趙正興 劉傳瑞 龐中強(qiáng) 張玉慶 陳瑩

摘 要：碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的一類復(fù)合材料，具有較強(qiáng)的耐高溫性能、抗腐蝕性能、較低的熱膨脹系數(shù)以及比模量高等一系列特點(diǎn)。本文從纖維方向角和加工參數(shù)與刀具材料兩個(gè)方面入手，對碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料銑削加工質(zhì)量的影響因素展開分析，同時(shí)對碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料銑削加工技術(shù)要點(diǎn)和鉆孔技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行深入研究，希望能為相關(guān)研究工作的開展提供參考。

關(guān)鍵詞：碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料；銑削加工技術(shù)；鉆孔技術(shù)

前言：與傳統(tǒng)的金屬材料相比，碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料與碳/碳復(fù)合材料憑借較高的強(qiáng)度和比模量高等性能，被廣泛的應(yīng)用到航空航天領(lǐng)域中。但是由于碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料自身的脆性較大以及層間剪切強(qiáng)度相對較低，所以在實(shí)際的加工過程中往往會出現(xiàn)分層、撕裂或者毛刺等加工缺陷問題。本文針對碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的加工問題，從銑削與鉆孔兩個(gè)角度進(jìn)一步討論碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的加工工藝。

一、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料銑削加工技術(shù)要點(diǎn)

（一）碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料銑削加工質(zhì)量的影響因素

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料銑削加工表面質(zhì)量的高低會直接影響到碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料銑削加工工件的實(shí)際應(yīng)用性能，為了有效保障加工工件自身的耐磨性能、抗疲勞性能以及抗腐蝕性能，需要從碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料銑削加工質(zhì)量的影響因入手，深入研究各類影響因素對碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料銑削加工質(zhì)量以及工件裝配精度的關(guān)系。通過對相關(guān)文獻(xiàn)資料的分析，筆者將碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料銑削加工質(zhì)量的影響因素進(jìn)行以下總結(jié)：第一，纖維方向角。纖維方向角是影響碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料銑削加工質(zhì)量的關(guān)鍵性因素之一，相關(guān)研究結(jié)果表明，纖維方向角處于0～45°之間，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料銑削加工表面質(zhì)量較好，當(dāng)纖維方向角處于45°時(shí)，其加工表面質(zhì)量表現(xiàn)最優(yōu)，超過45°時(shí)，加工表面質(zhì)量呈下降趨勢；第二，加工參數(shù)與刀具材料。加工參數(shù)對于碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料銑削加工質(zhì)量的影響規(guī)律如下：隨著進(jìn)給速度的不斷增大，加工表面的粗糙程度也會隨之增大。隨著切削速度的不斷加快，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料銑削加工表面粗糙程度會隨之減小。

（二）銑削刀具的研究要點(diǎn)

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在進(jìn)行切削加工過程中，由于無法采取切削液冷卻操作，所以加工刀具往往會因?yàn)榍邢鲄^(qū)溫度過高而對刀具的使用壽命造成較大的影響，加工工件表面質(zhì)量以及加工精度也會有所降低。對此，在進(jìn)行碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料銑削加工時(shí)，一般會要求刀具材料具有較強(qiáng)的硬度、較好的耐磨性能以及摩擦系數(shù)相對降低等一系列特點(diǎn)，同時(shí)刀具刀刃需要保持一定的鋒利，以此來降低碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料銑削加工過程中毛刺、分層、崩邊等加工缺陷的出現(xiàn)幾率[1]。從碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料銑削刀具的研究現(xiàn)狀來看，應(yīng)用最為廣泛的一類銑削刀具材料為硬質(zhì)合金，涂層大多會以低壓化學(xué)氣相沉積金剛石涂層為主，一些聚晶金剛石涂層與立方氮化硼涂層等超硬材料也有一定的應(yīng)用。

（三）銑削力的研究要點(diǎn)

