武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 劉樹(shù)良 陳 濤 魏宇祥

華中科技大學(xué)數(shù)字制造裝備與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 吳超群

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）是一種基于碳/石墨纖維的纖維增強(qiáng)聚合物，耐熱性能好，具有高強(qiáng)度質(zhì)量比、高模量質(zhì)量比（E/ρ）、高阻尼能力、較好的尺寸穩(wěn)定性、出色的損傷容限以及良好的耐腐蝕和抗疲勞性能。因此，CFRP現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)器人、建造業(yè)、化工機(jī)械、醫(yī)療和軍工領(lǐng)域[1-2]。

CFRP在加工過(guò)程中，基體和纖維復(fù)雜的相互作用使材料的物理特性與傳統(tǒng)的金屬有很大不同。由于CFRP的不均勻性和各向異性，加工時(shí)會(huì)導(dǎo)致纖維的拉出和基質(zhì)纖維的脫離；CFRP具有較高耐熱性和耐磨損性，使刀具磨損嚴(yán)重且切削熱較大。此外，隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷增加和對(duì)材料使用性能要求的不斷提高，CFRP的加工變得越來(lái)越困難，質(zhì)量難以保證，加工成本很高，所以有關(guān)CFRP加工技術(shù)的研究也顯得越來(lái)越重要[3-4]。

目前關(guān)于CFRP加工技術(shù)的綜述和研究鮮見(jiàn)報(bào)道，現(xiàn)有文獻(xiàn)中關(guān)于CFRP加工技術(shù)的研究和所遇到的問(wèn)題也缺少全面、詳細(xì)的闡述和研究。本文主要通過(guò)4部分綜合闡述CFRP的加工技術(shù)：（1）CFRP切削理論，強(qiáng)調(diào)對(duì)CFRP加工要從機(jī)械性能結(jié)構(gòu)角度深入理解；（2）CFRP傳統(tǒng)加工方法；（3）超聲振動(dòng)加工CFRP的應(yīng)用；（4）有關(guān)CFRP加工的數(shù)值模擬仿真研究，旨在用更加有效的方法理解和預(yù)測(cè)加工過(guò)程。

CFRP切削理論

CFRP的不均勻性和各向異性，導(dǎo)致工件和刀具的相互作用與切削金屬時(shí)刀具-工件接觸面的相互作用有著顯著差異。通過(guò)對(duì)CFRP加工過(guò)程中切屑形成和材料去除原理的研究，可以更加深入地了解CFRP切削理論的發(fā)展?fàn)顩r。此外，對(duì)加工過(guò)程經(jīng)過(guò)特定的假設(shè)和簡(jiǎn)化，基于現(xiàn)有完善的切削理論，可以通過(guò)試驗(yàn)對(duì)切削力及產(chǎn)生的切削熱進(jìn)行預(yù)測(cè)，研究加工參數(shù)對(duì)工件加工表面質(zhì)量的影響，并且有利于工藝參數(shù)優(yōu)化和工具改進(jìn)?；仡櫤捅容^包括CFRP切屑形成原理與其加工中工件和刀具相互作用在內(nèi)的切削理論，并對(duì)加工過(guò)程中所產(chǎn)生的切削熱作簡(jiǎn)要分析。

1 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，因此在CFRP加工時(shí)，有必要明確描述出不同纖維取向。圖1顯示了在正交切削CFRP時(shí)刀具切削方向和纖維方向間的關(guān)系，纖維取向范圍為 0°～180°。

在CFRP切削過(guò)程中，切屑形成和纖維取向密切相關(guān)，Koplev等[5]率先通過(guò)試驗(yàn)研究了CFRP切削時(shí)的切屑形成，結(jié)果顯示：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，具體如圖2所示。

Henerichs等[6]提出纖維方向角度 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(guò)增加刀具后角值可以有效地減小進(jìn)給推力；與前角相比，后角對(duì)切削力的影響更大；使用具有小的楔角尤其是具有較大的后角刀具，能獲得較低的切削力。纖維方向的不同會(huì)影響工件的表面質(zhì)量：當(dāng)纖維方向?yàn)?°時(shí)，工件表面纖維斷裂較少且粗糙度低，不發(fā)生分層；當(dāng)纖維方向?yàn)?30°、60°、90°時(shí)，工件表面會(huì)隨著后角的增大而有少量回彈，并由此引發(fā)復(fù)合基材料溢出現(xiàn)象。

