試析復(fù)合材料機(jī)械加工技術(shù)

李東華

摘 要：在復(fù)合材料相關(guān)制品的生產(chǎn)工藝中，復(fù)合材料的機(jī)械加工是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)?？偟膩碚f，復(fù)合材料的機(jī)械加工技術(shù)主要分為兩個(gè)大類，常規(guī)方法和非常規(guī)方法。本文分別簡要介紹了兩種方法幾種主要的加工技術(shù)。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；機(jī)械加工；切割

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.09.022

1 引言

復(fù)合材料指的是將兩種或兩種以上的物質(zhì)經(jīng)過人工合成過程組成某種具有不同的性能與特征的多相固體材料。在現(xiàn)代工程中，常見的復(fù)合材料包括金屬復(fù)合材料、陶瓷復(fù)合材料和樹脂復(fù)合材料等。由于復(fù)合材料普遍具有重量輕、韌性好、耐熱性好等優(yōu)點(diǎn)，因而在航空航天、紡織機(jī)械、體育器材、化工設(shè)備、建筑工程、船舶重工等重要行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。

在初步成型復(fù)合材料之后，大多數(shù)情況下要根據(jù)實(shí)際情況和預(yù)計(jì)應(yīng)用目標(biāo)對其進(jìn)行進(jìn)一步的機(jī)械加工。在復(fù)合材料制品成型前，機(jī)械加工是最后一道生產(chǎn)工序，必須得到足夠的重視，才能保證復(fù)合材料制品的生產(chǎn)質(zhì)量與工藝合格。常見的復(fù)合材料機(jī)械加工方法包括常規(guī)和非常規(guī)兩種。根據(jù)復(fù)合材料的性能的差異，對其機(jī)械加工方法進(jìn)行具體的制定與設(shè)計(jì)。總的來說，常規(guī)方法由于操作簡便，有著十分廣泛的應(yīng)用。但是由于其加工精度普遍不高，并且刀具的磨損速度快，不足以加工形狀復(fù)雜的工件，并且加工過程中會產(chǎn)生大量的粉塵與廢料，污染環(huán)境的同時(shí)，還威脅人體健康。相比之下，非常規(guī)方法操作較為復(fù)雜，但這種方法能加工形狀復(fù)雜的工件，且可控性強(qiáng)，對道具的磨損也沒那么嚴(yán)重，具有常規(guī)方法不可比擬的優(yōu)勢，是復(fù)合材料機(jī)械加工領(lǐng)域未來發(fā)展的主要方向。

2 復(fù)合材料的常規(guī)機(jī)械加工技術(shù)

2.1 鋸切

對于玻璃纖維增強(qiáng)熱固性基體層壓板，通常采用手鋸或者圓鋸進(jìn)行切割。熱塑性樹脂基復(fù)合材料也是采用手鋸或者圓鋸切割，但操作時(shí)須要加冷卻劑。而石墨復(fù)合材料就要采用具有硬質(zhì)合金的刀具切割。碳纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料一般采用金剛砂刀具切割效果較好。金屬基復(fù)合材料可以用金剛石線鋸切割，但只能沿直線方向進(jìn)行，且速度較慢。

2.2 銑削、切割、車削和磨削

目前來說，碳纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料的磨削加工的相關(guān)研究還比較少，現(xiàn)有的工作主要集中在對不同的砂輪磨削性能的對比上，磨削技術(shù)在碳纖維復(fù)合型材料中的應(yīng)用還有待研究。復(fù)合材料層合板可以在標(biāo)準(zhǔn)機(jī)床上進(jìn)行銑削加工。銑削刃一般都非常鋒利，常見的有黃銅銑刀、碳化鎢銑刀、高速鋼銑刀、和金剛石銑刀等。金屬基復(fù)合材料一般用銑削、切割、車削和磨削均可。

2.3 鉆孔和仿形銑

在需要對復(fù)合材料進(jìn)行鉆孔和仿型銑時(shí)，熱固性材料可能會發(fā)生收縮，因此，在進(jìn)行操作時(shí)需要注意控制好余量，另外要保證鉆頭鋒利，能夠使得工件升溫較小，且鉆屑快速去除，以免影響加工進(jìn)行。因?yàn)橥瑯拥脑?，要保證鉆頭具有特定的螺旋角和退屑槽，并且采用合適的鉆速，使得孔較為光滑，具有比較好的加工效果。