對于碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料銑削加工技術(shù)中銑削力的研究，主要是利用建立銑削力模型的研究方式開展，通過對切削參數(shù)的合理預(yù)測，從而為碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料銑削加工質(zhì)量的控制工作進(jìn)行有效控制。比如：在實(shí)際的銑削力研究過程中，采用經(jīng)驗(yàn)建模的方法，通過大量的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料銑削力試驗(yàn)，借助多元線性回歸的方式，科學(xué)建立碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料高速銑削力經(jīng)驗(yàn)公式，同時(shí)利用方差對銑削力經(jīng)驗(yàn)公式的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證[2]。

二、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料鉆孔加工技術(shù)要點(diǎn)

（一）超聲振動鉆孔技術(shù)

在碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料鉆孔加工技術(shù)的研究過程中，超聲振動鉆孔技術(shù)是一種周期性的脈沖切削技術(shù)，與非連續(xù)性的切削技術(shù)相比，超聲振動鉆孔技術(shù)主要是借助超聲波加工技術(shù)和機(jī)械加工技術(shù)兩者的有效融合，由此形成的一種新型碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料鉆孔切削技術(shù)。超聲輔助鉆孔技術(shù)在實(shí)際的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料鉆孔加工過程中，是建立在傳統(tǒng)鉆削機(jī)床加工運(yùn)動的基礎(chǔ)上，通過對旋轉(zhuǎn)鉆削工具施加超聲振動的方式，實(shí)現(xiàn)對碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料鉆孔技術(shù)的超聲輔助鉆削。此外，與傳統(tǒng)的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料鉆孔技術(shù)相比，超聲振動鉆孔技術(shù)是一種斷續(xù)切削技術(shù)，所以在進(jìn)行鉆孔排屑時(shí)表現(xiàn)的非常及時(shí)，從而有效降低切削力以及切削溫度，在改善加工工件表面質(zhì)量的同時(shí)，進(jìn)一步延長刀具的使用壽命。

（二）螺旋銑孔技術(shù)

螺旋銑孔技術(shù)是一種新型的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料鉆孔加工技術(shù)，在加工過程中一般會利用刀具的自轉(zhuǎn)，以繞孔中心軸線做公轉(zhuǎn)運(yùn)動的方式沿軸向進(jìn)給，這時(shí)刀具中心的運(yùn)動軌跡會呈現(xiàn)出螺旋線路。與傳統(tǒng)的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料鉆孔技術(shù)相比，螺旋銑孔技術(shù)具有更多的應(yīng)用優(yōu)勢，比如：可以有效降低切削力和能夠及時(shí)排屑和進(jìn)行散熱，同時(shí)有利于實(shí)現(xiàn)對一把刀具進(jìn)行不同直徑孔的加工，在充分發(fā)揮出刀具加工優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，有效降低碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料鉆孔加工的生產(chǎn)成本。從當(dāng)前的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料螺旋銑孔技術(shù)的研究來看，為了有效優(yōu)化螺旋銑孔的切削力，可以通過建立纖維方向角切削力機(jī)械模型的方式，利用相應(yīng)曲面的計(jì)算法來合理設(shè)置切削力系數(shù)。

總結(jié)：綜上所述，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是當(dāng)前航空航天領(lǐng)域中最為常見的復(fù)合材料，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的加工質(zhì)量會直接影響到航空器的飛行安全。為了進(jìn)一步提高碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的加工質(zhì)量，還需要從碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料銑削加工質(zhì)量的影響因素、銑削刀具的研究要點(diǎn)以及銑削力的研究要點(diǎn)等多個(gè)方面進(jìn)行綜合考慮。只有真正認(rèn)識到碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的性能優(yōu)勢，才能創(chuàng)造出更大的研究價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉振旺，秦旭達(dá)，田利成.碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料與鈦合金鉆孔技術(shù)研究進(jìn)展[J].航空制造技術(shù)，2016（17）：71-76.

[2]單晨偉，呂曉波.碳纖維增強(qiáng)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（15）：34-41.