纤维增强复合材料的机械加工技术

邸英浩 李保军 温向阳 郝明明

摘要：随着科技的进步，建筑工程越来越多地采用了复合材料。在日常生活中，常用的复合材料有增强合金、金属陶瓷等。本文重点介绍了纤维增强复合材料的种类，详细介绍了纤维复合材料的性能，探讨了复合材料的加工特点，探讨了复合材料的技术要点，以期为国内的机械制造工艺提供一些参考。

关键词：纤维强化复合材料；机械加工技术

引言：随着时代的发展，现代科技和物质的应用已经成为人类的日常活动。复合材料已广泛应用于人类的日常生活，它对人类的生活产生了巨大的影响。近年来，我国研制开发了一种新的纤维增强复合材料，极大地方便了人民的日常生活，但是由于其加工过程相对于单一材料来说更加复杂，目前国内的生产技术难以满足纤维增强复合材料的加工需求，常常由于加工技术问题影响到最终材料性能以及质量。所以，为了提高纤维增强复合材料的综合性能，必须提高其加工工艺水平。

1.复合材料的种类

目前国内使用的复合材料种类繁多，按其内部结构可划分为纤维增强复合材料、混杂复合材料、细颗粒复合材料和夹心复合材料，四种物质在成分上有很大差别。目前广泛采用的是碳纤维增强复合材料和玻璃纤维增强复合材料。混杂复合材料是指将两种或多种不同的增强材料混合在一起，目前广泛使用的是超混杂复合材料。在制造细颗粒复合材料时，将坚硬的细颗粒均匀地与基质材料混合，目前应用最广泛的是金属陶瓷。蜂窝夹层是一种典型的夹层复合材料，在制造时，将各种性能不同的材料结合起来，使其具有更高的层次感。

2.复合材料的加工特性

2.1发生分层破坏现象

在进行材料加工过程中，出现了分层现象，产生这一现象的最重要的因素是脱胶。在生产中，常常要用胶水将不同的复合层板进行粘合。若胶水的粘结能力减弱或失效，则会发生脱胶。其次是由于加工工艺中有关的工艺参数不够精确、不合理，造成了分层。如果发生分层，将会严重影响复合材料的性能，导致整个材料的报废。总之，任何一个细微的细节，都会对产品的质量产生很大的影响，甚至会在以后的使用中出现安全隐患，从而引发严重的事故。

2.2刀具严重磨损

切削加工是复合材料的一种主要工艺，在进行切削时，刀具和材料的摩擦会产生巨大的能量，长期不间断的切割，会对刀具产生损伤。此外，在进行切割时，纤维复合材料的切削粉与刀具接触时，会使刀具产生磨损；在处理某些硬度高的纤维材质时，由于材质的原因，可能会对刀具产生损伤。上述情况都会对切割机产生一定的损伤，从而使切割机寿命缩短。为了确保复合材料的加工速度和效率，必须及时购置和替换刀具，从而提高生产成本。

2.3残余应力的生成

由于复合材料的工艺温度太高，或由于各纤维材料的系数不同，导致了残余应力的形成。在复合材料的制造过程中，由于材料的表面尺寸和粗糙度难以满足标准的要求，同时存在着高温和各种因素的不一致，从而会产生残余应力。复合材料的制造工艺比较复杂，所以必须严格控制层间的强度，避免撕裂、分层等缺陷，确保工艺的质量。

3.不同类型纤维增强复合材料机械加工中的技术要点

3.1玻璃纤维增强复合材料的机械加工技术要点

试验结果表明：玻璃纤维增强复合材料在使用中具有良好的耐高温、耐腐蚀性，虽然其硬度大、易碎，但其透光率高，因此在中国应用较为普遍。在此材料的加工中，应注意以下几个技术问题。在切割玻璃纤维复合材料的时候，需要用到金刚石材料或者是氮化硼工具，这样不仅可以大大提高玻璃纤维复合材料的切割速度，还可以保证材料的整体切割质量。而在玻璃纤维复合材料的生产当中，如果采用高速钢刀，不但不能保证切割的质量，反而会造成严重的磨损，从而提高生产厂家的生产成本，却也不能保证产品的质量。