2 切削熱

在工件和刀具的接觸面，刀具常常會(huì)經(jīng)歷高溫并引起熱軟化，甚至是刀具材料的降解。而CFRP的切削過(guò)程是碳纖維斷裂和基體材料去除的復(fù)雜過(guò)程，并且由于其導(dǎo)熱性能比傳統(tǒng)金屬材料差，多數(shù)情況下切削過(guò)程中不允許使用冷卻液，切削熱無(wú)法快速散出，而是主要傳導(dǎo)到刀具和工件上[7]。受切削熱的作用，工件表面熱影響加劇，破壞復(fù)合材料的表面質(zhì)量，從而影響其使用性能；另外，大量的切削熱使得刀具溫度升高，加劇了刀具磨損，降低了其使用壽命。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。

Sreejith等[8]研究發(fā)現(xiàn)，進(jìn)給速度和切削速度的增大都會(huì)使切削區(qū)域的溫度穩(wěn)步升高。Keizo等[9]發(fā)現(xiàn)，在CFRP鉆孔加工中，當(dāng)進(jìn)給速度很低時(shí)溫度卻反常地升高，有人認(rèn)為這是由于切削刃有很高的溫度，導(dǎo)致環(huán)氧基體局部損傷而造成的。

北京航空航天大學(xué)復(fù)合材料加工技術(shù)研究課題組用埋入人工熱電偶的方法測(cè)量到鉆頭切削部分靠近中心和最外側(cè)兩點(diǎn)的溫度，結(jié)果表明：樹(shù)脂基碳纖維復(fù)合材料的鉆削加工溫度一般不超過(guò)1500～2000℃。

李偉[10]等研究碳纖維/樹(shù)脂復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)特性，建立了磨削溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型；并開(kāi)發(fā)建立碳纖維/樹(shù)脂復(fù)合材料的磨削測(cè)溫系統(tǒng)，研究磨削加工中磨削溫升的特點(diǎn)；建立磨削溫度的經(jīng)驗(yàn)公式，分析碳纖維/樹(shù)脂復(fù)合材料磨削溫度、磨削力的特點(diǎn)及對(duì)工件加工質(zhì)量的影響，優(yōu)化了工藝參數(shù)；分析研究了刀具鉆削溫升的特點(diǎn)及對(duì)刀具磨損的影響。

圖1 刀具切削方向和纖維方向間的關(guān)系

圖2 不同纖維方向角度下的切削機(jī)理

3 刀具磨損機(jī)理

CFRP歸結(jié)為難加工材料的原因之一就是刀具磨損嚴(yán)重，其加工過(guò)程中刀具的機(jī)械磨損機(jī)理可以定義為：在刀具和工件接觸面，由于磨損、加工影響或振動(dòng)等因素，使刀具硬質(zhì)顆粒從刀具表面剝離。CFRP加工中刀具磨損的主要類(lèi)型有：刀具破壞和磨損。考慮到磨損發(fā)生的不同位置，磨損現(xiàn)象包括刀尖磨損、刀具側(cè)面磨損、刀具邊緣破壞和邊緣磨損[11]。

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(guò)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[12]。

CFRP傳統(tǒng)加工

CFRP有很多機(jī)械加工方法，傳統(tǒng)的方法如車(chē)削、磨削、鉆孔等，非傳統(tǒng)方法如超聲振動(dòng)切削加工等。本節(jié)描述幾種重要的傳統(tǒng)加工過(guò)程和其相應(yīng)的功能，并闡述CFRP加工的技術(shù)背景，進(jìn)一步探討工藝參數(shù)對(duì)切削性能和加工表面質(zhì)量的影響。

1 車(chē)削加工

車(chē)削是在CFRP加工中應(yīng)用最廣泛的加工方法之一，主要用于實(shí)現(xiàn)圓柱表面預(yù)定的尺寸公差。適用于CFRP車(chē)削的可行刀具材料有：陶瓷、硬質(zhì)合金、立方氮化硼（CBN）和聚晶金剛石（PCD）。切削加工表面質(zhì)量和刀具使用壽命是研究關(guān)注的焦點(diǎn)，因?yàn)檫@兩個(gè)特征受工藝參數(shù)的影響較大，如進(jìn)給速度、切削深度、切削速度等，同時(shí)還要考慮刀具特征，如刀具幾何形狀和材料等。

