碳纤维复合材料切削工艺研究

碳纤维复合材料切削工艺研究

吴佳欣1  黄华2

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哈尔滨飞机工业集团有限责任公司2 

  黑龙江省哈尔滨市    150060

摘要：碳纤维复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer, CFRP）因其轻质高强、耐腐蚀等特性，在航空、航天、汽车等领域的应用日益广泛。然而，CFRP的切削加工却面临着诸多挑战，如切削力大、热量集中、易产生分层等。本文对碳纤维复合材料的切削工艺进行了深入研究，分析了不同切削参数（如切削速度、进给速度、切削深度等）对切削力、切削温度、表面质量等的影响。通过对比实验，探讨了干切削、湿切削和微量润滑切削等不同切削条件下的切削效果，提出了适用于CFRP切削的优化工艺参数。此外，本文还研究了切削工具的磨损规律，为延长刀具寿命和提高切削效率提供了理论依据。

关键词：碳纤维复合材料；切削工艺；切削参数；切削力；表面质量；刀具磨损

引言：随着新材料科学的不断发展，碳纤维复合材料因其卓越的力学性能和轻质特性，在航空航天、汽车、体育器材等领域得到了广泛应用。然而，碳纤维复合材料的切削加工却是一大挑战，其特殊的层状结构和材料特性导致在切削过程中易出现分层、撕裂等质量问题。

二、碳纤维复合材料切削工艺相关理论

碳纤维复合材料作为一种先进的材料，其独特的结构和性能决定了切削加工的复杂性和挑战性。在本章节中，我们将详细介绍碳纤维复合材料的结构与性能，以及切削加工的基本原理，为后续的研究奠定理论基础。

首先，碳纤维复合材料的结构与性能是理解其切削工艺的关键。碳纤维复合材料由碳纤维和树脂基体组成，其中碳纤维提供高强度和高模量，而树脂基体则起到固定纤维和传递载荷的作用。这种层状结构使得材料具有优异的力学性能，如高强度、低密度、良好的耐腐蚀性和热稳定性。然而，正是这种层状结构，使得在切削过程中容易产生分层、撕裂等缺陷，从而增加了加工的难度。

切削加工的基本原理涉及到材料去除的过程。在切削过程中，刀具与工件接触，通过相对运动将材料去除。对于碳纤维复合材料，切削加工主要包括剪切、犁削和摩擦等机制。剪切是指刀具在切削过程中，将材料层与层之间剪断，这是理想的切削方式。犁削则是刀具在材料表面产生塑性变形，导致材料被推移。摩擦则是刀具与材料之间的相对运动产生的热量，可能导致材料的热损伤。

在碳纤维复合材料的切削过程中，刀具的选择至关重要。由于碳纤维复合材料的高硬度和耐磨性，刀具必须具有足够的硬度和耐磨性，以保持切削性能。常用的刀具材料包括硬质合金、陶瓷、金刚石等。此外，刀具的形状和角度也会影响切削效果，如刀具的前角、后角和刃口半径等。

切削参数的选择是切削工艺的核心。切削参数主要包括切削速度、进给速度和切削深度。切削速度决定了切削过程中材料去除的速率和产生的热量；进给速度影响了切削力和切削温度；切削深度则决定了材料去除的厚度。合理选择切削参数，可以优化切削效果，减少加工缺陷，提高加工效率。

三、切削参数对碳纤维复合材料切削效果的影响

在碳纤维复合材料的切削加工中，切削参数的选择对于确保加工质量、提高效率以及延长刀具寿命至关重要。切削参数主要包括切削速度、进给速度和切削深度，这些参数的不同组合会对切削效果产生显著影响。

首先，切削速度是影响切削效果的关键因素之一。随着切削速度的增加，切削力通常会减小，这有利于减少材料的分层和撕裂现象。然而，过高的切削速度会导致热量在切削区域迅速积累，使得材料温度升高，从而可能引起树脂基体的软化甚至烧焦。此外，高速切削还可能加剧刀具的磨损。因此，在确定切削速度时，需要权衡切削效率和加工质量。