2.4 其他常規(guī)機(jī)械加工方法

部分復(fù)合材料，如熱固性聚合物基層合板也可用其他特殊加工設(shè)備（切齒機(jī)、自動螺紋切割機(jī)、鉸孔機(jī)、剃齒機(jī)、沖孔機(jī)和沖床等） 進(jìn)行加工。另外，這種材料的機(jī)械加工還包括剪切、沖切、熱割、沖孔、鉸孔、拋光、滾光、去毛刺等。其中，沖孔和剪切在標(biāo)準(zhǔn)的金屬加工設(shè)備上進(jìn)行，可以加工熱的或冷的工件。不過這些方法需要注意工作的溫度，必要時(shí)可對材料適當(dāng)加熱。

3 復(fù)合材料的非常規(guī)機(jī)械加工技術(shù)

3.1 高壓水切割和高壓水磨砂切割

高壓水切割加工技術(shù)的原理是高壓水在經(jīng)小孔噴嘴后高速射向材料，將動能轉(zhuǎn)變?yōu)閷Σ牧系膲毫?，使材料產(chǎn)生應(yīng)力發(fā)生斷裂，實(shí)現(xiàn)材料的切割。該方法由于加工出來的切口質(zhì)量好，工件的結(jié)構(gòu)完整性也強(qiáng)于常規(guī)的機(jī)械切割，而且沒有切屑或者粉末飛揚(yáng)，對環(huán)境與人體健康沒有危害，展現(xiàn)出了其特有的優(yōu)勢。目前，這種技術(shù)已廣泛應(yīng)用在航天和其他很多工業(yè)領(lǐng)域中?？捎糜谇懈畲罅糠墙饘倩徒饘倩鶑?fù)合材料。高壓水磨砂切割是高壓水流中混有磨砂粒子，與高壓水切割原理相同，主要用于切割陶瓷材料以及金屬基復(fù)合材料。

3.2 電子束加工（EBM）和超聲波加工（USM）

由高速聚集的高能電子束轟擊工件表面，產(chǎn)生局部高熱，從而使材料汽化和揮發(fā)，完成材料的切割。此過程一般在真空中進(jìn)行。這種方法屬微量切削加工，加工精度很高。金屬基復(fù)合材料可以用多種能量的電子束進(jìn)行切割加工。而超聲波機(jī)械加工適用于對材質(zhì)硬而脆的材料，例如寶石、陶瓷等材料上開槽和打孔。

3.3 電火花加工（EDM）

如果在被介電材料隔開的工件與電極之間加上電壓，電壓達(dá)到一定程度會擊穿電介質(zhì)，產(chǎn)生電火花，此時(shí)，局部溫度急劇升高，可達(dá)1200℃ ，可以熔融或汽化材料，形成一個(gè)材料表面的小火口。該方法適用于金屬基復(fù)合材料和一些具有良好導(dǎo)電性能的復(fù)合材料的加工。但是EDM存在的主要弊端是工具磨損快，增加了加工成本。

3.4 激光束加工

激光加工基于激光相當(dāng)于強(qiáng)的熱源，能使材料局部發(fā)生汽化，產(chǎn)生一個(gè)極小的高熱區(qū)，可用于切割各種材料。激光束切割的特點(diǎn)在于實(shí)際切縫小、切割速度快、局域能量高，能節(jié)省很多原材，并能切割出各種復(fù)雜形狀。切割復(fù)合材料，目前工業(yè)上常用的兩種激光器是摻欽憶鋁石榴石激光器和二氧化碳激光器。

3.5 電化學(xué)加工（ECM）

簡單的說，電化學(xué)加工是用電解質(zhì)溶解工件上的電化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物。電解質(zhì)常用能與工件起化學(xué)反應(yīng)的液體，如NaCl水溶液、NaNO3溶液等。在ECM過程中，工具和工件之間加有一個(gè)電場，工具是陰極，工件是陽極。陽極工件所使用的材料隨著加壓逐漸溶解并轉(zhuǎn)移到陰極，實(shí)際相當(dāng)于電鍍的逆過程。由于常規(guī)ECM中，電極和工件互相是不接觸的，所以加工過程不會對工件造成損傷。

4 結(jié)束語

對復(fù)合材料的機(jī)械加工來說，傳統(tǒng)的常規(guī)方法工藝上相對來說也較成熟，可是難以加工具有復(fù)雜形狀的工件。而非常規(guī)的特種加工手段，加工的質(zhì)量高、形狀復(fù)雜、經(jīng)濟(jì)效益高，相比常規(guī)機(jī)械加工方法具有不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。在機(jī)械加工領(lǐng)域，我們要重視加工技術(shù)的改進(jìn)與擴(kuò)展，并鼓勵(lì)這方面的開發(fā)和研究工作。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙祖虎.復(fù)合材料機(jī)械加工技術(shù)簡介[J].航天返回與遙感，1997（01）：57-63.

[2]于啟勛.復(fù)合材料的切削加工技術(shù)[J].航空制造技術(shù)，2009（23）：46-49.