探讨碳纤维增强复合材料加工技术研究进展

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1、探讨碳纤维增强复合材料加工技术研究进展　　碳纤维增强复合材料(CFRP)，其组成成分介于碳和石墨之间，是一种耐热性能好，轻质高强度的纤维聚合物，其表现出优良的耐疲劳性和抗腐蚀性，备受新型工业青睐，大量用于建筑行业、医疗行业、军队设备和航空设备制造业中。CFRP在加工过程中，基体和纤维存在较为复杂的内部相互作用，使其物理特性与金属有较大区别，密度远小于金属，而强度大于绝大部分金属。因为CFRP的不均匀性，在加工过程中往往会出现纤维拉出或基质纤维的现象;CFRP具有较高的耐热性和耐磨性，使其在加工过程中对设备的要求较高，因为生产过程中产生大量切削热对设备磨损较为严重。同

2、时，其应用领域的不断扩展，要求也越来越细腻，对材料适用性做出要求，对CFRP的质量要求也越来越苛刻，也致使加工成本上浮，所以，对CFRP加工技术的研究也显得非常必要。本文阐述了现阶段关于CFRP加工的5种主要技术：车削加工、铣削加工、钻孔加工、磨削加工、超声振动加工技术。对比各加工工艺，旨在为选择更有效合理的加工方法加工CFRP提供参考。对CFRP切削理论中，CFRP的不均匀性和各向异性，导致工件和刀具的相互作用有明显差异性。通过对CFRP加工过程中切屑产生以及材料去除的机理分析，更加深刻了解CFRP加工的发展历程。另外，通过对加工过程细致化的假设研究，基于现在切削

3、理论，对由于切削产生的切削热进行分析研究，研究加工时各参数的设置对成品表面质量的影响，并反复调整核对参数，以生产出更高标准的产品为目标，优化现有技术。　　1原理　　1.1纤维取向　　纤维取向在CFRP工件和刀具接触面的相互作用中会产生重大影响，因此在CFRP加工时，有必要明确描述出不同纤维取向。在CFRP切削过程中，切屑形成和纤维取向密切相关。研究发现，CFRP工件和刀具接触面的断裂是由刀尖所施加的压力导致的。在多种纤维取向方面，共有3种切削机理：①纤维的断裂沿着纤维和基体接触面的方向，即纤维取向是0°;②刀具剪切时方向垂直于纤维轴，纤维取向为75°

4、;③纤维取向为90°甚至负角度，纤维方向角度30°、60°、90°是最关键的方向，它们会导致大的切削力和集中磨损及工件破坏，通过增加刀具后角值可以有效地减小进给推力。　　1.2切削热　　在进行切削工作的时候，工件和切削刀具之间摩擦升温，甚至引起刀具高温软化或分解。CFRP的切削过程是碳纤维断裂和基体材料去除的复杂过程，且CFRP导热性较差，所以在切削过程禁止使用冷却液，致使产生的切削热不能快速散出，从而将热量传到切削刀具上，使工件的表面热量更加剧，影响复合材料表面成型，降低了复合材料使用中的性能。大量切削热也加剧了切削设备的磨损，使其

5、使用寿命大打折扣。　　1.3刀具磨损机理　　之所以说CFRP属于难加工材料，其主要的原因还有就是对刀具磨损非常迅速，刀具的更换周期相当短。其加工进程中对刀具的磨损机理为：工件在刀具上被加工时，二者表面接触大，在加工过程中，长期的磨损，震动，使刀具上的硬质颗粒偶有脱离，从而形成了所谓的刀具磨损。其磨损类型大致可分为刀具破坏和磨损。按照磨损的位置不同，磨损又可分为刀尖磨损、刀具侧面磨损、刀具边缘破坏和边缘磨损。CFRP有很多机械加工方法，传统的方法包括车削、磨削、钻孔等，非传统方法包括超声振动切削加工等。　　2加工技术　　2.1车削加工　　车削是在CFRP加工中应用最多

6、的方法也是最基础的方法，通常适用于圆柱表面预定公差的实现。适合车削可以应用的刀具主要材料为：硬质合金或陶瓷以及聚晶金刚石。加工工艺中进刀速率，所切深度，和切削的速度都会影响工件成品表面质量和道具损坏程度，这也是进行技术优化的目标方向。　　2.2铣削加工　　铣削通常是对成品工件再加工的一种加工方式，要求的加工精度较高，对复杂工件粗加工后的修缮性的铣削过程。在加工过程中，同样端铣刀和CFRP之间要进行复杂的相互作用，造成CFRP工件存在没切断的纤维纱线以及分层现象。为减少和避免类似缺陷产生，专家学者进行更细致的探测发现，只要在加工前期，科学预测切削力和轴分层和未切断的纤

7、维纱线毛边的现象时有发生的大小，控制加工工艺参数设置，将有效减少了毛刺毛边的产生。故得铣削加工的技术要求：反复实验纤维取向，轴向和切向进给速度，形成最佳参数，进行铣削加工。　　2.3钻孔加工　　工件要求螺栓或铆接装配时需钻孔操作。而在CFRP钻孔过程中仍然存在一定问题：材料的离层现象，刀具的严重损耗以及孔内壁的质量问题。经实验分析，设置的切削参数、钻头的几何形态以及切削的质量对上诉产生的问题均产生明显影响。我们通常把损伤区最大直径和孔径比率称为损伤因子，也是表示分层现象的程度，分层因子越大，表示分层问题越为严重。并且我们通过实验可以推理，切削过程中推力和分层现象