鋒利、切削速度要適當(dāng)、要供給充足冷卻液或潤滑劑和進(jìn)給速度要快。

2. 鋸切。玻璃纖維增強(qiáng)熱固性基體層壓板，采用手鋸或圓鋸切割。碳纖維增強(qiáng)復(fù)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(shù)與碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料厚度有很大關(guān)系，進(jìn)給量應(yīng)與厚度成反比例。熱塑性樹脂基復(fù)合材料采用帶鋸和圓鋸等常用工具時(shí)要加冷卻劑。石墨/環(huán)氧復(fù)合材料最好用鑲有硬質(zhì)合金的刀具切割。金屬基復(fù)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(fù)合材料進(jìn)行常規(guī)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(fù)合材料有相當(dāng)大的損壞。

3. 鉆孔和仿形銑。在復(fù)合材料上鉆孔或作仿形銑時(shí)，大多數(shù)熱固性復(fù)合材料層合板經(jīng)鉆孔和仿形銑后會產(chǎn)生收縮，因此精加工時(shí)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(shí)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(fù)合材料的性質(zhì)與金屬不同，因此在碳纖維增強(qiáng)復(fù)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(qiáng)復(fù)合材料鉆削制孔方向是碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的關(guān)鍵加工工藝之一。防止鉆孔時(shí)出口端纖維分層，在結(jié)構(gòu)開敞條件下，孔的出口面要用硬質(zhì)高密度板支撐并墊實(shí)，這樣能有效地防止孔出口分層和劈裂。

三、提高機(jī)械加工質(zhì)量的措施

先進(jìn)復(fù)合材料的歷史較短，發(fā)展較快，盡管機(jī)械加工方面的理論研究尚未健全，但大量的應(yīng)用研究已經(jīng)先行一步，并取得了豐碩的成果。

新型刀具的研究是提高復(fù)合材料加工質(zhì)量的重要手段。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于復(fù)合材料對刀具磨損嚴(yán)重，高速鋼鉆頭刃磨一次只能鉆3～4個(gè)孔，如采用硬質(zhì)合金鉆頭則可以鉆100個(gè)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(zhì)合金鉆頭高若干倍。根據(jù)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(fù)合材料的加工質(zhì)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(jìn)給量，進(jìn)給量越低則切削力越小，加工表面的質(zhì)量也就越高。這一規(guī)律同樣適用于復(fù)合材料切削，當(dāng)切削力小到不足以產(chǎn)生分層、撕裂、劈裂等各種缺陷時(shí)，即可獲得高質(zhì)量的加工表面。

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

四、結(jié)語

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料切削技術(shù)的研究剛剛起步，還是一個(gè)新的領(lǐng)域，有許多問題值得進(jìn)一步深入研究。隨著復(fù)合材料應(yīng)用的日益廣泛和各種加工技術(shù)的不斷發(fā)展，我們相信纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的加工技術(shù)也會隨之不斷進(jìn)步。復(fù)合材料特種加工具有常規(guī)機(jī)械加工方法無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，具有加工質(zhì)量高、能加工復(fù)雜形狀的工件、容易監(jiān)控和經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn)，是復(fù)合材料機(jī)械加工未來發(fā)展的主要方向。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李志強(qiáng).纖維增強(qiáng)復(fù)合材料機(jī)械加工技術(shù).航空制造技術(shù)，2003，（12）：34-37.

[2] 裘鏡蓉.復(fù)合材料特種加工現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢.航天情報(bào)研究報(bào)告，HQ-B91054：917-924.