纤维增强复合材料的性能及机械加工技术

纤维增强复合材料的性能及机械加工技术

摘要：现阶段，复合材料获得了很大的发展与应用，不管是这种材料的力学性能，还是在实际中的应用上，都相比单一的材料具有优势。特别是最近一段时间

以来受到人们很大青睐的纤维增强复合材料，这种材料的加工技术非常复杂，一

般的加工技术很难达到纤维增强复合材料的机械加工要求。我们仍然需要努力，

虽然目前我们国家已经在一些新型的加工技术方面获得了突破，但是在实践中具

体应用上还有很多问题需要解决，这也很大程度的影响了这种材料的质量。对于

这种情况我国的机械加工企业也正在采取措施。

关键词：纤维增强；复合材料；性能；机械加工技术

1复合材料的类型与性能

经研究调查可发现，复合材料大致可分为以下几类：纤维增强的复合材料、

混合复杂的材料、细料复合的材料以及夹层复合的材料这四种。另外，就复合材

料的性能而言，在全部复合材料纤维增强材料的应用范围比其与复合材料要广泛

一些。对纤维增强材料而言，纤维增强材料的特点主要表现在：模量大、强度与

比重较小。就本文所研究的内容，文章将以分析碳纤维增强材料的机械加工技术

为主。材料会被分层破坏，刀具磨损较为严重等作为碳纤维复合型材料的切削加

工特点。该过程中的分层破坏主要指的是复合材料辅层间的脱胶现象。再加上该

过程中的脱胶现象与切削参数有着非常密切的联系，若该过程中的参数不符合相

关要求的话，很容易然让材料出现脱胶现象，严重的话还会影响材料的性能。由

此可见，在切削的过程中，切削的温度不能太高，不然会导致诸多不良现象出现。 2纤维增强复合材料的加工特性

2.1易形成分层破坏现象

一般情况下出现的分层现象是纤维增强复合材料在进行机械加工时经常见到

的情形，其中很大的一部分原因就是因为脱胶，由于纤维增强复合材料辅层之间

通常需要使用特定的胶进行结合，但是问题就在于胶的性能一旦失效或者减弱，

就会马上导致脱胶的情况发生。也有可能是在实施加工时参数没有严格按照要求

设置，存在误差，也会影响纤维增强复合材料的结构变化。通过仔细细致的观察，不难发现，这种现象的发生不利于复合材料的整体性能提高，会对复合材料的性

能造成很大程度上的破坏，所以在机械加工中要尽量防止材料分层，不然的话在

之后的实际应用过程中很容易引发安全风险的发生。

2.2刀具磨损严重

刀具与加工和成本紧密关联，复合材料加工技术中主要使用的就是切削技术，我们可以想一下刀具在复合材料之间要进行大量的摩擦，所以温度会在极短的时

间里面迅速上升，在这种技术的机械加工过程中，其会形成高温，并且这种高温

一般都集聚在刀尖位置，在机械技工过程中这种情况肯定要一直持续的，这就必

然会对刀具造成不小的损毁;另外还有一点需要注意，在机械切削过程中要尽可能

避免碎屑和刀具接触，因为会造成刀具更快的擦伤、刃口迟钝的情况发生。而这

种情况也说明了要想保证纤维增强复合材料的加工质量与速度就要频繁的检查刀

具磨损情况并进行更坏，在一定程度上会给机械加工企业带来额外的成本投入。

3不同类型纤维增强复合材料机械加工技术的研究

3.1碳纤维增强复合材料的铣削加工技术

（1）刀具的选择。刀具的使用和各种参数的数据上来讲，被加工材料的质量会受到作用力的影响而发生较大的变化。例如：切削的速度较快，加工材料的缺

陷也会越小;切削的力度越大，其产生的缺陷也就越小。因此，针对于一些硬度较高的刀具，如：合金类刀具等在进行操作时需应该对切削的速度和切削的力度等

予以重视，以避免温度过高或者过低等给刀具带来的较大磨损。例如：切削过程

中需要将速度设置在40-80m/min。同时，在选择刀具时还需要技术人员反复的进行测试，以对不同的加工环境等方面予以考虑。碳纤维增强复合材料在进行削切

技术时主要采用干切削的方法，这种方法在应用时会产生较高的热量，进而对刀

具产生一定的磨损。而在之后的测试中通过在气冷的环境中开展实验，能够减少

对刀具的磨损，同时也能够显著提高纤维材料的质量。（2）切削角度的分析。

相关的技术人员反复测试后，材料切削的角度如果超过45度，则表示切削的效

果较差。而正好在45度，其材料的加工质量或者效果最佳。当夹角的角度如果

在直角或者平角之间随意更换后，材料也会受到一定的影响。因此，纤维材料在

加工时需要注意材料切削，这样才能保障产品的质量。（3）铣削力的把控。铣

削专用模型能够对铣削力进行全面把控和预测，从而在预测过程中能够对相关的

参数等进行精准的把控，以全方位地保障和提高碳纤维增强复合材料的加工质量。在加工过程中需要选用不同的方法进行测试。第一，建立反复的模型。相关的技

术人员在进行大量的试验后，利用多元性回归的方法，计算出铣削力，在利用方

差对其进行反复的测试后，使得铣削力的经验公式更加可靠，有保障，使得确定

的公式误差控制在10%以内。第二，利用有限元法。这种方法通过借助网络信息

技术，对材料加工的全过程等进行虚拟化的实验，其能够对各种材料的加工予以

全面把控，从而减少材料的耗费，达到节约成本的目的。

3.2碳纤维增强复合材料的机械钻孔技术

（1）超声振动转孔技术。这种技术融合机械加工术和超声波加工术，该技术在加工时主要以原来的切削机床的运作原理为基础，在加工切削刀具上进行超声

振动，这种技术能够一定程度上减少对刀具的摩擦，导致刀具受损的现象，进而

减少加工成品产生的毛刺或者撕裂的现象。另外，超声波振动钻孔技术通过连续

性的切削，不断进行排屑工作，能够减少由于温度过热对材料造成的损耗，还能

够提高加工的质量。（2）螺旋铣孔技术。其技术原理就是刀具在运行的过程中

通过围绕铣孔中轴线进行不断旋转，在靠近轴线后进而产生螺旋形轨道。该技术

不仅能够降低热量，还在散热或者排屑方面都具有优势。同时，该技术还能够满

足不同条件、不同材料规格的加工，只需要一把刀具进行调节就能够达到加工的

要求。

3.3玻璃纤维增强复合材料的机械加工技术

玻璃纤维增强复合材料虽然硬度较高，很容易发生脆裂的现象，但是这种复

合材料具有透明度较高的特征，被广泛应用至工业和建筑行业的生产中。本文针

对这一材料进行机械加工时需要注意的加工技术要点。例如：刀具的选择上尽量

选择金刚石材质的刀具或者氮化硼刀具等，这些刀具的使用能够增强切割的效果

和切割的质量。

3.4热塑性树脂基复合材料的机械加工技术

其一，该材料机械加工成型的技术主要为热压成型技术。其过程主要是将单

向或者浸料按照一定的设计比例或者剪裁标准等，并顺着一定的方向铺贴成需要

的厚度。在不断加热或者加压后，能够保障材料固结后得到成型品。热压成型技

术能够将一些复杂形状的零件进行制备。并且对于尺寸的控制也相对较高，生产

的效率大大提升。而该技术热压成型的主要因素与支撑框架、热源和热压机等有

着直接关系;其二，注塑成型技术。其工艺过程主要是先烘干纤维增强的热塑性颗