隨著各行業(yè)對(duì)材料輕量化和卓越性能的追求，碳纖維及其復(fù)合材料的應(yīng)用越來越廣泛，目前還沒有大批量應(yīng)用的原因主要是成本和生產(chǎn)效率的問題。而成本主要是材料成本和批量化成型加工成本，如何高速、高效大批量生產(chǎn)高質(zhì)量、低成本的碳纖維復(fù)合材料，減少材料浪費(fèi)，已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)的共識(shí)。

1 碳纖維的加工難點(diǎn)

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）在加工過程中，基體和纖維存在較為復(fù)雜的內(nèi)部相互作用，使其物理特性與金屬有較大區(qū)別，CFRP密度遠(yuǎn)小于金屬，而強(qiáng)度大于絕大部分金屬。因?yàn)?CFRP 的不均勻性，在加工過程中往往會(huì)出現(xiàn)纖維拉出或基質(zhì)纖維的脫離；CFRP 具有較高的耐熱性和耐磨性，使其在加工過程中對(duì)設(shè)備的要求較高，因?yàn)樯a(chǎn)過程中產(chǎn)生大量切削熱對(duì)設(shè)備磨損較為嚴(yán)重。

同時(shí)，其應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，要求也越來越細(xì)膩，對(duì)材料適用性做出要求，對(duì)CFRP 的質(zhì)量要求也越來越苛刻，也致使加工成本上浮。

2 加工原理

纖維取向

纖維取向在 CFRP 工件和刀具接觸面的相互作用中會(huì)產(chǎn)生重大影響，切屑形成和纖維取向密切相關(guān)。CFRP 工件和刀具接觸面的斷裂是由刀尖所施加的壓力導(dǎo)致的。在多種纖維取向方面，共有3 種切削機(jī)理：

（1）纖維的斷裂沿著纖維和基體接觸面的方向，即纖維取向是0°。

（2）刀具剪切時(shí)方向垂直于纖維軸，纖維取向?yàn)?5°。

（3）纖維取向?yàn)?90°甚至負(fù)角度，纖維方向角度 30°、60°、90°是最關(guān)鍵的方向，它們會(huì)導(dǎo)致大的切削力和集中磨損及工件破壞，通過增加刀具后角值可以有效地減小進(jìn)給推力。

切削熱

CFRP 的切削過程是碳纖維斷裂和基體材料去除的復(fù)雜過程，工件和切削刀具之間摩擦升溫，甚至引起刀具高溫軟化或分解。CFRP 導(dǎo)熱性較差，所以在切削過程禁止使用冷卻液，致使產(chǎn)生的切削熱不能快速散出，從而將熱量傳到切削刀具上，加劇了切削設(shè)備的磨損，使其使用壽命大打折扣，同時(shí)使工件的表面熱量更加劇，影響復(fù)合材料表面成型，降低了復(fù)合材料使用中的性能。

復(fù)合材料切削熱的研究主要集中在切削溫度的測(cè)量方法上，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者采用紅外測(cè)溫儀、熱像儀或者埋入熱電偶等方式對(duì)碳纖維復(fù)合材料的切削溫度進(jìn)行測(cè)量研究。

刀具磨損機(jī)理

CFRP 屬于難加工材料，主要原因是其對(duì)刀具的磨損非常迅速。加工進(jìn)程中對(duì)刀具的磨損機(jī)理為：工件在刀具上被加工時(shí)，二者表面接觸大，在加工過程中，長(zhǎng)期的磨損，震動(dòng)，使刀具上的硬質(zhì)顆粒偶有脫離，從而形成了所謂的刀具磨損。

磨損類型大致可分為刀具破壞和磨損，按照磨損的位置不同，磨損又可分為刀尖磨損、刀具側(cè)面磨損、刀具邊緣破壞和邊緣磨損。

影響刀具磨損的因素有很多，主要包含：加工工藝參數(shù)、刀具幾何形狀和材料等。在 CFRP 切削過程中，工藝參數(shù)（如切削速度、進(jìn)給速度、纖維取向等）會(huì)顯著地影響刀具磨損。一般而言，切削速度增加會(huì)加劇側(cè)面磨損。刀具幾何形狀和材料對(duì)加工表面、切屑形成、切削力和刀具磨損有著顯著的影響。

3 加工方法

車削加工

車削是在 CFRP 加工中應(yīng)用最多的方法也是最基礎(chǔ)的方法，通常適用于圓柱表面預(yù)定公差的實(shí)現(xiàn)。適合車削可以應(yīng)用的刀具主要材料為：硬質(zhì)合金或陶瓷以及聚晶金剛石。加工工藝中進(jìn)刀速率，所切深度，和切削的速度都會(huì)影響工件成品表面質(zhì)量和道具損壞程度，這也是進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化的目標(biāo)方向。

車削加工

銑削加工

銑削通常是對(duì)成品工件再加工的一種加工方式，要求的加工精度較高，對(duì)復(fù)雜工件粗加工后的修繕性的銑削過程。在加工過程中，同樣端銑刀和CFRP 之間要進(jìn)行復(fù)雜的相互作用，造成 CFRP 工件存在沒切斷的纖維紗線以及分層現(xiàn)象。為減少和避免類似缺陷產(chǎn)生，只要在加工前期，科學(xué)預(yù)測(cè)切削力和軸分層和未切斷的纖維紗線毛邊的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生的大小，控制加工工藝參數(shù)設(shè)置，將有效減少了毛刺毛邊的產(chǎn)生。

主要的工藝參數(shù)，如纖維取向、軸向和切向進(jìn)給速度、切削速度等，都會(huì)對(duì)工件表面粗糙度產(chǎn)生顯著影響。銑削加工的技術(shù)要求：反復(fù)實(shí)驗(yàn)纖維取向，軸向和切向進(jìn)給速度，形成最佳參數(shù)，進(jìn)行銑削加工。

