王兆慧

摘 要 碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料是一種新型的復(fù)合材料，具有良好的性能，廣泛應(yīng)用于航天航空等領(lǐng)域。但由于其復(fù)雜的組成結(jié)構(gòu)，其屬于難加工材料。如果加工方式選擇不當(dāng)，則容易造成工件尺寸偏差和表觀質(zhì)量不合格。因此，本文對(duì)碳纖維復(fù)合材料的加工技術(shù)進(jìn)行了探析，闡述了復(fù)合材料機(jī)械加工的機(jī)理與特點(diǎn)，介紹了高壓磨料水射流、激光束加工兩種特種加工方法，其具有常規(guī)機(jī)械方法無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞 碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料；機(jī)械加工；高壓磨料水射流；激光束

ABSTRACT Carbon fiber reinforced composities material is a new type of composite material with good performance and is widely used in aerospace and other fields. However， it is a difficult material to machine due to its complex composition. If the processing method is not selected properly， it is easy to cause the workpiece size deviation and apparent quality to be unqualified. Therefore， this paper analyzes the processing technology of carbon fiber composite materials， expounds the mechanism and characteristics of composite material machining， and introduces two special processing methods of high-pressure abrasive water jet and laser beam processing， which have the advantages that conventional mechanical methods cannot match.

KEYWORDS carbon fiber reinforced composites; machining; high-pressure abrasive water jet; laser beam

1 引言

碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料[1]（CFRP）是以碳纖維為增強(qiáng)體、聚合物樹(shù)脂為基體的功能性材料，具有輕質(zhì)、高比強(qiáng)、高比模、耐腐蝕、抗疲勞、材料性能可設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)[2]，廣泛應(yīng)用于航天、航空、汽車等領(lǐng)域[3]。隨著碳纖維復(fù)合材料在實(shí)際應(yīng)用中的不斷深入，對(duì)其進(jìn)行研究的力度也在逐漸增強(qiáng)，出現(xiàn)了很多高性能的的新型材料，如耐高溫、耐燒蝕材料[4-6]，但對(duì)碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料機(jī)械加工技術(shù)的研究相對(duì)較少。所以，加大對(duì)碳纖維復(fù)合材料加工技術(shù)的探索與分析，具有一定的意義。尤其是特種加工技術(shù)，它具有常規(guī)機(jī)械方法無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。

2 碳纖維復(fù)合材料加工技術(shù)

CFRP零部件加工技術(shù)主要有機(jī)械加工和特種加工，本文闡述了以下加工技術(shù)的特點(diǎn)、切削機(jī)理，并對(duì)該種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)歸納，提出 CFRP切削加工面臨的問(wèn)題。

2.1 CFRP的機(jī)械加工

機(jī)械加工是使用機(jī)床、刀具等設(shè)備對(duì)CFRP零部件進(jìn)行精加工，根據(jù)零部件的尺寸精度和裝配工藝等要求選擇合適的刀具、加工參數(shù)和切削方法，如車削、銑削、鉆孔、磨削等。機(jī)械加工的工藝流程一般分為六步，分別為機(jī)床準(zhǔn)備、加工零部件固定（裝夾）、刀具安裝、工藝參數(shù)設(shè)置、粗加工和精加工。機(jī)械加工具有工藝設(shè)備簡(jiǎn)單（與金屬加工設(shè)備基本相同）、加工成本低、適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[7]，但由于CFRP材料具有高強(qiáng)度、高硬度、導(dǎo)熱性較差、各向異性等特點(diǎn)，使其在機(jī)械加工過(guò)程中容易出現(xiàn)以下現(xiàn)象[8-10]。

