複合材料的切削加工技術

06-30

　　複合材料在航空、航天等工業中得到越來越多的應用。複合材料的種類很多，基體材料分金屬和非金屬兩大類，增強材料分纖維和顆粒兩大類。對複合材料進行切削加工的難度較大，一般需採用超硬刀具。

　　複合材料的種類和性能　　複合材料是由兩種或兩種以上的機械、物理和化學性質完全不同的物質，經人工合成製造出多相組成的固體材料，從而獲得單一組成材料所不能具備的性能和功能。　　現代工程結構所用的複合材料，按基體材料的類型可分為樹脂基、金屬基和陶瓷基這三大類；按增強相的形態可分為長纖維、短纖維、晶須、層疊和顆粒增強的複合材料等。　　在航空、航天、汽車、石油化工等工業中，纖維增強複合材料用得較多，主要類型有：　　（1）玻璃纖維增強複合材料（Glass Fiber Reinforced Plastic,GFRP），主要由SiO2玻璃熔體製成，某些性能接近於鋼，可代替鋼使用，故又稱「玻璃鋼」。現已成為一種常用的工程結構材料。基體多為酚醛樹脂或環氧樹脂。　　（2）碳纖維增強複合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastic,CFRP），其性能優於玻璃鋼，現已得到廣泛應用。所用基體與「玻璃鋼」相同。　　（3）硼纖維增強複合材料（Boron Fiber Reinforced Plastic,BFRP），應用起步稍晚，性能與CFRP接近。基體為樹脂。　　（4）芳綸纖維增強複合材料（Kevlar Fiber Reinforced Plastic,KFRP），其增強纖維為芳香族聚醯胺纖維，又稱「芳綸纖維」。它的基體也是樹脂，性能亦佳。　　常用纖維增強材料及其他增強材料的機械、物理性能見表1。

　　各種複合材料及鋼、硬鋁的機械、物理性能見表2。

　　上述纖維增強的樹脂基複合材料（FRP），多用於航空和其他方面的結構件，可代替鋁合金和鈦合金，甚至部分鋼材，因為它們的機械性能好，且能減輕構件的重量。　　此外，還有顆粒增強的鋁基複合材料，如SiCp/Al的耐磨性強，可用於耐磨件，對其加工很困難。

　　複合材料的應用

　　由於複合材料的抗拉強度高，彈性模量和耐熱性較好，重量輕，韌性、減振能力和抗疲勞性能特佳，故首先在飛機結構上得到廣泛應用。可使飛機重量減輕，加速快，轉彎變向靈活，飛行高度高，航程加長，節省燃料。後來，在汽車、船舶、紡織機械、化工設備、建築和體育器材上也得到了廣泛應用。　　近年來，在民用飛機B757、B767、B777、A300、A340上，複合材料用量已佔飛機全部用料的11%～20%。商用飛機B787上大量使用CFRP，已佔飛機體積的11%，占結構件重量的50%。B787每年所用的燃料費，比B767減少500萬美元。A380上的機身、機翼板，用大量的複合材料製造。武裝直升飛機AH-60、NH-90、V-22、RAH-66上，從整流罩、地板、壁板等次承力結構到旋翼框架等主承力結構上都使用複合材料，且高達飛機重量的50%^[3-4]。　　例如一架哥倫比亞號太空梭，飛機大部分均用複合材料製造。如，貨艙門用CFRP製造，體積很大，長為18.2m，寬為4.6m；氣瓶用KFRP製造；防熱瓦用CMC製造；框架用C/A1製造；發動機架用B/Ti製造；發動機噴管用C/C製造。樹脂、金屬和陶瓷這3種基體的複合材料都使用上了^[4]。

　　纖維加強複合材料的切削加工　　複合材料的應用如此之廣，對其部分產品或構件需要進行切削加工。因此，應認識和掌握複合材料切削加工的規律，正確選擇刀具材料和切削用量，才能保證加工質量和較高的加工效率。一般情況下，樹脂基的複合材料較易切削，金屬基的稍難，陶瓷基的更難；纖維加強的複合材料較易切削，顆粒加強的很難切削。筆者針對有代表性的纖維增強和顆粒增強的複合材料，

作者：於啟勛

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