复合材料 的切削加工

复合材料

13.什么是复合材料？它有哪几种？

由两种或两种以上的不同物理、化学性能的物质人工制成的多相组成的固体材料，称为复合材料。例如钢筋混凝土，就是由钢筋、砂石和水泥组成的复合材料。

复合材料可以由金属、高分子聚合物和陶瓷三种材料的任意两种人工合成。也可以由两种或两种以上多种金属、高分子聚合物及陶瓷来制成。复合材料的性能要比基体组成的材料好得多。例如玻璃的韧性和树脂的强度都很低，可是二者的复合物——玻璃钢却具有较高的强度和韧性，而且重量也很轻。

复合材料的种类很多，用途非常广，因此发展也很快。它是多组成相物质，其组成分为两大类，即基体相和增强相，前者起粘结作用，后者起提高强度和刚度的作用。

复合材料分为结构复合材料和功能复合材料两大类。结构复合材料的应用研究较多，发展很快，主要有两种：一是聚合物为基体，其中以树脂(环氧树脂、酚醛树脂)为基体较多；二是以金属或合金(铝、铝合金、钛合金、镍基合金)及陶瓷为基体。

复合材料按其增强相分为颗粒增强复合材料、短纤维增强复合材料、连续纤维增强复合材料和层叠结构复合材料，如图11-12所示。

作为工程结构材料应用最多的是纤维增强复合材料，有以下几种：玻璃纤维增强复合材料(GFRP)、碳纤维增强复合材料(CFRP)、芳纶纤维增强复合材料(KFRP)和硼纤维增强复合材料。它们都属于树脂基纤维增强复合材料，也叫做纤维增强塑料(FRP)。

FRP采光板

14.聚合物基纤维复合材料(FRP)有哪些性能特点？

(1)具有高的比强度和比刚度：比强度就是材料的强度和材料的密度之比；比刚度就是材料的弹性模量与材料的密度之比。表11-4是常用材料的比强度和比刚度。

(2)抗疲劳性能好：如碳纤维增强复合材料的疲劳强度为抗拉强度的70％～80％，而一般金属材料仅为30％～50％。

(3)减振性能好：许多减振器械都广泛采用复合材料来制造。

(4)断裂安全性好：纤维增强复合材料中的增强纤维，过载时有部分断裂，但未断裂的纤维仍可承受负载，不至造成构件瞬间断裂，故工作安全性好。

FRP采光板

15.聚合物基纤维增强复合材料(FRP)有哪些切削特点？

(1)切削温度高，刀具耐用度低：聚合物基纤维增强复合材料的抗拉强度高，切削功率大，粗糙的纤维断面与刀具摩擦产生大量的切削热。材料的导热系数低，约为45号钢的1/16，因此切削区形成高温，且集中在刀具切削刃很小的区域内。纤维的弹性恢复与粉末状的切屑，使刀具磨损严重，耐用度低。

(2)加工精度和表面粗糙度不易控制：由于树脂的基体和纤维热膨胀系数及硬度和强度差别很大，加上纤维的弹性恢复大等原因，切削加工时工件的尺寸精度和表面粗糙度不易达到要求。

(3)易产生高温变质和软化：切削纤维增强复合材料时，要限制切削速度，控制切削温度。否则温度过高，将使基体的树脂烧焦、软化和有机纤维变质。

(4)使用切削液要慎重：因为复合材料吸入切削液，影响材料的使用性能，所以要根据要求慎重使用。

16.纤维增强复合材料的纤维角对切削有何影响？

切削速度方向与纤维的配置方向的夹角，称为纤维角θ，如图11-13所示。它的大小影响切削过程、工件表面质量和刀具寿命。

当θ＞90º时，如图11-13(a)所示为顺切，此时纤维是被拉伸破坏切离工件的。被切断的纤维断面由于弹性恢复与刀具后面接触面积大，摩擦严重，刀具磨损较快，磨损值约为逆切的10倍，但是表面粗糙度小。

当θ＜90º时，如图11-13(b)所示为逆切。纤维是被刀具刃口剪切、弯曲的联合作用切断的。纤维的剪切强度、抗弯强度比抗拉强度低得多，被剪切纤维的继面与刀具后面接触面积较小，使纤维与刀具后刀面的摩擦减小和刀具磨损缓慢，但已加工表面粗糙度增大.

