探究航空领域复合材料的机械加工技术

郭彪

摘 要：随着航空事业与生产制造能力的快速发展，航空领域对于相关材料与制造技术的要求不断提升。作为航空制造领域使用的材料要达到质量轻、强度高的特点，而复合材料正好能够满足这一特性要求，复合材料的使用能够使飞行设备重量减少30%，以此来提升航空设备整体性能。常见的就是在合金中增加树脂或者纤维材料，但是这也是机械加工的切削带来了较大的难度，因此本文就以航空领域复合材料机械加工进行分析，通过对机械加工特点与技术的阐述，希望能够为我国航空领域的机械加工起到一定的推进作用。

关键词：航空领域；复合材料；机械加工

1 复合材料的机械加工特点

1.1玻璃钢加工

玻璃钢根据自身组成物质的不同可以分为环氧、酚醛、和不饱和聚酯等，在实际加工中不同基质玻璃钢材料主要是硬度和切割性能的影响。相比较而言，环氧树脂类的玻璃钢的切割难度最大，但在航空领域的应用性能也是最优的，为了避免切割过程中对高速钢的过度磨损，可以采用金刚石作为主要切割工具来保证良好的加工品控。

1.2碳纤维增强复合材料加工

碳纤维增强复合材料主要指的是二相或者多相材料共同组成的复合物质，主要借助软性基体材料与硬度较大纤维材料两者特性的结合，经过加工后形成硬度与韧性都良好的复合材料，但由于组成成分较为复杂，在加工时也会表现出多种特性影响工件加工效率。所以在加工过程中需要注意以下几点问题：

1.2.1易于产生材料分层问题

分层问题是复合型材料加工时面临损耗难题。尤其对于多相结构组成的复合材料加工分层问题会更加明显，已经成为影响工件本身加工质量最严重的问题。如果不同材料之间胶合连接不紧密，就会在切削时出现脱胶情况，造成材料分层的破坏。不管是复合材料胶合本身还是后期切削影响，都会造成复合材料的性能下降达不到航空领域的设计需要，甚至出现不可逆转的工件报废影响到企业效益。

1.2.2刀具磨损严重，耐用度低

复合材料切削是在刀具的切削附近会出现高温聚集现象。切割后的纤维回弹与材料粉末也对刀刃造成二次损伤，加之碳纤维复合材料本身硬度性能的提升，都会都切削工具的耐用度提出更大要求。

1.2.3产生残余应力

残余应力的出现主要还是由于在切削过程中局部温度变化造成的，尤其是树脂与纤维复合材料受热膨胀系数影响较大。很容易由于热应力出现材料切削后二次性能变化，在高温切削因素的影响下产生分层、撕裂等缺陷，甚至由于残余的热应力造成工件本身精度变化，无法保证钻孔与切削面的的平滑度。

1.3热塑性树脂基复合材料的机械加工特点

（1）热塑性树脂加工过程中会出现热量聚集现象，加工时需要及时加入冷却剂，避免过热导致加工位置的材料基体表面变化。（2）采用高速切削提升表面平滑度、并保证切削的刀具槽有足够的排屑空间。（3）最好采用小的进给量和小的背吃刀量，可以采用金刚傻刀具或者碳化钨刀具，一些其他的塑料用高速刀具也是可以的。（4）树脂基复合材料会对切削刀具产生一定的阻力，所以刀具和刀头要足够锋利，将刀具磨成一定的倾角减少热塑性树脂对于切削力的影响。（5）热塑性复合材料钻孔应该使用麻花钻头，钻孔或者切削时要保持工件的背部垫实，避免切削前后工件受力不同而出现的分层现象。

1.4金属基复合材料的机械加工特点

金属基复合材料在机械加工中的特点可以一次成型，通过磨具就可能制造对应样子的工件。一次成型的复合材料工件在基本能够满足使用要求。但是随意航空领域对于金属复合材料工件要求的提升，金属基复合材料也需要进行精细切合加工，相关的切削、车削、铣削、磨削都已经能够用于金属基材料的加工，但是相比于其他复合材料对于刀具的磨损也更加严重。而且刀具的磨损量也会随着材料的体积分数而不断加剧，尤其是一些通过单纤维复合的金属基材料，往往需要采用金刚石类刀具进行切合。对于多纤维复合金属基材料就需要采用碳化钨或高速钢工具切削工具，其它大多数的金属基复合材料材料都可以采用普通刀具、合理速度、冷却润滑、大进刀量进行工件生产。相比之下金刚石刀具比硬质合金刀具更适合用于高速车削，如果是碳化物刀具可以削速越低则刀具的寿命越长，但金属基复合材料切削中慢速切割只能用于切直线使用。

