張春偉

（江蘇協(xié)鑫特種材料科技有限公司，江蘇徐州 221004）

碳纖維增強復(fù)合材料加工技術(shù)研究進(jìn)展

張春偉

（江蘇協(xié)鑫特種材料科技有限公司，江蘇徐州 221004）

為順應(yīng)新時期工業(yè)，建筑業(yè)，航天技術(shù)業(yè)的快速發(fā)展，技術(shù)革新和新材料應(yīng)用已為社會發(fā)展的決定因素，也為人類技術(shù)文明走向更高的階段提供了基本保障。在新材料逐漸取代傳統(tǒng)材料的大背景下，碳纖維增強復(fù)合材料也得到了廣泛應(yīng)用，使得各行各業(yè)都面臨著新的發(fā)展機遇。介紹了碳纖維復(fù)合材料的多種加工方式，旨在了解各技術(shù)方法不同情況下的應(yīng)用，通過深入分析，研究碳纖維復(fù)合材料更為科學(xué)的加工技術(shù)。

碳纖維；復(fù)合材料；加工技術(shù)

碳纖維增強復(fù)合材料（CFRP），其組成成分介于碳和石墨之間，是一種耐熱性能好，輕質(zhì)高強度的纖維聚合物，其表現(xiàn)出優(yōu)良的耐疲勞性和抗腐蝕性，備受新型工業(yè)青睞，大量用于建筑行業(yè)、醫(yī)療行業(yè)、軍隊設(shè)備和航空設(shè)備制造業(yè)中。CFRP在加工過程中，基體和纖維存在較為復(fù)雜的內(nèi)部相互作用，使其物理特性與金屬有較大區(qū)別，密度遠(yuǎn)小于金屬，而強度大于絕大部分金屬。因為CFRP的不均勻性，在加工過程中往往會出現(xiàn)纖維拉出或基質(zhì)纖維的現(xiàn)象；CFRP具有較高的耐熱性和耐磨性，使其在加工過程中對設(shè)備的要求較高，因為生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量切削熱對設(shè)備磨損較為嚴(yán)重。同時，其應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴展，要求也越來越細(xì)膩，對材料適用性做出要求，對CFRP的質(zhì)量要求也越來越苛刻，也致使加工成本上浮，所以，對CFRP加工技術(shù)的研究也顯得非常必要。本文闡述了現(xiàn)階段關(guān)于CFRP加工的5種主要技術(shù)：車削加工、銑削加工、鉆孔加工、磨削加工、超聲振動加工技術(shù)。對比各加工工藝，旨在為選擇更有效合理的加工方法加工CFRP提供參考。對CFRP 切削理論中，CFRP的不均勻性和各向異性，導(dǎo)致工件和刀具的相互作用有明顯差異性。通過對CFRP加工過程中切屑產(chǎn)生以及材料去除的機理分析，更加深刻了解CFRP加工的發(fā)展歷程。另外，通過對加工過程細(xì)致化的假設(shè)研究，基于現(xiàn)在切削理論，對由于切削產(chǎn)生的切削熱進(jìn)行分析研究，研究加工時各參數(shù)的設(shè)置對成品表面質(zhì)量的影響，并反復(fù)調(diào)整核對參數(shù)，以生產(chǎn)出更高標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品為目標(biāo)，優(yōu)化現(xiàn)有技術(shù)。

1 原理

1.1 纖維取向

纖維取向在CFRP工件和刀具接觸面的相互作用中會產(chǎn)生重大影響，因此在 CFRP加工時，有必要明確描述出不同纖維取向。在CFRP切削過程中，切屑形成和纖維取向密切相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，CFRP工件和刀具接觸面的斷裂是由刀尖所施加的壓力導(dǎo)致的。在多種纖維取向方面，共有 3 種切削機理：①纖維的斷裂沿著纖維和基體接觸面的方向，即纖維取向是 0°；②刀具剪切時方向垂直于纖維軸，纖維取向為75°；③纖維取向為 90°甚至負(fù)角度，纖維方向角度 30°、60°、90°是最關(guān)鍵的方向，它們會導(dǎo)致大的切削力和集中磨損及工件破壞，通過增加刀具后角值可以有效地減小進(jìn)給推力。

