纖維增強復(fù)合材料及機械加工技術(shù)

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摘要：文章在淺析纖維增強復(fù)合材料的性能后，重點分析和研究了不同類型的纖維增強復(fù)合材料的機械加工技術(shù)，在提出機械加工過程中需要注意的事項后，以為提升機械加工的效率和質(zhì)量提供了依據(jù)，也為相關(guān)行業(yè)的技術(shù)人員帶來了現(xiàn)實幫助。

關(guān)鍵詞：纖維增強復(fù)合材料；性能；機械加工技術(shù)

伴隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，先進(jìn)技術(shù)和先進(jìn)材料層出不窮，以纖維增強復(fù)合材料為主的材料在應(yīng)用過程中發(fā)揮著重要的作用。這種材料不僅具有極強的耐腐蝕性，強度較高、比模率大，還符合綠色環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的要求。因此，纖維增強復(fù)合材料在一定程度上滿足了工業(yè)和建筑行業(yè)對于材料性能方面的需求。以下將纖維增強復(fù)合材料的機械加工技術(shù)的相關(guān)探究進(jìn)行了深入的剖析。

1纖維增強復(fù)合材料的性能淺析

我國近幾年堅持新技術(shù)、新材料的研發(fā)。纖維材料作為新產(chǎn)品的一種，受到了生產(chǎn)企業(yè)的重視和廣泛應(yīng)用。其最大的特點就是高強度、低重量、耐腐性等，將逐步替代一些傳統(tǒng)的材料。但是纖維增強復(fù)合材料在機械加工過程中存在著較多的問題，如：操作溫度升高、切削時出現(xiàn)較大的磨損、加工過程中余熱溫度較高、材料極易出現(xiàn)分層等問題。為了能夠解決這些問題的出現(xiàn)，則需要不斷提升自身的加工技術(shù)，這樣才能有效減少加工出現(xiàn)的各種缺陷，進(jìn)而降低加工的成本。

2不同類型纖維增強復(fù)合材料機械加工技術(shù)的研究

2.1碳纖維增強復(fù)合材料的銑削加工技術(shù)

（1）刀具的選擇。刀具的使用和各種參數(shù)的數(shù)據(jù)上來講，被加工材料的質(zhì)量會受到作用力的影響而發(fā)生較大的變化。例如：切削的速度較快，加工材料的缺陷也會越?。磺邢鞯牧Χ仍酱?，其產(chǎn)生的缺陷也就越小。因此，針對于一些硬度較高的刀具，如：合金類刀具等在進(jìn)行操作時需應(yīng)該對切削的速度和切削的力度等予以重視，以避免溫度過高或者過低等給刀具帶來的較大磨損。例如：切削過程中需要將速度設(shè)置在40-80m/min。同時，在選擇刀具時還需要技術(shù)人員反復(fù)的進(jìn)行測試，以對不同的加工環(huán)境等方面予以考慮。碳纖維增強復(fù)合材料在進(jìn)行削切技術(shù)時主要采用干切削的方法，這種方法在應(yīng)用時會產(chǎn)生較高的熱量，進(jìn)而對刀具產(chǎn)生一定的磨損。而在之后的測試中通過在氣冷的環(huán)境中開展實驗，能夠減少對刀具的磨損，同時也能夠顯著提高纖維材料的質(zhì)量。（2）切削角度的分析。相關(guān)的技術(shù)人員反復(fù)測試后，材料切削的角度如果超過45度，則表示切削的效果較差。而正好在45度，其材料的加工質(zhì)量或者效果最佳。當(dāng)夾角的角度如果在直角或者平角之間隨意更換后，材料也會受到一定的影響。因此，纖維材料在加工時需要注意材料切削，這樣才能保障產(chǎn)品的質(zhì)量。（3）銑削力的把控。銑削專用模型能夠?qū)︺娤髁M(jìn)行全面把控和預(yù)測，從而在預(yù)測過程中能夠?qū)ο嚓P(guān)的參數(shù)等進(jìn)行精準(zhǔn)的把控，以全方位地保障和提高碳纖維增強復(fù)合材料的加工質(zhì)量。在加工過程中需要選用不同的方法進(jìn)行測試。第一，建立反復(fù)的模型。相關(guān)的技術(shù)人員在進(jìn)行大量的試驗后，利用多元性回歸的方法，計算出銑削力，在利用方差對其進(jìn)行反復(fù)的測試后，使得銑削力的經(jīng)驗公式更加可靠，有保障，使得確定的公式誤差控制在10%以內(nèi)。第二，利用有限元法。這種方法通過借助網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)，對材料加工的全過程等進(jìn)行虛擬化的實驗，其能夠?qū)Ω鞣N材料的加工予以全面把控，從而減少材料的耗費，達(dá)到節(jié)約成本的目的。