Santhanakrishnan等[13]使用硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行切削試驗(yàn)，用以觀(guān)察切削現(xiàn)象和刀具性能，同時(shí)考慮切削力變化、刀具磨損、表面粗糙度和切屑成型等因素，得出：用硬質(zhì)合金工具可以加工出一致的表面紋理，但前提是能夠防止或者減少側(cè)面磨損。之后，Kim等[14]分析了表面粗糙度的數(shù)學(xué)表達(dá)式，揭示了進(jìn)給速度和刀具幾何形狀對(duì)表面質(zhì)量的重要影響。Rajasekaran等[15]使用立方氮化硼工具加工CFRP時(shí)，利用模糊邏輯算法來(lái)預(yù)測(cè)表面粗糙度與進(jìn)給速度、切削速度、切削深度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)進(jìn)給速度是影響表面粗糙度的最大因素。

2 銑削加工

銑削通常用于CFRP工件的精確尺寸和復(fù)雜形狀的加工。銑削加工可看作是一種修正操作，能得到預(yù)期要求的較高質(zhì)量加工表面。在加工過(guò)程中，由于端銑刀和CFRP之間的復(fù)雜的相互作用，CFRP工件分層和未切斷的纖維紗線(xiàn)毛邊的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。為減少纖維分層現(xiàn)象和毛邊的產(chǎn)生，進(jìn)行了大量的嘗試和探索。在加工過(guò)程中，對(duì)推力和軸向切削力進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，會(huì)成為控制工藝參數(shù)的良好指標(biāo)，可以避免纖維分層并減少毛刺的形成；合理設(shè)計(jì)和控制刀具路徑也可以有效地減少毛刺的形成和纖維分層[16]。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。

3 鉆孔加工

在組件進(jìn)行螺栓或鉚接裝配前均需要鉆孔操作。在CFRP鉆孔過(guò)程中存在的主要問(wèn)題有：材料層離現(xiàn)象、刀具磨損以及孔內(nèi)表面加工質(zhì)量等。通過(guò)試驗(yàn)可知，切削參數(shù)、鉆頭幾何形狀、切削力對(duì)分層現(xiàn)象和表面質(zhì)量均有影響。Chen[17]定義了分層因子，即損傷區(qū)最大直徑和孔直徑比率，用于分析分層現(xiàn)象，分層因子越大，表明分層現(xiàn)象越嚴(yán)重；另外，通過(guò)試驗(yàn)可知，切削推力和分層因素是有相互關(guān)系的，可利用切削推力表征分層程度。對(duì)于同樣的鉆孔材料，切削速度對(duì)切削力影響并不大，而且從中可以得出，降低出口的進(jìn)給速度，會(huì)使分層因子減小。

Tsao等[18]通過(guò)研究得出了切削參數(shù)和鉆頭幾何形狀對(duì)CFRP分層的影響。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。

4 磨削加工

在船舶、航天航空等領(lǐng)域，對(duì)CFRP的加工精度要求極為苛刻，需利用磨削加工實(shí)現(xiàn)較高加工表面質(zhì)量。然而，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。

Hu[19-20]和Soo等[21]分別以多向和單向CFRP為對(duì)象，重點(diǎn)研究纖維方向和磨削深度對(duì)磨削力和表面完整度的影響，并初步探討磨削加工CFRP的切削機(jī)理。結(jié)果顯示：在同一磨削條件下，磨削加工多向CFRP時(shí)，切削力隨磨削深度增加呈線(xiàn)性增加趨勢(shì)，且大于加工單向CFRP時(shí)的切削力；而對(duì)于單向CFRP工件加工，表面完整性受纖維方向影響較大。

盛賢君等[22]針對(duì)傳統(tǒng)的CFRP鉆孔加工易產(chǎn)生缺陷的問(wèn)題，開(kāi)展“以磨代鉆”新工藝的研究，并研制了新型電鍍超硬磨料刀具，實(shí)現(xiàn)對(duì)CFRP構(gòu)件數(shù)控鉆磨工藝裝備的控制，得出：“以磨代鉆”新工藝的鉆磨裝備可獲得較高的加工精度及表面質(zhì)量，滿(mǎn)足當(dāng)前CFRP構(gòu)件孔加工的工業(yè)要求。

Sasahara等[23]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(guò)程中，附著于砂輪上的基體樹(shù)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。