1.2 切削熱

在進(jìn)行切削工作的時候，工件和切削刀具之間摩擦升溫，甚至引起刀具高溫軟化或分解。CFRP的切削過程是碳纖維斷裂和基體材料去除的復(fù)雜過程，且CFRP導(dǎo)熱性較差，所以在切削過程禁止使用冷卻液，致使產(chǎn)生的切削熱不能快速散出，從而將熱量傳到切削刀具上，使工件的表面熱量更加劇，影響復(fù)合材料表面成型，降低了復(fù)合材料使用中的性能。大量切削熱也加劇了切削設(shè)備的磨損，使其使用壽命大打折扣。

1.3 刀具磨損機理

之所以說CFRP 屬于難加工材料，其主要的原因還有就是對刀具磨損非常迅速，刀具的更換周期相當(dāng)短。其加工進(jìn)程中對刀具的磨損機理為：工件在刀具上被加工時，二者表面接觸大，在加工過程中，長期的磨損，震動，使刀具上的硬質(zhì)顆粒偶有脫離，從而形成了所謂的刀具磨損。其磨損類型大致可分為刀具破壞和磨損。按照磨損的位置不同，磨損又可分為刀尖磨損、刀具側(cè)面磨損、刀具邊緣破壞和邊緣磨損。CFRP 有很多機械加工方法，傳統(tǒng)的方法包括車削、磨削、鉆孔等，非傳統(tǒng)方法包括超聲振動切削加工等。

2 加工技術(shù)

2.1 車削加工

車削是在CFRP加工中應(yīng)用最多的方法也是最基礎(chǔ)的方法，通常適用于圓柱表面預(yù)定公差的實現(xiàn)。適合車削可以應(yīng)用的刀具主要材料為：硬質(zhì)合金或陶瓷以及聚晶金剛石。加工工藝中進(jìn)刀速率，所切深度，和切削的速度都會影響工件成品表面質(zhì)量和道具損壞程度，這也是進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化的目標(biāo)方向。

2.2 銑削加工

銑削通常是對成品工件再加工的一種加工方式，要求的加工精度較高，對復(fù)雜工件粗加工后的修繕性的銑削過程。在加工過程中，同樣端銑刀和 CFRP之間要進(jìn)行復(fù)雜的相互作用，造成CFRP工件存在沒切斷的纖維紗線以及分層現(xiàn)象。為減少和避免類似缺陷產(chǎn)生，專家學(xué)者進(jìn)行更細(xì)致的探測發(fā)現(xiàn)，只要在加工前期，科學(xué)預(yù)測切削力和軸分層和未切斷的纖維紗線毛邊的現(xiàn)象時有發(fā)生的大小，控制加工工藝參數(shù)設(shè)置，將有效減少了毛刺毛邊的產(chǎn)生。故得銑削加工的技術(shù)要求：反復(fù)實驗纖維取向，軸向和切向進(jìn)給速度，形成最佳參數(shù)，進(jìn)行銑削加工。

2.3 鉆孔加工

工件要求螺栓或鉚接裝配時需鉆孔操作。而在CFRP鉆孔過程中仍然存在一定問題：材料的離層現(xiàn)象，刀具的嚴(yán)重?fù)p耗以及孔內(nèi)壁的質(zhì)量問題。經(jīng)實驗分析，設(shè)置的切削參數(shù)、鉆頭的幾何形態(tài)以及切削的質(zhì)量對上訴產(chǎn)生的問題均產(chǎn)生明顯影響。我們通常把損傷區(qū)最大直徑和孔徑比率稱為損傷因子，也是表示分層現(xiàn)象的程度，分層因子越大，表示分層問題越為嚴(yán)重。并且我們通過實驗可以推理，切削過程中推力和分層現(xiàn)象產(chǎn)生也有相互關(guān)系，推削力的大小也可表示分層程度。另外，基于相同的鉆孔材料，不同于其他加工方式，鉆孔加工中切削速率不會給切削力產(chǎn)生很大影響。