2.2碳纖維增強復(fù)合材料的機械鉆孔技術(shù)

（1）超聲振動轉(zhuǎn)孔技術(shù)。這種技術(shù)融合機械加工術(shù)和超聲波加工術(shù)，該技術(shù)在加工時主要以原來的切削機床的運作原理為基礎(chǔ)，在加工切削刀具上進(jìn)行超聲振動，這種技術(shù)能夠一定程度上減少對刀具的摩擦，導(dǎo)致刀具受損的現(xiàn)象，進(jìn)而減少加工成品產(chǎn)生的毛刺或者撕裂的現(xiàn)象。另外，超聲波振動鉆孔技術(shù)通過連續(xù)性的切削，不斷進(jìn)行排屑工作，能夠減少由于溫度過熱對材料造成的損耗，還能夠提高加工的質(zhì)量。（2）螺旋銑孔技術(shù)。其技術(shù)原理就是刀具在運行的過程中通過圍繞銑孔中軸線進(jìn)行不斷旋轉(zhuǎn)，在靠近軸線后進(jìn)而產(chǎn)生螺旋形軌道。該技術(shù)不僅能夠降低熱量，還在散熱或者排屑方面都具有優(yōu)勢。同時，該技術(shù)還能夠滿足不同條件、不同材料規(guī)格的加工，只需要一把刀具進(jìn)行調(diào)節(jié)就能夠達(dá)到加工的要求。另外，技術(shù)人員反復(fù)測試后建立了比較規(guī)范的預(yù)測模型，能夠在較大直徑條件下制孔，在減少和降低摩擦力的同時，能夠加強刀具的損傷，提升材料的加工質(zhì)量。但是這種技術(shù)面對較小單位直徑下的孔進(jìn)行加工還有待完善。

2.3玻璃纖維增強復(fù)合材料的機械加工技術(shù)

玻璃纖維增強復(fù)合材料雖然硬度較高，很容易發(fā)生脆裂的現(xiàn)象，但是這種復(fù)合材料具有透明度較高的特征，被廣泛應(yīng)用至工業(yè)和建筑行業(yè)的生產(chǎn)中。本文針對這一材料進(jìn)行機械加工時需要注意的加工技術(shù)要點。例如：刀具的選擇上盡量選擇金剛石材質(zhì)的刀具或者氮化硼刀具等，這些刀具的使用能夠增強切割的效果和切割的質(zhì)量。

2.4熱塑性樹脂基復(fù)合材料的機械加工技術(shù)

熱塑性樹脂基復(fù)合材料具有較強的韌性和抗沖擊性能，同時還具有抗裂紋擴展的能力。機械加工成型的周期也響度較短，僅僅發(fā)生加熱變軟或者冷卻變硬等變化，可以有效地降低使用的成本。其一，該材料機械加工成型的技術(shù)主要為熱壓成型技術(shù)。其過程主要是將單向或者浸料按照一定的設(shè)計比例或者剪裁標(biāo)準(zhǔn)等，并順著一定的方向鋪貼成需要的厚度。在不斷加熱或者加壓后，能夠保障材料固結(jié)后得到成型品。熱壓成型技術(shù)能夠?qū)⒁恍?fù)雜形狀的零件進(jìn)行制備。并且對于尺寸的控制也相對較高，生產(chǎn)的效率大大提升。而該技術(shù)熱壓成型的主要因素與支撐框架、熱源和熱壓機等有著直接關(guān)系；其二，注塑成型技術(shù)。其工藝過程主要是先烘干纖維增強的熱塑性顆粒，再對進(jìn)料的設(shè)備或者模具進(jìn)行加熱后，能夠?qū)⒗w維材料加熱到一定程度后在壓力的實施下能夠?qū)⑷廴谖镒⑷氲侥＞咧?，從而?jīng)過冷卻后得到成型品。其三，纖維纏繞成型。其工藝過程為：材料鋪放的過程中采用熱氣噴槍進(jìn)行加熱，保障熱塑性樹脂能夠按照一定的規(guī)律纏繞在芯模上；固化和脫模后就能夠得到結(jié)構(gòu)件。產(chǎn)品在纏繞過程中需要對加熱、匹配的纏繞速度等予以重視，以減少樹脂在纏繞過程中發(fā)生的凝固現(xiàn)象，而直接影響到產(chǎn)品的性能。例如：導(dǎo)致層內(nèi)或者層面不再發(fā)生黏連的現(xiàn)象。