（1）材料產(chǎn)生分層破壞

分層是復(fù)合材料鋪層之間由于存在過(guò)高的應(yīng)力導(dǎo)致脫膠而產(chǎn)生的一種破壞現(xiàn)象。CFRP具有非均勻性、層間結(jié)合強(qiáng)度較低的特點(diǎn)，連續(xù)的纖維容易在受刀具切削的過(guò)程中，偏離當(dāng)前層平面，進(jìn)而導(dǎo)致各個(gè)材料層之間產(chǎn)生應(yīng)力作用，從而引起CFRP零部件內(nèi)部出現(xiàn)分層。同時(shí)當(dāng)切削參數(shù)（進(jìn)給量、主軸轉(zhuǎn)速等）不合理時(shí)，會(huì)使材料層間受到額外的剪切力與層間應(yīng)力作用，導(dǎo)致零部件加工區(qū)域周圍形成分層，如圖1所示。分層會(huì)降低材料的性能甚至使零部件報(bào)廢，即使是很小的分層也是非常嚴(yán)重的缺陷。

（2）加工刀具磨損嚴(yán)重

CFRP切削過(guò)程是一個(gè)碳纖維斷裂和樹(shù)脂基體破壞相同時(shí)進(jìn)行的復(fù)雜過(guò)程。在此過(guò)程中，刀具會(huì)與復(fù)合材料長(zhǎng)時(shí)間的摩擦，這會(huì)使刀具刃口鈍化。同時(shí)刀具所處于的工作環(huán)境非常糟糕，不僅它的工作空間非常狹小，而且環(huán)境內(nèi)部溫度也很高，進(jìn)而產(chǎn)生的切削熱集中于刀尖、刀刃，更加影響刀具的壽命。而且當(dāng)?shù)毒吲c材料摩擦后，會(huì)產(chǎn)生大量的粉末，這些粉末又會(huì)對(duì)刀具產(chǎn)生一定的影響。并且在切削過(guò)程中，還會(huì)出現(xiàn)碳纖維回彈的問(wèn)題，加重了刀具的磨損，降低刀具的壽命。

（3）產(chǎn)生殘余應(yīng)力

在碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中，主要有兩部分組成，一種為碳纖維，另一種為基體樹(shù)脂，兩部分無(wú)論在物理性質(zhì)還是化學(xué)性質(zhì)都有著較大的差異，最為突出的是膨脹系數(shù)。而材料的機(jī)械加工是伴隨著大量的熱量產(chǎn)生，導(dǎo)致加工端面溫度很高，使材料發(fā)生熱膨脹，由于兩個(gè)組分膨脹系數(shù)不同，致使材料層間存在著熱應(yīng)力，這也是產(chǎn)生殘余應(yīng)力的原因之一；同時(shí)，由于復(fù)合材料還呈現(xiàn)各項(xiàng)異性，層間強(qiáng)度很低，切削時(shí)在切削力的作用下容易產(chǎn)生分層、撕裂等缺陷[11]，進(jìn)而產(chǎn)生殘余應(yīng)力。鉆孔時(shí)表現(xiàn)的尤為明顯，加工質(zhì)量難以保證，尺寸精度和表面粗糙度都很難合格。

2.1.1 CFRP機(jī)械加工去除機(jī)理

CFRP材料的機(jī)械加工過(guò)程中主要去除形式為CFRP受到切削刀具的擠壓、剪切、彎曲和拉伸后直接發(fā)生脆性斷裂而形成切屑[12，13]。CFRP的切削除受到材料屬性的影響外，還受到碳纖維取向分布的影響，不同纖維取向下，纖維所受的力不同，其切除機(jī)理也有較大的不同。以一束碳纖維的切削受力模型分析切削去除機(jī)理，如圖2所示。圖中θ為一束碳纖維與加工方向的夾角，即纖維的方向；Fr為切削力；Fτ為切削力沿垂直纖維軸向的分力；Fб為切削力沿纖維軸向的分力；Mб為纖維所受的彎曲應(yīng)力。