CFRP超聲振動(dòng)和特種加工技術(shù)

1 超聲振動(dòng)加工技術(shù)

超聲振動(dòng)加工技術(shù)是在傳統(tǒng)機(jī)械加工中刀具與工件相對(duì)運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上，對(duì)刀具或工件施加超聲振動(dòng)，以獲得更好加工性能的一種復(fù)合型加工方法。該技術(shù)可以明顯提高加工表面質(zhì)量，顯著降低表面粗糙度和切削溫度，并減少裂紋生成，同時(shí)降低加工成本，為CFRP等難加工材料的廣泛應(yīng)用提供了技術(shù)途徑。由于超聲振動(dòng)的引入，改變了材料去除機(jī)理，降低工具與工件之間的摩擦力，減小工具與工件的作用時(shí)間，增強(qiáng)工具對(duì)工件的切削去除作用，從而有效提高材料去除率，減小切削力，降低切削熱，減少刀具磨損，改善加工精度和質(zhì)量[24]。

2 CFRP超聲振動(dòng)加工技術(shù)研究現(xiàn)狀

將超聲輔助加工技術(shù)用于復(fù)合材料加工方面的研究較早的是日本學(xué)者Takeyama，他在1988年采用直角切削的方式研究了超聲輔助切削加工不同角度玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的切削力、表面質(zhì)量和切屑形成等，研究結(jié)果表明超聲輔助切削加工在切削力和表面質(zhì)量方面是有顯著效果的，證明采用超聲輔助切削加工復(fù)合材料是一種可行的方法。隨后Kirn等在不同加工參數(shù)條件下對(duì)CFRP進(jìn)行超聲輔助車(chē)削加工試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明在極限切削速度以下，相對(duì)于普通車(chē)削加工，超聲輔助車(chē)削加工可以獲得更高質(zhì)量的加工表面。

（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?，其主要?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。

Cong等[25]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(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該力學(xué)模型的準(zhǔn)確性。

圖3 旋轉(zhuǎn)超聲鉆孔加工示意圖

Feng等[26]研究旋轉(zhuǎn)超聲鉆孔加工CFRP材料，通過(guò)試驗(yàn)獲取切屑、切屑邊緣形態(tài)、表面粗糙度、刀具磨損和切削力及力矩等參數(shù)，研究旋轉(zhuǎn)超聲加工參數(shù)（主軸轉(zhuǎn)速、振動(dòng)幅值、進(jìn)給速度）對(duì)切削力和表面粗糙度的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)超聲波功率越大、主軸轉(zhuǎn)速越高且進(jìn)給速度越低時(shí)，切削力就越?。煌ㄟ^(guò)測(cè)量加工孔進(jìn)出口處的表面粗糙度得出進(jìn)口處的表面質(zhì)量高；觀(guān)察刀具磨損情況，得出刀具端面有顯著的磨損，而刀具端面磨損較少。

Liu等[27]研究旋轉(zhuǎn)超聲橢圓鉆孔加工CFRP。結(jié)合空心鉆和橢圓工件振動(dòng)加工的優(yōu)點(diǎn)，可獲取高質(zhì)量無(wú)層離的自由孔。分析了超聲橢圓振動(dòng)加工的切削力模型和切屑去除現(xiàn)象，并通過(guò)試驗(yàn)證實(shí)旋轉(zhuǎn)超聲橢圓加工CFRP的可行性。結(jié)果顯示：與傳統(tǒng)鉆孔加工相比，切屑去除率增加且刀具磨損減小，孔的加工精度和表面質(zhì)量都得到了提高，且無(wú)層離現(xiàn)象，切削力減小。

（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。

任宇江[28]等設(shè)計(jì)超聲輔助磨削試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行超聲輔助磨削和普通磨削加工中的磨削力對(duì)比試驗(yàn)，研究磨削力隨參數(shù)（超聲振幅、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和切削深度）的變化規(guī)律。對(duì)比結(jié)果表明：超聲輔助磨削的磨削力最大可降低約50%，工件表面粗糙度值降低約為10%～30%；并探討了超聲輔助磨削的加工機(jī)理，觀(guān)察工具堵塞、表面形貌和碎屑形態(tài)，進(jìn)行工藝試驗(yàn)研究，優(yōu)化加工參數(shù)。

