各种复合材料的机械加工特点

一、玻璃钢

    玻璃钢是玻璃纤维增强热固性树脂基复合材料的俗称，属难切削材料。玻璃钢有酚醛树脂基、环氧树脂基、不饱和聚酯树脂基等。玻璃纤维填料的主要成分是SiO2，坚硬耐磨,强度高,耐热，比木粉作填料的塑料可切性差。树脂基体不同,可切削性也不相同。环氧树脂基比酚醛树脂基难切削。试验证明，切削玻璃钢的刀具材料以高速钢磨损最严重，P类及M类硬质合金磨损也大，以K类磨损最小。K类中又以含钴量最少的K10最耐磨损，而用金刚石或立方氮化硼刀具切削加工玻璃钢，可大大提高生产效率。选择刀具几何参数时，对玻璃纤维含量高的玻璃钢板材、模压材料和缠绕材料，使r0=20~25°；对纤维缠绕材料，使r0＝20~30°。由于玻璃钢回弹性较大，后角要选大值，使a0＝8~14°；副偏角小些，可降低表面粗糙度，精车时为6~8°。加工易脱层、起毛的卷管和纤维缠绕玻璃钢，应采用6~15°刃倾角。切削时v＝40~100m/min，f＝0.1~0.5mm/r，aP＝0.5~3.5mm，精车时aP＝0.05~0.2mm。

    二、热塑性树脂基复合材料

    热塑性树脂基复合材料机械加工的基本加工特点是：

    1)加工时加冷却剂，以避免过热，过热会使工件熔化；

    2)采用高速切削；

    3)切削刀具要有足够容量的排屑槽；

    4)采用小的背吃刀量和小的进给量；

    5)车刀应磨成一定的倾角，以尽量减少刀具切削力和推力；

    6)热塑性复合材料钻孔应用麻花钻；

    7)应采用碳化钨或金刚砂刀具，或用特殊的塑料用高速钢刀具；

    8)工件必须适当支承(背部垫实)，以避免切削压力造成的分层；

    9)精密机械加工时，要考虑塑性记忆和加工车间的室温；

    10)刀头和刀具要锋利，钝刀具会增加工件上的切削力。

    三、金属基复合材料

    金属基复合材料(MMC)的最大特点是成型性能好，一次成型后已基本能满足使用要求。但是随着复合材料应用领域的扩大，特别是MMC在工业及宇航领域中的应用，对这种材料的加工和精加工日趋重要。例如美国制造的大型SiC/Al板材，需采用喷水切割并用标准钢连接件固定在金属基复合材料梁上，战术导弹上用的体积百分比为25%SiC颗粒增强2124铝基复合材料的挤压毛坯必须采用金刚石刀具加工后才能应用，这样就相应产生了水切割、钻孔、车削等二次加工工艺。

    传统的切割、车削、铣削、磨削等工艺一般都可用于MMC，但是刀具磨损较严重，往往随着增强材料体积分数和尺寸的增大而加剧。且大颗粒或纤维抵抗脱落的能力较强，因而刀具所受应力较强。因此，对于一些单纤维增强的MMC，往往必须用有金刚石尖或镶嵌有金刚石的刀具。对于短纤维或粒子复合材料，有时也采用碳化钨或高速钢工具。增强体的强度对刀具的磨损也有影响。一般增强体的强度越高，切削加工就越困难。研究发现，碳化硅晶须增强的铝基复合材料要比其它铝基复合材料难加工。对于多数MMC，使用锐利的刀具，合适的切削速度，大量的冷却/润滑剂和较大的进刀量，可以得到很好的效果。一般来说，金刚石刀具要比硬质合金及陶瓷刀具好，可更适用于高速车削。反过来，如果使用碳化物刀具，若车削速度低，则刀具寿命长。线锯也可用来割MMC，但一般速度较慢，只能切直线。

    由于复合材料与传统材料有着不同的特点，所以复合材料的切削加工与金属材料有着本质的区别，因此不能将从加工传统材料中获得的经验和知识直接应用于复合材料的加工，必须通过新途径对其加工性能进行研究。