3.2热塑性树脂基复合材料的机械加工技术要点

热塑性树脂基复合材料是一种以热塑性树脂为基材的纤维增强复合材料。在这类材料的加工中，对温度的要求非常高，在国内，为了降低环境温度，经常会采用冷却液。这种材料在高温下，硬度会大幅度下降，甚至有可能会被烧成灰烬。在切割这种材料的时候，需要在切割工具上留下足够的凹槽。另外，为了完成热塑性树脂复合材料的切削，所选用的刀具必须是比较锋利的，目前国内对于这种材料的机械加工，最常用的就是碳化钨和钻石。随着中国科技的发展，一些特殊的工具也被应用到了热塑性树脂基复合材料的生产中。在进行切割时，技师要将刀具打磨成相应的角度，从而大大提高了切削加工的效率。如果要钻入热塑性树脂基复合材料，由于麻花钻头不易造成分层，因此，麻花钻头是最好的选择。

3.3金属基复合材料的机械加工技术要点

所谓的金属复合材料，就是将金属和金属合金混合在一起，形成一种新型的复合材料。与其它纤维强化复合材料相比，这种复合材料具有很强的耐磨性，而且它还具有良好的耐热性，同时也是一种优良的导电材料。另外，这种复合材料对环境的污染比较小，因此这种复合材料在中国得到了广泛的应用。这种材料的加工，对刀具的要求很高，目前最常用的就是金刚石工具，而且对材料的切割速度和温度的要求也是不一样的。

3.4新的纤维增强复合材料的工艺方法有多种

在多种复合材料中，没有一种比纤维增强复合材料更具有经济价值。因此，为了保证制品的最终质量，应加强对新型纤维增强复合材料的加工工艺。本文就这一问题，从以下几个方面进行了论述：

3.4.1金属基复合材料的制造

对于金属基复合材料，其基体是由合金或纯金属制成，其加强件一般是由颗粒或纤维组成。对于金属基复合材料来说，具有较高的抗剪和抗拉强度是其独特的优点。此外，由于其自身的无污染、不老化等特性，在某些传统的工艺中，通常采用的是以金属为基础的复合材料，如：切削等。但是，如果采用传统的方法，很可能会造成机器的磨损和其他不良的情况。因此，为了防止此类不良现象的出现，相关人员必须将金刚石等刀具嵌入到磨削工艺中，同时还要掌握切削速度等方面的技术。总之，本工艺的实施不仅可以提高工艺效果，还可以保证工艺的质量。

3.4.2对基于热塑性树脂的复合材料进行处理

一般认为，基于热塑性树脂的复合材料是以热塑性树脂为基材的复合材料。在此材料的加工过程中，如果处理温度过高，必然会导致基材的软化，乃至烧焦。在处理这些材料时，为了防止过热引起的许多不良反应，在加工时，要在加工时加入一定的冷却液。此外，在切削时，不仅要确保刀具的排切槽具有所需的尺寸，还要保证其切割速度。为了减少切割力，为了便于切割，需要将车刀切割到一个特定的角度。

3.4.3处理玻璃纤维

具有较高的硬度和较高的耐热性能。通过对工程的调研，可以看出，目前国内已有大量的玻璃钢产品。另外，由于 FRP材料的可切割性与树脂基密切相关，故其对 FRP的切割性能也有一定的影响，故在切割时，可选用金刚石工具，以改善其切削性能。

结束语：

为了解决制造过程中的分层、刀具磨损、残留应力等问题，必须要对复合材料的工艺进行严格的挑选，并根据材料的不同特点，选择合适的刀具，设定合适的刀具参数，控制刀具的温度和速度，从而达到提高产品的整体效率和经济效益。由于纤维增强复合材料的优异性能，在国内的各个行业中应用非常广泛，但是在推广应用的时候，由于工艺的复杂性，使得纤维增强复合材料的应用受到了很大的限制。在此基础上，提出了几种常用的纤维增强复合材料的工艺和刀具选用技术，以期对国内纤维增强复合材料的推广与应用作出有益的贡献。

参考文献：

[1]苏飞. CF材料的切削工艺与应用.南京科技大学出版社，2015.南京.

[2]王丹.凯芙拉纤维增强复合材料的工艺技术[D].南京科技大学出版社，南京.

[3]高鑫. FRP复合材料的力学性能与 FRP分析[D].镇江：江苏科学技术大学，2015.