当θ＜60º时，为下方破坏型。此时的纤维在切削层下方破坏，是剪切和弯曲的结果。当θ=45º时，表面粗糙度值和变质层最大。

当60º＜θ＜90º时，为中间型。纤维的前端受到压应力破坏，表面粗糙度较小。17.怎样对聚合物基纤维增强复合材料(FRP)进行切削加工？

FRP这类复合材料，根据它的性能和切削特点，属于难切削材料。切削它时应从以下几方面进行合理选择：

(1)选择刀具材料：要选择耐磨和导热系数高的刀具材料。高速钢刀具，最好选用氮化钛涂层的高速钢。硬质合金一般选用导热系数高的YG类硬质合金或涂层硬质合金。为了几十倍到几百倍地提高刀具耐用度，可选用人造聚晶金刚石复合片刀具和人造金刚石厚膜钎焊刀具。

(2)选择刀具几何参数：切削FRP复合材料，对刀具前角的要求不像切削塑性金属那样严格，但要求刀具刃口具有一定强度，散热条件要好，刀刃锋利，后角要大一些。一

般情况下，γO=-5º～10º,αO=10º～12º，刀尖圆弧尽可能大一些，以改善散热条件。钻孔时，尽可能选用硬质合金钻头，并修磨钻心处螺旋沟槽表面，以增大该处前角，

缩短横刃长度为原来长度的1/2～1/4，以减小轴向力，并降低钻尖高度，在副后面

3～5mm向后磨副后角3º～5º，以减小与孔壁的摩擦。

(3)选择切削用量：用高速钢刀具切削FRP复合材料的切削速度为10～15m/min；硬

质合金刀具的切削速度为40～80m/min；人造聚晶金刚石复合片刀具的切削速度为80～120m/min。进给量为0.2～0.5mm/r，在切入和切出时，为了防止分层、崩边，

这时的进给量应小一些或用刀在两端倒45º角及选用主偏角小于60º的刀具。

(4)FRP的切断：在一般的情况下，采用薄金刚石锯片进行切割。也可采用超高压水，

压力为400MPa，由口径小于φ1mm的喷嘴喷出，以2～3倍音速的超高速冲击被加工表面，进行切割加工。

(5)切削时应注意的问题：为了避免铣削时工件切离处掉渣，应采用顺铣，并在即将铣完时采用手动进给。为了防止撕裂和分层，在切出时采用塑料或金属板支承，予以防护。

18.怎样对金属基纤维增强复合材料(FRM)进行切削加工？

金属基复合材料可分为颗粒增强复合材料、长纤维增强复合材料和短纤维(或晶须)增

强复合材料。这类材料中长纤维增强复合材料的切削加工有与FRP相似的特点。短纤

维或晶须增强复合材料，切削加工时有着独特的特点，如在加工表面上出现许多与增

强纤维直径相对应的孔沟、纤维破断面露出、纤维从基体拔出或被压入加工表面。

切削FRM复合材料，用YG类(K类)硬质合金。刀具磨损的形式以后刀面磨损为主，副后刀面稍有边界磨损，当刀具材料硬度很高时，呈单纯的磨料磨损。刀具磨损与纤维

含有率有关，纤维含有率越高，刀具磨损越大。

在铣削时，为防止切离时工件掉渣，采用顺铣为好。在钻孔时，钻头一定要锋利，并

要减小钻头的横刃。在钻出时要减小进给量，以免轴向力大将钻出的孔在出口处崩边。