其次，进给速度对切削效果的影响也不容忽视。较低的进给速度有助于提高表面质量，减少分层和撕裂，但会降低加工效率。相反，较高的进给速度可以提高加工效率，但可能导致表面质量下降，甚至引起材料内部的损伤。合理选择进给速度，可以在保证加工质量的同时，提高加工效率。

切削深度同样对切削效果有重要影响。较小的切削深度可以减少材料内部的应力集中，降低分层和撕裂的风险，同时也有利于保持刀具的寿命。然而，过小的切削深度可能导致加工效率的降低。较大的切削深度虽然可以提高加工效率，但容易引起材料内部的损伤，增加切削力，加快刀具磨损。

在实际切削过程中，切削参数的相互作用也会对切削效果产生影响。例如，当切削速度较高而进给速度较小时，可能会在材料表面产生较好的加工质量，但同时也会导致刀具的快速磨损。因此，需要通过实验确定最佳的切削参数组合。

研究表明，适当的切削参数可以显著改善碳纤维复合材料的切削效果。例如，通过降低切削速度和进给速度，可以减少材料的分层和撕裂，提高表面质量。同时，合理的切削深度可以平衡加工效率和加工质量。为了实现最佳的切削效果，通常需要通过实验来优化切削参数，包括进行切削力、切削温度和表面质量的测试，以及刀具磨损的评估。

四、切削条件对碳纤维复合材料切削效果的影响

在碳纤维复合材料的切削加工中，切削条件的选择对于保证加工质量、提高效率和减少加工缺陷具有重要意义。切削条件主要包括干切削、湿切削和微量润滑切削等，这些条件对切削效果有着显著的影响。

首先，干切削是指在切削过程中不使用任何冷却润滑液的加工方式。这种方式在碳纤维复合材料加工中较为常见，因为某些应用场合要求避免油污等对部件的影响。然而，干切削容易导致切削区域温度升高，热量不易散发，从而可能引起树脂基体的热损伤和材料的分层。同时，干切削还可能加剧刀具的磨损，缩短刀具寿命。

湿切削则是在切削过程中使用冷却润滑液的加工方式。冷却润滑液可以有效地降低切削区域的温度，减少热量对材料的影响，从而提高表面质量和减少加工缺陷。此外，冷却润滑液还可以减少刀具与材料之间的摩擦，降低切削力，延长刀具寿命。然而，湿切削可能会引起材料吸湿，影响其性能，并且在某些应用场合不适用。

切削条件对碳纤维复合材料的切削效果影响主要体现在以下几个方面：

1. 切削温度：干切削容易导致切削温度升高，而湿切削和MQL可以有效地降低切削温度，减少热损伤。

2. 切削力：切削条件对切削力有显著影响。干切削时，由于缺乏润滑，切削力较大；而湿切削和MQL可以减少切削力，提高切削效率。

3. 表面质量：切削条件对材料表面质量有重要影响。干切削容易导致表面粗糙和加工缺陷，而湿切削和MQL可以获得更好的表面质量。

4. 刀具磨损：切削条件对刀具磨损速度有直接影响。干切削加剧刀具磨损，而湿切削和MQL可以延长刀具寿命。

5. 加工效率：不同的切削条件对加工效率也有影响。干切削和MQL通常具有较高的加工效率，而湿切削可能由于需要设置冷却润滑液的循环系统而降低效率。

结束语：通过对碳纤维复合材料切削工艺的深入研究，本文分析了切削参数和切削条件对切削力、切削温度、表面质量等的影响，提出了优化的切削工艺参数。研究结果表明，合理的切削参数和切削条件可以有效改善碳纤维复合材料的切削性能，减少加工缺陷，提高加工效率。未来，随着切削技术的进一步发展，以及对碳纤维复合材料性能更深入的了解，相信会有更多高效、可靠的切削工艺被开发出来，为碳纤维复合材料在更多领域的应用奠定坚实的基础。

参考文献：

[1]王小鞑,王福吉,栗盛开等.大厚度碳纤维复合材料变参数制孔工艺研究[J].大连理工大学学报,2020,60(06):591-598.