隨著各行業對材料輕量化和卓越性能的追求，碳纖維及其復合材料的(de)應(ying)用越來越廣泛(fan)，目前還沒(mei)有大批(pi)量(liang)(liang)應(ying)用的(de)原因主要是成本和生產效(xiao)率的(de)問題。而成本主要是材料(liao)成本和批(pi)量(liang)(liang)化成型加(jia)工成本，如何高速、高效(xiao)大批(pi)量(liang)(liang)生產高質量(liang)(liang)、低成本的(de)碳纖維復(fu)合材料(liao)，減少(shao)材料(liao)浪費(fei)，已經(jing)成為業內(nei)的(de)共(gong)識。

1 碳纖維的加工難點

碳纖(xian)維增強(qiang)復合(he)材料（CFRP）在(zai)加工(gong)過(guo)程中，基(ji)(ji)體和(he)(he)纖(xian)維存在(zai)較為復雜的(de)內部相互作用，使其物理(li)特性與金(jin)屬(shu)(shu)有較大(da)區別(bie)，CFRP密度遠小于(yu)金(jin)屬(shu)(shu)，而(er)強(qiang)度大(da)于(yu)絕大(da)部分(fen)金(jin)屬(shu)(shu)。因為 CFRP 的(de)不均勻性，在(zai)加工(gong)過(guo)程中往往會出現(xian)纖(xian)維拉出或基(ji)(ji)質纖(xian)維的(de)脫離；CFRP 具(ju)有較高的(de)耐熱(re)性和(he)(he)耐磨性，使其在(zai)加工(gong)過(guo)程中對(dui)設(she)備(bei)的(de)要求較高，因為生(sheng)產過(guo)程中產生(sheng)大(da)量切(qie)削熱(re)對(dui)設(she)備(bei)磨損較為嚴重。

同時，其應用領域的(de)不斷擴(kuo)展(zhan)，要(yao)求(qiu)也越來(lai)(lai)越細膩，對材料適用性做(zuo)出要(yao)求(qiu)，對CFRP 的(de)質(zhi)量要(yao)求(qiu)也越來(lai)(lai)越苛刻(ke)，也致使加工(gong)成本上(shang)浮。

2 加工原理

纖維取向

纖維取向在 CFRP 工件(jian)和(he)刀(dao)(dao)具接(jie)觸面的(de)(de)相(xiang)互作用中會產生重大影響，切(qie)(qie)屑(xie)形成和(he)纖維取向密(mi)切(qie)(qie)相(xiang)關。CFRP 工件(jian)和(he)刀(dao)(dao)具接(jie)觸面的(de)(de)斷(duan)裂是(shi)由刀(dao)(dao)尖所施加的(de)(de)壓力導致的(de)(de)。在多種纖維取向方面，共有(you)3 種切(qie)(qie)削機理：

（1）纖維(wei)的斷裂沿著纖維(wei)和(he)基體接觸面(mian)的方(fang)向，即纖維(wei)取向是0°。

（2）刀具剪切(qie)時方向垂(chui)直于纖(xian)維軸，纖(xian)維取向為(wei)75°。

（3）纖維(wei)取向為(wei) 90°甚至負(fu)角(jiao)度(du)，纖維(wei)方向角(jiao)度(du) 30°、60°、90°是(shi)最關(guan)鍵(jian)的方向，它們(men)會導致大的切削力(li)和集中磨(mo)損及(ji)工(gong)件破壞，通過(guo)增加刀具后角(jiao)值可以有效地減小進(jin)給推力(li)。

切削熱

CFRP 的(de)(de)切(qie)削(xue)過程是碳纖維斷(duan)裂和基體材料(liao)去(qu)除的(de)(de)復雜(za)過程，工件和切(qie)削(xue)刀具之間摩擦升溫，甚至引(yin)起刀具高(gao)溫軟(ruan)化或分(fen)解。CFRP 導(dao)熱(re)性(xing)較差(cha)，所以在切(qie)削(xue)過程禁止使用(yong)冷卻液，致使產生的(de)(de)切(qie)削(xue)熱(re)不能快速散出，從而將熱(re)量傳到切(qie)削(xue)刀具上，加劇(ju)了切(qie)削(xue)設備(bei)的(de)(de)磨損，使其使用(yong)壽命大(da)打折扣(kou)，同時使工件的(de)(de)表(biao)面熱(re)量更加劇(ju)，影響復合(he)(he)材料(liao)表(biao)面成型(xing)，降(jiang)低了復合(he)(he)材料(liao)使用(yong)中的(de)(de)性(xing)能。