CFRP加工用銑刀

鉆孔加工

工件要求螺栓或鉚接裝配時(shí)需鉆孔操作，在CFRP 鉆孔過程中仍然存在一定問題：材料的離層現(xiàn)象，刀具的嚴(yán)重?fù)p耗以及孔內(nèi)壁的質(zhì)量問題。經(jīng)實(shí)驗(yàn)分析，設(shè)置的切削參數(shù)、鉆頭的幾何形態(tài)以及切削的質(zhì)量對(duì)上訴產(chǎn)生的問題均產(chǎn)生明顯影響。通常把損傷區(qū)最大直徑和孔徑比率稱為損傷因子，也是表示分層現(xiàn)象的程度，分層因子越大，表示分層問題越為嚴(yán)重。

通過實(shí)驗(yàn)可以推理，切削過程中推力和分層現(xiàn)象產(chǎn)生也有相互關(guān)系，推削力的大小也可表示分層程度。基于相同的鉆孔材料，不同于其他加工方式，鉆孔加工中切削速率不會(huì)給切削力產(chǎn)生很大影響。

在同一切削參數(shù)下，與麻花鉆頭相比，參數(shù)對(duì)復(fù)合型特殊鉆頭分層影響較低。對(duì)于特殊幾何特征的鉆頭，較大的進(jìn)給速度和鉆頭直徑可以減少分層，并且不同直徑比鉆孔切削力會(huì)隨著直徑比的減小而增大，隨著進(jìn)給速度的增大而增大。

CFRP加工用鉆頭

磨削加工

通常在船舶制造，航天工業(yè)領(lǐng)域，對(duì) CFRP 的工件質(zhì)量要求更為苛刻。工件精度和質(zhì)量都要求在較高加工方式下進(jìn)行，而磨削加工的施工工藝恰恰符合其制造要求。磨削加工件精度要求十分嚴(yán)格，需對(duì)已經(jīng)粗加工的工件進(jìn)行細(xì)磨加工。

磨削加工 CFRP 要比金屬困難和復(fù)雜得多，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也進(jìn)行了相關(guān)研究，設(shè)計(jì)了一種杯形砂輪，在其內(nèi)部提供冷卻液對(duì)CFRP 進(jìn)行磨削加工，比較了干式磨削、外部冷卻液磨削和內(nèi)部冷卻液磨削3種加工方式，結(jié)果顯示 ：內(nèi)部冷卻液磨削方式加工過程中，附著于砂輪上的基體樹脂明顯減少，砂輪中的磨粒能更有效地磨削纖維且在材料表面不會(huì)產(chǎn)生層離或毛刺現(xiàn)象。這種砂輪內(nèi)部提供冷卻液的方法展示出了更強(qiáng)的冷卻效果，能顯著降低磨削溫度，同時(shí)有利于切屑的排出。

磨削加工

超聲振動(dòng)加工技術(shù)

超聲振動(dòng)加工機(jī)理是建立在傳統(tǒng)加工過程中刀具和工件相對(duì)運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上的，然后在對(duì)兩者施加一定的超聲振動(dòng)，從而生產(chǎn)出性能更優(yōu)越的復(fù)合型材料。該技術(shù)屬于對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)的優(yōu)化和輔助，較傳統(tǒng)加工方式，技術(shù)更加先進(jìn)，成品工件表面質(zhì)量更加細(xì)膩，同時(shí)也降低裂紋產(chǎn)生的現(xiàn)象，節(jié)省了加工成本。有效減低了CFRP增強(qiáng)復(fù)合材料的加工難度，超聲波的應(yīng)用，徹底改善了材料去除機(jī)理，降低工具和工件相互的摩擦力，減少了工具加工時(shí)間，增強(qiáng)了刀具作用力，提高了加工效率，減少了刀具磨損，使工件加工的精度和質(zhì)量更先進(jìn)。主要有超聲振動(dòng)鉆孔加工、超聲振動(dòng)磨削加工、超聲振動(dòng)銑削加工，超聲振動(dòng)切削加工。

超聲輔助切削

（1）超聲振動(dòng)鉆孔加工

超聲振動(dòng)鉆孔加工是一種非傳統(tǒng)的加工方法，在高效鉆削加工復(fù)合材料方面具有很大發(fā)展?jié)撃埽渲饕獌?yōu)點(diǎn)包括：減小切削力和力矩；提高加工表面質(zhì)量，減少毛刺；避免分層現(xiàn)象發(fā)生等。

有學(xué)者研究以金剛石磨粒旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)鉆孔加工 CFRP，旋轉(zhuǎn)超聲鉆孔加工如圖 3 所示。對(duì) CFRP的機(jī)理分析表明：CFRP 的材料去除機(jī)理更適用于脆性斷裂而不是塑性變形，建立切削力模型用于預(yù)測(cè)加工參數(shù)和加工環(huán)境對(duì)切削力影響的關(guān)系，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該力學(xué)模型的準(zhǔn)確性。

（2）超聲振動(dòng)磨削加工

超聲振動(dòng)磨削加工結(jié)合了金剛石磨削加工材料去除機(jī)理和具有超聲加工特點(diǎn)的復(fù)合式磨削加工技術(shù)。其優(yōu)點(diǎn)主要有：可產(chǎn)生切削力減小和切屑減薄的效果；改善工件表面精度和形狀精度；提高材料去除率，延長(zhǎng)工具的壽命；提高脆性與延性域發(fā)生轉(zhuǎn)變的臨界切削深度，實(shí)現(xiàn)脆性材料的延性域加工。