2.5金屬基復(fù)合材料的機械加工技術(shù)

（1）金屬基復(fù)合材料性能主要表現(xiàn)在：金屬基復(fù)合材料具有高強度和高模量等方面的特征，同時還具有良好的高溫穩(wěn)定性。金屬基體的高溫性能相對于聚合物來講，性能更為突出。在加上增強材料在高溫的作用下具有很高的強度，在尺寸的把握上、導(dǎo)熱性上、吸潮性上、老化上都具有較好的性能。（2）金屬基復(fù)合材料的機械加工過程中主要采用三種有成型的方法，其一，液態(tài)法。液態(tài)法主要是由含壓鑄或者半固態(tài)的復(fù)合鑄造；無壓滲透法等構(gòu)成，這些方法的優(yōu)點就是成本較低，一次性就能成功，可進(jìn)行大批量的生產(chǎn)。其二，固態(tài)法。在制備的過程中為了能夠提高該產(chǎn)品的壓制性和燒制收縮率，應(yīng)該根據(jù)實際的加工條件、加工環(huán)境等加入液相燒結(jié)組元，整個制備過程能夠有效增強材料的硬度和耐磨性。其三，噴涂沉積能夠制作出顆粒型金屬復(fù)合材料，其最大的優(yōu)勢就是能夠增強材料的強度，而對于金屬潤濕的要求相對較低。

2.63D打印滌綸纖維增強復(fù)合材料的加工技術(shù)

在對3D打印設(shè)備進(jìn)行改造后，通過采用FDM型3D打印機制備纖維增強復(fù)合材料。一方面，對打印工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，目的就是能夠保障滌綸纖維與樹脂基材料能夠更好地熔融在一起。另一方面，對打印噴嘴進(jìn)行改進(jìn)，以確保纖維在樹脂基體中能夠均勻分布，從而增強滌綸纖維的性能。同時，還可以采用SLA型3D打印機制備纖維增強復(fù)合材料，在均勻分布后，以減少纖維與纖維之間距離過大造成的分散不均勻的現(xiàn)象，從而弱化了纖維增強樹脂基體力學(xué)性能的效果。

3纖維增強復(fù)合材料在機械加工過程中注意事項

3.1不斷加深技術(shù)的改良，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)固有觀念

由于材料的種類不同，加工的方式、加工的工藝等存在很大的差異性。因此在之后的機械加工過程中，技術(shù)人員需要對加工技術(shù)不斷改良，在對原有固有的傳統(tǒng)觀念進(jìn)行深化，不斷采用有效的加工方法對加工技術(shù)等進(jìn)行調(diào)整，以期能夠大大提升纖維增強復(fù)合材料機械加工的質(zhì)量。

3.2注重對纖維增強復(fù)合材料切割速度的把控

為了能夠提高這一類型材料的機械加工質(zhì)量，需要注意切割速度的把控。伴隨著切割技術(shù)的不斷完善，其能夠顯著降低由于切割力度較大而造成纖維增強復(fù)合材料表面質(zhì)量不佳的現(xiàn)象。一方面，在開展切割作業(yè)時需要對速度等進(jìn)行合理把控，避免速度過高或者過慢，造成的材料分層的現(xiàn)象；另一方面還需要提高刀具的質(zhì)量。例如：在技術(shù)改革之后，采用硬度較高的合金鉆頭，以在之后的作業(yè)中能夠鉆取更多的鉆孔。

4結(jié)束語

纖維增強復(fù)合材料具有較強的性能，其主要表現(xiàn)在高強度、耗能低等方面，使得纖維增強復(fù)合材料在各行各業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。但是在推廣這些先進(jìn)纖維增強復(fù)合材料時，不同的機械加工技術(shù)有著不同的要求，這就需要在利用這些加工技術(shù)時需要根據(jù)自身的需求，加強對相關(guān)技術(shù)的改進(jìn)，在采用多種實驗方法后，能夠使加工技術(shù)發(fā)揮其應(yīng)有的功能和價值，進(jìn)而加工出更多完美的產(chǎn)品，從而也為進(jìn)一步加強對纖維增強復(fù)合材料的推廣等作出一定的借鑒作用。

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作者：馬瑛劍 單位：中航通飛華南飛機工業(yè)有限公司