復合材料切削(xue)熱的研(yan)究主要(yao)集中(zhong)在(zai)切削(xue)溫(wen)度(du)的測(ce)量(liang)方(fang)法上，國內(nei)外很(hen)多(duo)學者(zhe)采用紅外測(ce)溫(wen)儀(yi)、熱像儀(yi)或者(zhe)埋入熱電(dian)偶等方(fang)式(shi)對碳纖維復合材料的切削(xue)溫(wen)度(du)進行測(ce)量(liang)研(yan)究。

刀具磨損機理

CFRP 屬于難加(jia)工材料，主要原因是其對(dui)刀(dao)具的(de)磨(mo)損(sun)(sun)非常迅速。加(jia)工進程中對(dui)刀(dao)具的(de)磨(mo)損(sun)(sun)機(ji)理為：工件在刀(dao)具上被(bei)加(jia)工時，二者表面接觸大，在加(jia)工過程中，長(chang)期的(de)磨(mo)損(sun)(sun)，震(zhen)動，使刀(dao)具上的(de)硬質(zhi)顆(ke)粒(li)偶有脫(tuo)離，從而形(xing)成了所謂的(de)刀(dao)具磨(mo)損(sun)(sun)。

磨(mo)損類型大(da)致(zhi)可分為刀具(ju)(ju)破壞(huai)和(he)磨(mo)損，按照磨(mo)損的位置不同，磨(mo)損又可分為刀尖磨(mo)損、刀具(ju)(ju)側面(mian)磨(mo)損、刀具(ju)(ju)邊緣(yuan)破壞(huai)和(he)邊緣(yuan)磨(mo)損。

影(ying)響刀(dao)具(ju)磨(mo)損的(de)因素有(you)(you)很多，主要包含：加(jia)工(gong)工(gong)藝參數、刀(dao)具(ju)幾(ji)(ji)何(he)形(xing)狀(zhuang)和材(cai)料(liao)等。在 CFRP 切削過程中，工(gong)藝參數（如切削速(su)度、進給速(su)度、纖維取向等）會顯著(zhu)(zhu)地影(ying)響刀(dao)具(ju)磨(mo)損。一般而言，切削速(su)度增加(jia)會加(jia)劇側面(mian)磨(mo)損。刀(dao)具(ju)幾(ji)(ji)何(he)形(xing)狀(zhuang)和材(cai)料(liao)對加(jia)工(gong)表面(mian)、切屑形(xing)成、切削力和刀(dao)具(ju)磨(mo)損有(you)(you)著(zhu)(zhu)顯著(zhu)(zhu)的(de)影(ying)響。

3 加工方法

車削加工

車削是在 CFRP 加工中應用最多的方法也是最基礎的方法，通常適用于圓柱表面預定公差的實現。適合車削可以應用的刀具主要材料為：硬質合金或陶瓷以及聚晶金剛石。加工工藝(yi)中進刀速(su)率，所切深度，和切削的(de)速(su)度都(dou)會影響工件成品(pin)表面質量和道具損壞程度，這也(ye)是進行技術(shu)優(you)化的(de)目標方向(xiang)。

車削加工

銑削加工

銑削(xue)通常是對(dui)(dui)成品(pin)工(gong)(gong)(gong)件再(zai)加(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)的(de)(de)(de)一種(zhong)加(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)方式，要求的(de)(de)(de)加(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)精度較高，對(dui)(dui)復(fu)雜工(gong)(gong)(gong)件粗加(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)后的(de)(de)(de)修(xiu)繕性的(de)(de)(de)銑削(xue)過(guo)程(cheng)。在加(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)過(guo)程(cheng)中，同樣端銑刀和(he)CFRP 之間要進行復(fu)雜的(de)(de)(de)相互作用(yong)，造成 CFRP 工(gong)(gong)(gong)件存在沒切斷的(de)(de)(de)纖(xian)維紗線以及分層現象。為減少和(he)避免(mian)類似缺陷產生(sheng)(sheng)，只要在加(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)前期，科(ke)學預(yu)測切削(xue)力和(he)軸分層和(he)未(wei)切斷的(de)(de)(de)纖(xian)維紗線毛(mao)(mao)邊(bian)的(de)(de)(de)現象時(shi)有發生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)大小，控制加(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)工(gong)(gong)(gong)藝(yi)參數(shu)設置，將(jiang)有效(xiao)減少了毛(mao)(mao)刺毛(mao)(mao)邊(bian)的(de)(de)(de)產生(sheng)(sheng)。

主(zhu)要的工(gong)(gong)藝參數，如(ru)纖(xian)維(wei)取向(xiang)、軸向(xiang)和切向(xiang)進給速(su)度、切削(xue)速(su)度等(deng)，都會對工(gong)(gong)件表(biao)面粗糙度產生顯(xian)著影(ying)響。銑(xian)削(xue)加工(gong)(gong)的技(ji)術要求(qiu)：反復實驗纖(xian)維(wei)取向(xiang)，軸向(xiang)和切向(xiang)進給速(su)度，形成最佳參數，進行(xing)銑(xian)削(xue)加工(gong)(gong)。

