1.6　先進復合材料的切削加工特點

先進復合材料因具有輕質、高比強度、高比模量等優(yōu)良特性在許多領域已取代金屬材料獲得廣泛的應用。在過去幾十年里，復合材料已大量應用于航天、航空和造船等工業(yè)， 而且這種趨勢仍在繼續(xù)。這些材料成型后大都需要機械加工來獲得所需的尺寸精度，但由于復合材料具有硬度高、強度大、導熱性差、各向異性以及離散性等特點，屬于難加工材料。

纖維增強樹脂基復合材料的加工有一定難度，但難度尚不大，硬顆粒增強金屬基復合材料的切削加工難度很大。主要問題是刀具急劇磨損和切出的表面質量差。絕大多數金屬材料是均質和各向同性的， 而復合材料往往是非均質和各向異性的。因此， 復合材料應力與變形之間的關系比傳統(tǒng)材料復雜得多，基體與增強體之間的協同效應對復合材料受力后的行為有重大影響。雖然復合材料的基體一般都是普通材料， 但是復合材料的增強體通常都是高強度或高硬度的材料。因此， 復合材料中的增強體是基體塑性變形的障礙， 這使得復合材料的切削變形機制不同于普通金屬材料， 如何提高刀具的使用壽命和獲得優(yōu)良的切削表面成為加工復合材料的挑戰(zhàn)性問題。

迄今， 車、銑、刨、鉆、鉸、磨等多種傳統(tǒng)工藝方法和放電、激光、電化學、磨料流等特種工藝方法都已被嘗試用于復合材料零件成型加工。由于復合材料基體和增強體性能的差異， 使得不論是應用傳統(tǒng)工藝方法還是特種工藝方法， 所加工的復合材料表面都顯著地不同于普通均質材料表面， 復合材料的已加工表面包含大量的加工所致的缺陷是其鮮明的特征。

復合材料的已加工表面包含大量的加工所致缺陷， 增強體的特性和取向分布、刀具條件是決定復合材料已加工表面形貌的主要因素。對長纖維增強的復合材料， 已加工表面上既有突出的纖維，也有失去纖維而留下的凹槽和孔洞， 缺陷的類型和分布與加工方向密切相關。對短纖維或晶須增強的復合材料， 在機械加工中增強體被拔出或脫落的現象比長纖維增強體時更常見。顆粒增強復合材料的已加工表面存在凹坑、碎顆粒、犁溝、基體涂抹等多種缺陷， 增強顆粒粒度大小對復合材料的已加工表面形貌影響非常大。

復合材料表面層在加工中經受了切削高溫，已加工表面包含大量加工所致缺陷， 故表面硬度甚至低于未加工材料。加工中被切削表面的皮下層材料經歷了比較大的塑性變形， 而其溫度低于表面， 加工所致缺陷也少， 所以此層材料通常發(fā)生顯著的加工硬化。此層以下材料加工后硬度變化不大。含有細小增強體的復合材料加工硬化效應更顯著。

切削熱和基體塑性變形是復合材料加工后宏觀殘余應力的原因。由于增強體與基體的熱膨脹系數、彈性模量相差懸殊， 微觀上復合材料切削變形區(qū)的應力狀態(tài)很復雜， 界面協同效應制約著增強體與基體之間的變形和恢復。加工后復合材料表層究竟殘留拉應力還是壓應力取決于復合材料的具體結構和實際加工條件兩方面。理論上， 凡使切削溫度升高的因素都增大在已加工表面殘余拉應力的傾向。實踐上， 加工后復合材料表面常殘余壓應力， 或表面加工缺陷使大部分熱應力和彈性恢復應力均被釋放。