馬付建[29]等根據(jù)縱向振動(dòng)的力學(xué)理論和薄圓盤(pán)振動(dòng)理論，建立超聲輔助車(chē)削變幅桿以及采用小工具和大工具的超聲輔助磨削變幅桿的設(shè)計(jì)方法，研制出適用于旋轉(zhuǎn)超聲輔助加工的非接觸式電能傳輸單元，并對(duì)三維編織C/C復(fù)合材料進(jìn)行超聲振動(dòng)加工試驗(yàn)。與普通車(chē)削對(duì)比結(jié)果表明：超聲輔助磨削C/C復(fù)合材料可以顯著提高表面質(zhì)量，降低切削力、切削溫度和刀具磨損等，并且超聲振動(dòng)還可以降低刀具與工件材料間的摩擦系數(shù)，減少砂輪表面堵塞并獲得較好的表面質(zhì)量。

（3）超聲振動(dòng)銑削加工。

王曉博[30]等基于波動(dòng)理論設(shè)計(jì)適用于高速加工中心的專(zhuān)用超聲縱向銑削聲學(xué)系統(tǒng)和對(duì)工件施加二維超聲振動(dòng)的平面振動(dòng)系統(tǒng)；研究CFRP銑削機(jī)理，建立超聲振動(dòng)銑削CFRP平均切削力模型；分析材料表面缺陷產(chǎn)生的機(jī)理及刀具失效形式和磨損機(jī)理。結(jié)果表明：超聲振動(dòng)的引入可以降低銑削力；主軸轉(zhuǎn)速提高，切削力減??；軸向切深、徑向切深和進(jìn)給速度增大，切削力增大；在高速切削時(shí)，為了減小切削力，應(yīng)選取高轉(zhuǎn)速、小切深、多次走刀的方式進(jìn)行切削加工。

（4）超聲振動(dòng)切削加工。

Xu等[31-32]設(shè)計(jì)了一種新型的工作于反諧振頻率的振動(dòng)器，用于實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定和快速變化的超聲振動(dòng)模式，并研究該模式下橢圓振動(dòng)切削CFRP的去除機(jī)理。結(jié)果顯示：超聲振動(dòng)的應(yīng)用能有效降低切削力并減小工具的亞表面損傷；沿切削方向的振動(dòng)能更有效地減小切削力，而垂直于切削方向的振動(dòng)更有利于切屑的排出；結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)，橢圓振動(dòng)切削是一種更有效的加工CFRP的方法。而后，進(jìn)一步建立了橢圓振動(dòng)加工單向CFRP的力學(xué)模型，該模型綜合考慮了纖維變形和破壞及纖維基體彎曲的影響，揭示材料去除機(jī)理，并通過(guò)試驗(yàn)校核驗(yàn)證。

3 其他常見(jiàn)特種加工方法

為了適應(yīng)CFRP性能和加工要求不斷提高的需求，傳統(tǒng)機(jī)械加工技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，一些特種加工技術(shù)也被用于復(fù)合材料的加工，包括激光加工、電火花加工和高壓水射流加工等在復(fù)合材料加工中有著獨(dú)特的特點(diǎn)和優(yōu)越性。

激光輔助加工是利用激光能量使材料瞬間熔化或蒸發(fā)去除材料實(shí)現(xiàn)加工，并能夠結(jié)合數(shù)字控制實(shí)現(xiàn)復(fù)雜路徑和復(fù)雜形貌的加工。由于激光輔助加工特有的優(yōu)點(diǎn)，且能對(duì)難加工材料進(jìn)行加工，不僅減少切削力和刀具磨損，而且能提高刀具壽命，因此激光輔助加工是一種很有前景的加工CFRP的方法。

電火花加工主要利用放電時(shí)產(chǎn)生的局部高溫、高壓蝕除材料達(dá)到一定加工效果，可以通過(guò)控制放電能量的大小，實(shí)現(xiàn)快速加工或高質(zhì)量加工。電火花加工技術(shù)能以較軟的工具電極材料加工任何硬度的導(dǎo)電性材料，加工時(shí)幾乎沒(méi)有宏觀(guān)作用力，不受加工對(duì)象材料硬度、脆性等綜合機(jī)械性能的影響，被認(rèn)為是解決CFRP加工的有效途徑。

