纤维增强复合材料的性能及机械加工技术

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　　摘  要：文章在浅析纤维增强复合材料的性能后，重点分析和研究了不同类型的纤维增强复合材料的机械加工技术，在提出机械加工过程中需要注意的事项后，以为提升机械加工的效率和质量提供了依据，也为相关行业的技术人员带来了现实帮助。
　　关键词：纤维增强复合材料;性能;机械加工技术
　　中图分类号：TB33          文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）14-0097-02
　　Abstract： After analyzing the properties of fiber reinforced composites， this paper focuses on the machining technology of different types of fiber reinforced composites， and puts forward the matters needing attention in the process of machining. It not only provides a basis for improving the efficiency and quality of machining， but also brings practical help for technicians in related industries.
　　Keywords： fiber reinforced composites; properties; machining technology
　　伴随着我国经济的快速发展，先进技术和先进材料层出不穷，以纤维增强复合材料为主的材料在应用过程中发挥着重要的作用。这种材料不仅具有极强的耐腐蚀性，强度较高、比模率大，还符合绿色环保和可持续发展的要求。因此，纤维增强复合材料在一定程度上满足了工业和建筑行业对于材料性能方面的需求。以下将纤维增强复合材料的机械加工技术的相关探究进行了深入的剖析。
　　1 纤维增强复合材料的性能浅析
　　我国近几年坚持新技术、新材料的研发。纤维材料作为新产品的一种，受到了生产企业的重视和广泛应用。其最大的特点就是高强度、低重量、耐腐性等，将逐步替代一些传统的材料。但是纤维增强复合材料在机械加工过程中存在着较多的问题，如：操作温度升高、切削时出现较大的磨损、加工过程中余热温度较高、材料极易出现分层等问题。为了能够解决这些问题的出现，则需要不断提升自身的加工技术，这样才能有效减少加工出现的各种缺陷，进而降低加工的成本。
　　2 不同类型纤维增强复合材料机械加工技术的研究
　　2.1 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。
　　2.2 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。另外，技术人员反复测试后建立了比较规范的预测模型，能够在较大直径条件下制孔，在减少和降低摩擦力的同时，能够加强刀具的损伤，提升材料的加工质量。但是这种技术面对较小单位直径下的孔进行加工还有待完善。
　　 2.3 玻璃纖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。
　　2.4 热塑性树脂基复合材料的机械加工技术
　　热塑性树脂基复合材料具有较强的韧性和抗冲击性能，同时还具有抗裂纹扩展的能力。机械加工成型的周期也响度较短，仅仅发生加热变软或者冷却变硬等变化，可以有效地降低使用的成本。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粒，再对进料的设备或者模具进行加热后，能够将纤维材料加热到一定程度后在压力的实施下能够将熔融物注入到模具中，从而经过冷却后得到成型品。其三，纤维缠绕成型。其工艺过程为：材料铺放的过程中采用热气喷枪进行加热，保障热塑性树脂能够按照一定的规律缠绕在芯模上;固化和脱模后就能够得到结构件。产品在缠绕过程中需要对加热、匹配的缠绕速度等予以重视，以减少树脂在缠绕过程中发生的凝固现象，而直接影响到产品的性能。例如：导致层内或者层面不再发生黏连的现象。
　　2.5 金属基复合材料的机械加工技术
　　（1）金属基复合材料性能主要表现在：金属基复合材料具有高强度和高模量等方面的特征，同时还具有良好的高温稳定性。金属基体的高温性能相对于聚合物来讲，性能更为突出。在加上增强材料在高温的作用下具有很高的强度，在尺寸的把握上、导热性上、吸潮性上、老化上都具有较好的性能。（2）金属基复合材料的机械加工过程中主要采用三种有成型的方法，其一，液态法。液态法主要是由含压铸或者半固态的复合铸造;无压渗透法等构成，这些方法的优点就是成本较低，一次性就能成功，可进行大批量的生产。其二，固态法。在制备的过程中为了能够提高该产品的压制性和烧制收缩率，应该根据实际的加工条件、加工环境等加入液相烧结组元，整个制备过程能够有效增强材料的硬度和耐磨性。其三，喷涂沉积能够制作出颗粒型金属复合材料，其最大的优势就是能够增强材料的强度，而对于金属润湿的要求相对较低。
　　 2.6 3D打印涤纶纤维增强复合材料的加工技术
　　 在对3D打印设备进行改造后，通过采用FDM型3D打印机制备纤维增强复合材料。一方面，对打印工艺参数进行优化，目的就是能够保障涤纶纤维与树脂基材料能够更好地熔融在一起。另一方面，对打印喷嘴进行改进，以确保纤维在树脂基体中能够均匀分布，从而增强涤纶纤维的性能。同时，还可以采用SLA型3D打印机制备纤维增强复合材料，在均匀分布后，以减少纤维与纤维之间距离过大造成的分散不均匀的现象，从而弱化了纤维增强树脂基体力学性能的效果。
　　3 纤维增强复合材料在机械加工过程中注意事项
　　 3.1 不断加深技术的改良，转变传统固有观念
　　 由于材料的种类不同，加工的方式、加工的工艺等存在很大的差异性。因此在之后的机械加工过程中，技术人员需要对加工技术不断改良，在对原有固有的传统观念进行深化，不断采用有效的加工方法对加工技术等进行调整，以期能够大大提升纤维增强复合材料机械加工的质量。
　　 3.2 注重对纤维增强复合材料切割速度的把控
　　 为了能够提高这一类型材料的机械加工质量，需要注意切割速度的把控。伴随着切割技术的不断完善，其能够显著降低由于切割力度较大而造成纤维增强复合材料表面质量不佳的现象。一方面，在开展切割作业时需要对速度等进行合理把控，避免速度过高或者过慢，造成的材料分层的现象;另一方面还需要提高刀具的质量。例如：在技术改革之后，采用硬度较高的合金钻头，以在之后的作业中能够钻取更多的钻孔。
　　4 结束语
　　纤维增强复合材料具有较强的性能，其主要表现在高强度、耗能低等方面，使得纤维增强复合材料在各行各业中得到了广泛应用。但是在推广这些先进纤维增强复合材料时，不同的机械加工技术有着不同的要求，这就需要在利用这些加工技术时需要根据自身的需求，加强对相关技术的改进，在采用多种实验方法后，能够使加工技术发挥其应有的功能和价值，进而加工出更多完美的产品，从而也为进一步加强对纤维增强复合材料的推广等作出一定的借鉴作用。
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