2 复合材料的机械加工方法

2.1常规加工方法

复合材料常规加工方法还是由原有的机械生产方法改进而来，相比之前主要是增强了加工零件自身的性能，加工技术仍旧是传统机械制造生产流程，虽然经过多年的积累在加工工艺上成熟。但在新型复合材料加工上质量难以得到有效保证。很容易造成加工设备在长期使用中出现精度下降的情况，对于航空领域下复合材料的机械加工部件难以充分保证质量，而且一些复杂工件也不大通过传统机械加工实现，因此常规的机械加工方式也需要进行改进，满足复合材料精密加工的要求。

2.1.1锯切加工

首先玻璃纤维增强的复合材料加工时，首选手锯或者圆锯进行切合，金刚砂刀可以对玻璃钢复合材料进行完美切割，保障复合材料的切割性能的同时也不会刀具产生损害，保持复合材料板切割面的顺滑。树脂类材料在进行切割加工时主要以圆锯切合为主，树脂类复合材料主要会在切合时产生较大的热应力，所以在切割时注意进行中温度控制即可，金属材料切割对刀具要求就比较高，可以采用金刚线锯进行切割，但是仅仅能进行直线切削且切割效率较低。

2.1.2钻孔和仿形铣

复合材料一般都是热固性材料，所以在进行钻孔和仿形铣加工时会发生先受热后收缩的的反应，在实际加工过程中应留下一定的空量，保证在热固性稳定收缩后的工件规格与实际要求相符，也就是根据收缩量在钻孔时增加钻孔直径。钻孔时为了保障复合材料板由于下层钻孔对自身造成的破坏，现在钻孔时可以在上层增加一层垫板。此外复合材料的高性能也要求钻头能够保持足够的锋利性，钻孔时及时清理钻屑与钻孔位置的冷却施工。

2.1.3铣削、切割、车削和磨削

聚合物复合材料使用常规的机械加工车床就可以进行生产，目前在车削、镗削和切割一般复合材料时都会使用高速钢、碳化钨和金刚石刀头。如果对于加工部件的精度要求较高可以采用砂磨或磨削，对于热塑性复合材料进行机械打磨时要随时增加冷却剂，防止打磨过程中出现复合材料自身变化造成精度下降。对于大多数金属基复合材料来说，想要获得高性能的复合材料工件就要保证刀具、切削速度、温度润滑、进刀速度达到一个很好的平衡点。相关刀具性能的提升也是复合材料在航空领域应用的重要推进因素。

2.2特种加工方法

由于我国生产切割技术的需求提升，很多加工技术都被应用到了复合材料的加工使用中。比如常中的激光切割、高压水枪切割、超声波加工技术都被应用到航空领域复合材料的加工中，但是各种加工技术也有都自己的优缺点。可以根据具体的工程使用需求进行选择：激光切割加工速度快、对于原材料性能要求低，主要用于快速成型工件的切合，不适合多维度形状工件的切割。高压水枪切割的切割能力强，对设备本身的损害小，而且绿色无污染、无噪音。但是切割速度可能达不到大体量工件的切割。电火花加工的切割年质量好，对复合材料的质量影响最小，尤其适合对热应力变化大的热塑性复合材料加工，缺点就是切割工具磨损快加工成本较高。

3 结束语

综上所述，复合材料机械加工作为航空领域发展的必然需求，相关加工技术的提升对于我国航空产业与生产制造业的发展都非常重要。对于各项复合材料加工技术还需要不断进行改进提升，从而为我国航空制造提供更多的高技术复合材料。

参考文献：

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[2]孙大涌.先进制造技术[J].北京：机械工业出版社，2015.

[3]刘雄亚,谢怀勤.复合材料工艺及设备[J].武汉：武汉工业大学出版社，2017.