2.4 磨削加工

通常在船舶制造，航天工業(yè)領(lǐng)域，對CFRP的工件質(zhì)量要求更為苛刻。工件精度和質(zhì)量都要求在較高加工方式下進(jìn)行，而磨削加工的施工工藝恰恰符合其制造要求。磨削加工件精度要求十分嚴(yán)格，需對已經(jīng)粗加工的工件進(jìn)行細(xì)磨加工。然而，磨削加工CFRP要比金屬困難和復(fù)雜得多，國內(nèi)外學(xué)者也進(jìn)行了相關(guān)研究，設(shè)計了一種杯形砂輪，在其內(nèi)部提供冷卻液對CFRP進(jìn)行磨削加工，比較了干式磨削、外部冷卻液磨削和內(nèi)部冷卻液磨削 3種加工方式，結(jié)果顯示：內(nèi)部冷卻液磨削方式加工過程中，附著于砂輪上的基體樹脂明顯減少，砂輪中的磨粒能更有效地磨削纖維且在材料表面不會產(chǎn)生層離或毛刺現(xiàn)象。這種砂輪內(nèi)部提供冷卻液的方法展示出了更強的冷卻效果，能顯著降低磨削溫度，同時有利于切屑的排出。

2.5 超聲振動加工技術(shù)

超聲振動加工機理是建立在傳統(tǒng)加工過程中刀具和工件相對運動的基礎(chǔ)上的，然后在對兩者施加一定的超聲振動，從而生產(chǎn)出性能更優(yōu)越的復(fù)合型材料。該技術(shù)屬于對傳統(tǒng)技術(shù)的優(yōu)化，較傳統(tǒng)加工方式，技術(shù)更加先進(jìn)，成品工件表面質(zhì)量更加細(xì)膩，同時也降低裂紋產(chǎn)生的現(xiàn)象，節(jié)省了加工成本。有效減低了 CFRP增強復(fù)合材料的加工難度，超聲波的應(yīng)用，徹底改善了材料去除機理，降低工具和工件相互的摩擦力，減少了工具加工時間，增強了刀具作用力，提高了加工效率，減少了刀具磨損，使工件加工的精度和質(zhì)量更先進(jìn)。

3 結(jié)束語

通過對CFRP幾種加工技術(shù)的分析研究，闡述了各加工工藝以、優(yōu)缺點以及適用條件，為選擇更合適的加工技術(shù)提供參考，為未來CGRP在更多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供成熟穩(wěn)定的技術(shù)支撐。

[1] 王昌贏，文亮.碳纖維增強復(fù)合材料銑削加工技術(shù)研究進(jìn)展[J].航空制造技術(shù)，2015，（14）.

[2] 單晨偉；呂曉波.碳纖維增強復(fù)合材料銑削和鉆孔技術(shù)研究進(jìn)展[J].航空制造技術(shù)，2016，510（15）.

[3] 劉樹良，陳濤，魏宇祥，吳超群.碳纖維增強復(fù)合材料加工技術(shù)研究進(jìn)展[J].航空制造技術(shù)，2015，483（14）：81-86.

[4] 簡龍藝，林有希.碳纖維復(fù)合材料銑削加工研究進(jìn)展[J].工具技術(shù)，2014，48（4）：3-6.

[5] 王昌贏，文亮，明偉偉，等.碳纖維增強復(fù)合材料銑削加工技術(shù)研究進(jìn)展[J].航空制造技術(shù)，2015，483（14）：76-80.

Research Progress in Processing Technology of Carbon Fiber Reinforced Composites

Zhang Chun-wei

In order to conform to the rapid development of industry，construction，and aerospace industry，technological innovation and new material application become the unavoidable requirement of the social progress，it also provides basic element for the realization of higher technical civilization.New materials gradually replace conventional material，carbon fiber reinforced composite is also intensively applied，all industries are faced with new development opportunities.This report introduces several processing methods of carbon fiber reinforced composite，aims to study more scientific processing technical application of carbon fiber reinforced composite through analysis on the application under different situations.

carbon fiber；composite；processing technical

TB332

A

1003-6490（2017）01-0049-02

2017-01-19

張春偉（1973—），男，吉林榆樹人，工程師，主要從事新材料、新技術(shù)等項目開發(fā)工作。