當(dāng)θ=0°/180°時(shí)，刀具切削方向與纖維平行并形成抽向擠壓應(yīng)力，CFRP切削部分發(fā)生層間分離使纖維被掀起，在彎曲應(yīng)力與壓縮應(yīng)力共同作用下發(fā)生纖維脆性斷裂并形成切屑；當(dāng)θ=90°/270°時(shí)，切削方向與纖維軸向垂直，切削力Fr與纖維軸向垂直，形成沿垂直纖維軸向的剪切應(yīng)力Fτ。在剪切應(yīng)力Fτ作用下，樹(shù)脂基體由于強(qiáng)度低容易發(fā)生破裂。樹(shù)脂基體破裂后，碳纖維成為承載主體，剪切應(yīng)力對(duì)碳纖維形成剪切作用，在剪切作用下碳纖維發(fā)生脆性剪切斷裂；當(dāng)0°＜θ≤45°時(shí)，切削力Fr可分解為沿纖維軸向的拉伸應(yīng)力Fб和垂直纖維軸向的剪切應(yīng)力Fτ，在拉伸應(yīng)力Fб和剪切應(yīng)力Fτ作用下，纖維受到拉伸和壓縮作用而發(fā)生脆性斷裂。隨著θ的增大，纖維所受的剪切作用越明顯；當(dāng)135°＜θ≤180°時(shí)，切削力巧可分解為沿纖維軸向的壓縮應(yīng)力Fб和垂直纖維軸向的剪切應(yīng)力Fτ，同時(shí)，切削部位在刀具推擠力作用下發(fā)生彎曲，產(chǎn)生彎曲應(yīng)力Mб。在這幾個(gè)力的綜合作用下，纖維發(fā)生脆性斷裂。

2.2 CFRP的特種加工

CFRP材料的特種加工方法主要有高壓磨料水射流、激光束加工等，特種加工方法解決了傳統(tǒng)機(jī)械加工方法由于刀具磨損與切削力熱引發(fā)的加工精度、表面質(zhì)量與生產(chǎn)環(huán)境差等問(wèn)題，在CFRP材料加工中，得到了極大的應(yīng)用。

2.2.1 高壓磨料水射流加工

使用高壓磨料水射流法能夠克服傳統(tǒng)機(jī)械加工的部分缺點(diǎn)，對(duì)復(fù)合材料樣品的厚度幾乎沒(méi)有限制，且加工阻力較小，不易出現(xiàn)分層和撕裂損傷。其原理為介質(zhì)水通過(guò)水泵，將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)樗膲毫δ?，再通過(guò)噴嘴小孔將水高速噴出，形成高能射流，使水的壓力轉(zhuǎn)變成動(dòng)能而完成材料切割的一種方式。當(dāng)水射流沖擊被切割工件時(shí)，動(dòng)能又重新變成作用于材料上的壓力能。若壓力能超過(guò)材料破壞強(qiáng)度，即可切斷材料。為提高加工效率和質(zhì)量，在水介質(zhì)中加入一定比例的磨料，如金剛石、石英砂等，利用磨料的高硬度、尖銳頂角，提高水流的切割和破碎能力，如圖3所示[14]。

高壓磨料水射流法在加工時(shí)通過(guò)調(diào)整噴射壓力、進(jìn)給速度、切割靶距和磨料流量等主要加工參數(shù)來(lái)控制工件的質(zhì)量。（1）噴射壓力小時(shí)，高壓水與磨料組成的二相流體沖擊力不足、切割能力弱；當(dāng)噴射壓力過(guò)大時(shí)，磨料粒子流量不變、間隙增大，會(huì)降低切割能力。（2）對(duì)于進(jìn)給速度而言，其主要影響二相流體作用于CFRP工件的時(shí)間及切割深度。當(dāng)進(jìn)給速度小或過(guò)大時(shí)，都會(huì)造成材料的分層。（3）切割靶距變化會(huì)導(dǎo)致二相流體位置改變，高壓水射流技術(shù)加工能力主要源于磨料的磨削作用，切割靶距影響了磨料粒子在水介質(zhì)中的過(guò)程進(jìn)而影響其速度與動(dòng)能。（4）磨料流量影響二相流體的切割能力。二相流體的磨料比例小、間隙大，二相流與CFRP相互作用能力弱、切割效果差；磨料流量過(guò)高會(huì)使二相流體切割能力減弱，單位時(shí)間內(nèi)的流體總動(dòng)能一定，磨料粒子數(shù)量增多，單個(gè)粒子動(dòng)能下降，切割能力下降。