CFRP加工用銑刀

鉆孔加工

工件要(yao)求螺栓(shuan)或鉚(liu)接(jie)裝(zhuang)配時需鉆(zhan)孔操作，在(zai)CFRP 鉆(zhan)孔過程(cheng)中仍然存在(zai)一定問題(ti)：材料的(de)離層(ceng)(ceng)現(xian)象，刀(dao)具的(de)嚴(yan)重損耗以及孔內壁的(de)質量(liang)問題(ti)。經實驗分析，設置的(de)切削參(can)數、鉆(zhan)頭的(de)幾何形態(tai)以及切削的(de)質量(liang)對上訴(su)產生的(de)問題(ti)均產生明顯(xian)影響。通常把損傷區(qu)最(zui)大直徑(jing)和孔徑(jing)比率稱為損傷因子，也是(shi)表示分層(ceng)(ceng)現(xian)象的(de)程(cheng)度，分層(ceng)(ceng)因子越大，表示分層(ceng)(ceng)問題(ti)越為嚴(yan)重。

通過實驗可(ke)以推理，切(qie)(qie)削(xue)過程中推力和(he)分層現象產生(sheng)也(ye)有相互關系，推削(xue)力的大小也(ye)可(ke)表示(shi)分層程度。基于相同的鉆孔材料(liao)，不同于其他加(jia)工方式，鉆孔加(jia)工中切(qie)(qie)削(xue)速(su)率不會給切(qie)(qie)削(xue)力產生(sheng)很大影響。

在同一切削參數下，與麻花鉆(zhan)頭(tou)(tou)相比(bi)，參數對復合型特殊(shu)鉆(zhan)頭(tou)(tou)分(fen)層(ceng)影響較低。對于特殊(shu)幾何特征的鉆(zhan)頭(tou)(tou)，較大(da)的進給(gei)速(su)度和(he)鉆(zhan)頭(tou)(tou)直徑(jing)可以減少分(fen)層(ceng)，并且不同直徑(jing)比(bi)鉆(zhan)孔切削力會隨(sui)著(zhu)直徑(jing)比(bi)的減小而增(zeng)(zeng)大(da)，隨(sui)著(zhu)進給(gei)速(su)度的增(zeng)(zeng)大(da)而增(zeng)(zeng)大(da)。

CFRP加工用鉆頭

磨削加工

通常在船(chuan)舶制(zhi)造(zao)，航天工(gong)(gong)(gong)(gong)業領域，對 CFRP 的工(gong)(gong)(gong)(gong)件(jian)(jian)質(zhi)量要求更為苛(ke)刻(ke)。工(gong)(gong)(gong)(gong)件(jian)(jian)精度和質(zhi)量都要求在較高加(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)方式下進行，而磨(mo)削(xue)加(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)的施工(gong)(gong)(gong)(gong)工(gong)(gong)(gong)(gong)藝恰(qia)恰(qia)符合其制(zhi)造(zao)要求。磨(mo)削(xue)加(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)件(jian)(jian)精度要求十(shi)分(fen)嚴格，需對已經粗(cu)加(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)的工(gong)(gong)(gong)(gong)件(jian)(jian)進行細磨(mo)加(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)。

磨削加工 CFRP 要比金屬困難和復雜得多，國內外學者也進行了相關研究，設計了一種杯形砂輪，在(zai)其(qi)內部(bu)提(ti)供(gong)冷(leng)(leng)(leng)卻(que)液(ye)對CFRP 進(jin)行(xing)磨削(xue)(xue)加(jia)(jia)工(gong)，比較了干(gan)式(shi)磨削(xue)(xue)、外部(bu)冷(leng)(leng)(leng)卻(que)液(ye)磨削(xue)(xue)和內部(bu)冷(leng)(leng)(leng)卻(que)液(ye)磨削(xue)(xue)3種加(jia)(jia)工(gong)方(fang)式(shi)，結(jie)果顯示(shi) ：內部(bu)冷(leng)(leng)(leng)卻(que)液(ye)磨削(xue)(xue)方(fang)式(shi)加(jia)(jia)工(gong)過程中(zhong)，附著(zhu)(zhu)于(yu)砂輪(lun)上(shang)的基(ji)體(ti)樹脂明顯減少，砂輪(lun)中(zhong)的磨粒(li)能(neng)更有效地磨削(xue)(xue)纖維且在(zai)材料(liao)表面(mian)不會產生層離或(huo)毛刺現象(xiang)。這種砂輪(lun)內部(bu)提(ti)供(gong)冷(leng)(leng)(leng)卻(que)液(ye)的方(fang)法展示(shi)出了更強的冷(leng)(leng)(leng)卻(que)效果，能(neng)顯著(zhu)(zhu)降低(di)磨削(xue)(xue)溫度(du)，同(tong)時(shi)有利于(yu)切屑的排出。