高壓水射流加工是利用高壓水或磨料的沖擊作用實(shí)現(xiàn)材料的去除。高壓水射流加工具有較小的材料敏感性和壓力負(fù)載、不產(chǎn)生熱效應(yīng)、高度的靈活性等特點(diǎn)；同時(shí)，由于其加工深度較小，且隨著加工深度的增大，其加工切縫易出現(xiàn)分布不均的現(xiàn)象，因此主要用于薄板類(lèi)復(fù)合材料切割和孔的加工等。因此，關(guān)注并設(shè)法解決水射流加工存在的不足有利于其在CFRP加工方面的廣泛使用。

CFRP數(shù)值仿真研究

在CFRP加工過(guò)程中，刀具磨損嚴(yán)重，加工表面質(zhì)量不高，試驗(yàn)測(cè)試和研究成本較高，數(shù)值仿真技術(shù)不僅能節(jié)省試驗(yàn)費(fèi)用，而且可模擬切削加工過(guò)程，對(duì)揭示切削過(guò)程中材料的微觀(guān)變化及其切削機(jī)理有著指導(dǎo)意義。

采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行切削過(guò)程建模時(shí)，必須考慮切削過(guò)程中的各種物理關(guān)系，包括材料模型、傳熱模型、摩擦接觸模型、切屑分離模型、刀具磨損模型、表面形貌及表面層形成等。

基于疊層復(fù)合材料的鋪層方式和強(qiáng)度理論，李桂玉[33]建立了疊層復(fù)合材料拉伸仿真模型，采用Hashin Damage失效模型定義材料斷裂準(zhǔn)則，建立疊層復(fù)合材料三維鉆削仿真模型，研究鉆削過(guò)程中的切削力特征及不同加工參數(shù)對(duì)切削力的影響規(guī)律。李志凱[34]采用試驗(yàn)與有限元方法相結(jié)合的手段對(duì)CFRP切削機(jī)理進(jìn)行研究，分析切削過(guò)程中的切削力、基體破壞、工件損傷、工件亞表面損傷及加工表面質(zhì)量，仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性。佟沐霖[35]以單向CFRP直角切削為對(duì)象，基于有限元技術(shù)和切削過(guò)程的力學(xué)特性，模擬CFRP的鉆削過(guò)程，分析鉆削過(guò)程中軸向切削力的變化特征。

為了研究超聲振動(dòng)鉆孔加工CFRP過(guò)程中產(chǎn)生的局部性的沖擊振動(dòng)特性，Phadnis等[36-38]對(duì)超聲振動(dòng)鉆孔加工CFRP進(jìn)行非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)仿真，進(jìn)而研究鉆孔加工過(guò)程中CFRP的體積和熱軟化現(xiàn)象。得出結(jié)論：超聲振動(dòng)鉆孔加工CFRP時(shí)，在一定的振動(dòng)強(qiáng)度范圍，工件發(fā)生塑性變形導(dǎo)致局部熱軟化；另外，工件表面溫度經(jīng)常超過(guò)熱固性環(huán)氧基的玻璃轉(zhuǎn)變溫度（170～190℃）。

結(jié)束語(yǔ)

主要闡述了CFRP加工技術(shù)現(xiàn)狀，包括：CFRP加工工藝條件、特點(diǎn)和切削理論，CFRP傳統(tǒng)加工技術(shù)、超聲振動(dòng)加工技術(shù)，以及CFRP加工過(guò)程仿真等。

（1）CFRP材料有著一系列優(yōu)良的機(jī)械性能，如比強(qiáng)度、比模量、阻尼容量高，尺寸穩(wěn)定性好等，因而在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，如航空業(yè)、建造業(yè)、運(yùn)輸業(yè)等得到廣泛的應(yīng)用。

（2）基于工業(yè)需求和學(xué)術(shù)研究的熱點(diǎn)，介紹了CFRP加工中的機(jī)加工過(guò)程，包括傳統(tǒng)加工方法和超聲振動(dòng)加工技術(shù)的應(yīng)用，并簡(jiǎn)要介紹了幾種特種加工技術(shù)。

（3）陳述了包括切屑形成和材料去除機(jī)理在內(nèi)的切削理論，并進(jìn)行比較，從而易于理解CFRP和刀具之間的復(fù)雜的相互作用。

（4）數(shù)值仿真研究能夠深入理解CFRP和刀具之間的相互作用，同時(shí)也綜述了有效的過(guò)程優(yōu)化準(zhǔn)則，可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)CFRP加工中的切屑形成及材料破壞形式。

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