高壓磨料水射流加工的優(yōu)點(diǎn)主要包括[15]：

①冷態(tài)切割，對(duì)CFRP無(wú)熱影響或熱變形；

②點(diǎn)能源切割，可切割任何形狀復(fù)雜的工件，而且可以從任何一點(diǎn)開(kāi)始切割，全方位自由工作；

③切縫小，切口質(zhì)量高，可根據(jù)不同的需要進(jìn)行粗切或精切；

④濕法切割，無(wú)粉塵、火花、煙霧、氣味、熱氣等不良現(xiàn)象，工作環(huán)境好。

2.2.2 激光束加工

激光束加工作為一種成熟的熱加工工藝，已經(jīng)成功應(yīng)用到CFRP加工中。其原理為由激光器所發(fā)出的水平光束經(jīng)透鏡聚焦，在聚焦處聚成一極小光斑，使材料很快被加熱至氣化溫度，蒸發(fā)形成孔洞，隨著光束的移動(dòng)，并配合輔助氣體吹走熔化廢渣，使孔洞連續(xù)形成寬度很窄的切縫，完成對(duì)材料的切割，如圖4所示[16]。

激光束加工的優(yōu)點(diǎn)有：

①過(guò)程中無(wú)需裝夾加工工具，可實(shí)現(xiàn)非接觸式加工，減少了因接觸應(yīng)力而對(duì)復(fù)合材料帶來(lái)的不必要損傷；

②聚焦的高能激光束作用于材料局部區(qū)域的能量達(dá)108 J/cm2以上，使工件材料瞬間熔化蒸發(fā)，實(shí)現(xiàn)高效率加工；

③由于聚焦光斑小，其熱影響區(qū)小，可以達(dá)到精密加工的要求[17]。

但激光束加工在切割CFRP時(shí)，會(huì)有一系列熱損傷問(wèn)題，如熱應(yīng)力、微裂紋等，其常常與其他加工方式組合形成復(fù)合加工。激光復(fù)合加工技術(shù)包括激光輔助切削技術(shù)、激光水射流復(fù)合切割技術(shù)等新型特種加工方式。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，對(duì)比以上幾種不同加工技術(shù)，如表1所示。

（1）機(jī)械加工技術(shù)的優(yōu)勢(shì)主要在于其設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低，適用性強(qiáng)；不足之處是由于CFRP材料各向異性，精加工CFRP時(shí)易產(chǎn)生切削力大、局部過(guò)熱的問(wèn)題，導(dǎo)致工件材料分層、起毛等缺陷，整體精度與表面粗造度較差。

（2）高壓磨料水射流技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要在于加工效率高、工作環(huán)境好、切口質(zhì)量?jī)?yōu)，整體CFRP工件加工尺寸精度和表面質(zhì)量較高；不足之處是國(guó)內(nèi)對(duì)高壓磨料水射流技術(shù)的加工機(jī)理、工藝參數(shù)對(duì)加工質(zhì)量影響的研究較少，理論體系不完善。

（3）激光加工技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要在于無(wú)接觸式加工，沒(méi)有切削力、無(wú)刀具損耗、加工效率較高、熱效應(yīng)影響范圍較??；不足之處是國(guó)內(nèi)對(duì)激光束加工機(jī)理、工藝參數(shù)對(duì)加工質(zhì)量影響等應(yīng)用研究少，尚處于起步階段。

隨著CFRP產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴(kuò)大，裝配精度要求不斷提高，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)CFRP加工設(shè)備、加工機(jī)理、工藝參數(shù)及加工質(zhì)量規(guī)律進(jìn)行總結(jié)，并在新型特種加工技術(shù)等方面開(kāi)展創(chuàng)新研究，以滿足未來(lái)在高端領(lǐng)域?qū)FRP產(chǎn)品表面質(zhì)量與精度的高要求。

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