碳纤维复合材料加工技术与发展趋势

刘熠崟

摘要：碳纤维复合材料具有良好的力学与湿热性能，因此被广泛应用于各类产品中。同时，该材料因其非均质性及各向异性，一直是典型的难加工材料。文章汇总了近年来对碳纤维复合材料加工技术的研究，总结出减少切削及钻削加工缺陷的工艺条件。此外，文章还介绍了新加工技术的研究成果，并展望了未来的发展趋势。

关键词：碳纤维复合材料 切削 制孔 加工缺陷 加工新技术

碳纤维复合材料一般为树脂与增强体组成的非均质、具有各向异性的材料。不同于金属材料的加工，碳纤维复合材料在加工过程中易造成界面分层、纤维断丝等缺陷，从而影响工件精度与表面质量。目前的加工方式有机械加工、激光切割、高压水切割等，其中激光切割和高压水切割方法更为先进，可有效改善工件质量，但这两种方法成本较高，具体工艺参数也有待进一步探索。机械加工易造成分层、变形、毛刺、撕裂、表面粗糙及刀具磨损严重等问题【1-2】，但因其成本低仍被各行业广泛使用，并有大量研究者从原理、切割路径、工艺参数、刀具等方面寻找提高机械加工质量的方法。

1 碳纤维复合材料切削技术

切削可通过切屑、表面粗糙度、分层、毛刺、塑性变形、刀具磨损程度来评价分析，切削方向，前角大小，刀具类型等都会对切削效果产生影响【3-4】。

由于碳纤维复合材料具有各向异性，研究者将切削方向与纤维方向所组成的角称为纤维方向角θ，并通过一系列正交试验来研究θ对切削加工的影响。根据Ahmad等【5】研究，当θ=0°或180°时，刀沿纤维方向切割，复合材料易发生分层，纤维翘起后易发生断裂，因此产生的切屑通常较长，但加工表面比θ=45°或θ=135°时更光滑。当θ=45°时，复合材料受到压力及剪切力，从而产生层间断裂。此外，在受到压力时，微小的裂纹会出现在工件两侧表面，因此造成工件表面质量较差。当θ=90°时，纤维横截面方向受力导致纤维断裂，产生切屑，同时该角度切割时刀具磨损程度较高。当θ=135°时，复合材料易产生分层及弯曲现象，通常可以观察到因材料弹性变形而导致的工件厚度增加。此外，龚佑宏等【6】研究发现，θ=0°或180°时切削力最大，θ=45°时次之，θ=135°切削力小于θ=45°，θ=90°时切削力最小。由于纤维主要是纵向加强，因此θ=90°时，纤维横截面断裂瞬间的最大切削力小于θ=0°时纤维断裂瞬间的最大切削力。有很多学者研究切屑及切削力在纤维方向角变化过程中的分布规律，但目前还未有学界统一认可的规律，因此碳纤维复合材料各向异性对加工的影响还有待进一步研究。

除纤维方向角外，F.Wang等研究【7】表明前角（γ）、刀刃半径（r）对切屑形成也有很大影响。前角越大，对碳纤维复合材料的压力越大，更容易出现像θ=45°时产生的切削问题，并且切屑会变得更短。刀刃半径越大，越容易造成复合材料弯曲变形，纤维毛刺变多，工件表面不平整【8】。

综上所述，切削时应尽量控制纤维方向角θ介于0°到90°之间，从而获得较好的表面质量，同时减少刀具磨损;前角γ尽量大于0°，减少对碳纤维复合材料的压力;刀刃半径越小越好，减少碳纤维复合材料的弯曲变形。

2 碳纤维复合材料钻削技术

钻削是工件制孔常用的技术，制孔质量与轴向钻削力，工艺参数、钻头形状及钻头材料等有关【9】。

轴向钻削力大小与制孔过程中产生的缺陷相关，孟庆勋等【10】对钻头在复合材料内部旋转期间产生的力进行微元划分，并建立轴向力模型来表明钻头在任意状态与轴向力的关系。试验定义纤维方向角为纤维与钻头钻削点切面之间的夹角，当θ=0°或180°时，轴向力达到最小，孔壁质量最好。当θ介于0°至80°之间以及180°至260°之间，孔壁质量较差。研究同时表明，当钻孔数量增加时，刀刃半径变大，轴向力急剧增加。