磨削加工

超聲振動加工技術

超(chao)聲振(zhen)動(dong)加(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)機理(li)是建立(li)在傳統加(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)過(guo)程中刀具(ju)(ju)和工(gong)(gong)(gong)(gong)件相對運(yun)動(dong)的(de)基礎上的(de)，然(ran)后在對兩者施(shi)加(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)一定的(de)超(chao)聲振(zhen)動(dong)，從而生產(chan)出性能更(geng)優(you)越的(de)復(fu)合(he)型(xing)材料(liao)。該技(ji)術屬于對傳統技(ji)術的(de)優(you)化和輔助，較傳統加(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)方式，技(ji)術更(geng)加(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)先進，成品工(gong)(gong)(gong)(gong)件表面(mian)質(zhi)量(liang)更(geng)加(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)細膩(ni)，同(tong)時也降低裂紋產(chan)生的(de)現象，節省了(le)(le)(le)加(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)成本。有效減(jian)低了(le)(le)(le)CFRP增強復(fu)合(he)材料(liao)的(de)加(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)難(nan)度，超(chao)聲波的(de)應用，徹底改善了(le)(le)(le)材料(liao)去除機理(li)，降低工(gong)(gong)(gong)(gong)具(ju)(ju)和工(gong)(gong)(gong)(gong)件相互的(de)摩擦(ca)力(li)，減(jian)少了(le)(le)(le)工(gong)(gong)(gong)(gong)具(ju)(ju)加(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)時間，增強了(le)(le)(le)刀具(ju)(ju)作用力(li)，提高了(le)(le)(le)加(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)效率，減(jian)少了(le)(le)(le)刀具(ju)(ju)磨損，使工(gong)(gong)(gong)(gong)件加(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)的(de)精度和質(zhi)量(liang)更(geng)先進。主要有超(chao)聲振(zhen)動(dong)鉆孔加(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)、超(chao)聲振(zhen)動(dong)磨削加(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)、超(chao)聲振(zhen)動(dong)銑削加(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)，超(chao)聲振(zhen)動(dong)切削加(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)。

超聲輔助切削

（1）超聲振動鉆孔加工(gong)

超聲振動鉆孔加工(gong)是一種(zhong)非傳統的加工(gong)方法，在高效(xiao)鉆削(xue)加工(gong)復(fu)合材料(liao)方面具有很(hen)大(da)發(fa)展潛(qian)能(neng)，其主(zhu)要優點包括：減小切削(xue)力和力矩；提高加工(gong)表(biao)面質量，減少毛刺；避免分層(ceng)現(xian)象發(fa)生(sheng)等。

有學(xue)者研究以金剛石磨粒旋(xuan)轉超聲振動鉆孔加工 CFRP，旋(xuan)轉超聲鉆孔加工如圖(tu) 3 所示(shi)。對 CFRP的(de)機理分析表明：CFRP 的(de)材料(liao)去除機理更適用于脆性斷裂而不是塑(su)性變(bian)形，建立切(qie)削力模(mo)型用于預測加工參數和加工環境對切(qie)削力影響的(de)關(guan)系，并通過試(shi)驗驗證了該力學(xue)模(mo)型的(de)準確性。

（2）超聲振動磨削加工

超聲振動磨(mo)(mo)削加工(gong)(gong)(gong)結合了(le)金剛(gang)石磨(mo)(mo)削加工(gong)(gong)(gong)材料(liao)去(qu)除機(ji)理和(he)具有超聲加工(gong)(gong)(gong)特點的(de)(de)復合式磨(mo)(mo)削加工(gong)(gong)(gong)技(ji)術。其優點主(zhu)要有：可產生切削力減(jian)小和(he)切屑減(jian)薄(bo)的(de)(de)效(xiao)果；改(gai)善(shan)工(gong)(gong)(gong)件(jian)表(biao)面精度和(he)形狀(zhuang)精度；提高材料(liao)去(qu)除率，延(yan)長工(gong)(gong)(gong)具的(de)(de)壽命；提高脆(cui)性(xing)與延(yan)性(xing)域(yu)發生轉變的(de)(de)臨界(jie)切削深度，實現脆(cui)性(xing)材料(liao)的(de)(de)延(yan)性(xing)域(yu)加工(gong)(gong)(gong)。