工艺参数对钻削加工也有重要影响。加工工艺参数不当会导致钻削温度升高，从而对材料造成一定的破坏。研究表明，钻削温度与主轴转速成正比，与给进速度成反比，并且与纤维方向角有关，当θ=90°时，钻削温度达到最高【11】。加工工艺参数不仅影响钻削温度，也可能造成撕裂、孔壁质量差等缺陷。碳纤维复合材料撕裂长短与与主轴转速成反比，与给进速度成正比。孔壁质量随主轴转速的增加先增加后减少;当给进速度f<0.1mm/r时，孔壁质量与给进速度成正比，当给进速度f>0.1mm/r时，两者相关性不明显【12】。因此应根据实际情况设置给进速度、主轴转速，使工件满足质量要求。

此外，钻头形状也会影响制孔质量。使用不同钻尖角的麻花钻对碳纤维复合材料进行加工，钻尖角增大，孔出口分层现象会增多，但是孔进口处的分层会减少。Feito等【13】认为钻尖角在90°至108°时，分层现象最少。除了钻头形状，钻头材料也可以改善制孔过程中产生的缺陷。Ameur等【14】研究发现，TiN涂层的钻头可减小轴向力，改善孔表面质量。Iliescu等【15】发现钻石涂层钻头的使用寿命是普通钻头的10～12倍，并且可以减少分层。因此，他们建议使用钻石涂层的麻花钻，同时钻尖角应为为125°至130°，螺旋角为35°至40°，后角为10°至25°，使得碳纤维复合材料在钻削时分层现象最少。Ferreira等【16】对比了陶瓷，金刚石，立方氮化硼涂层的钻头，发现金刚石涂层的钻头对制孔质量改善明显。Hrechuk等【17】也通过试验表明PCD涂层的钻头耐磨损性能好，甚至优于钻石涂层钻头。

综上所述，钻削制孔时可采用PCD涂层麻花钻，钻尖角在120°左右;钻削时根据实际情况控制合适的主轴转速、给进速度，并使纤维方向角θ介于0°至80°，以改善制孔质量。

3 发展趋势

因此随着制造技术的发展，可研究使用不同刃数或材料的刀具、不同加工路径对机械加工的影响。H.Li等【18】通過研究证实了采用多重路径的切削过程优于仅采用单路径的切削，采用多重路径后，纤维断裂长度、纤维断丝深度、界面分层深度分别改善40%、63%、25%。Biruk-Urban，K.等【19】研究了刀刃数对精加工的影响，表明14刃刀比2刃刀对复合材料的摩擦力更小，切削力更小，尤其当切割速度高于160m/min时，摩擦力降低明显，得到的工件表面也更为光滑。

除了切削、钻削等传统机械加工方法的研究改进，对激光加工、高压水切割的改进研究也将成为未来的趋势。激光加工过程几乎不会产生纤维断丝，也不会造成刀具损伤，但容易造成锥化与树脂基体热损伤。P.Wang等【20】研究了激光诱导等离子体微钻孔技术，结果表明该技术相比激光加工，可减少树脂的热损伤，同时缩小孔上下面直径差值24%～32%，减少32%～47%锥化，使孔壁更光滑。魏同学等【21】将数控超高压水切割应用于碳纤维复合材料，证明该法在加工尺寸精度与表面平整度方面均优于机械加工。另外，国外对自动加工设备研究已有几十年历史，但国内起步较晚，仍有很大研究空间。姚艳斌等【22】设计了自动制孔控制系统。随着人工智能技术的发展，智能加工设备的研究应用也将成为一大趋势。

4 结术语

碳纤维复合材料加工需要考虑非均质性与各向异性，因此如何改善加工质量，满足制件要求一直以来是学者们的研究重点。根据目前大量的研究报道，机械加工时，可通过控制纤维取样角与前角、优化加工路径与工艺参数、选择不同直径与材料的刀具等方式来改善加工过程中形成的各类缺陷。基于激光加工、高压水切割加工的探索也逐渐增多，有研究表明这两种加工技术效率更高，可以带来更好的加工效果。此外，也有学者研究人工智能在复合材料加工领域的應用。随着未来技术的发展，非传统的加工技术有望逐步应用于各行业。

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