碳纤维增强复合材料铣削加工技术研究进展

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1、复材加工COMPOSITESMACHINING碳纤维增强复合材料铣削加工*技术研究进展ResearchProgressinMillingofCarbonFiberReinforcedPolymer上海交通大学机械与动力工程学院王昌赢文亮明伟伟安庆龙陈明中国商飞上海飞机制造有限公司张烘州目前，国内关于碳纤维增强复合材料铣削加工技术的研究还处于起步阶段。为改进CFRP切削加工工艺，必须从CFRP材料切削去除机理，切削刀具材料选用、刀具几何结构设计和涂层处理，加工表面缺陷形式等方面开展系统、深入的研究。本文主要从以上几个方

2、面针对近年来国内外对于碳纤维增强复合材料铣削加工中的研究进展进行综述。DOI:10.16080/j.issn1671-833x.2015.14.076王昌赢成型，但为满足零件最终的形状、尺目前，国内关于碳纤维增强复博士研究生，主要从事碳纤维增强寸和装配要求，CFRP零件通常需要合材料铣削加工技术的研究还处于复合材料切削加工方面的研究。进行铣削加工。随着CFRP使用量起步阶段。为改进CFRP切削加工的增加，铣削加工在CFRP加工中的工艺，必须从CFRP材料切削去除机[4]需求量也越来越大。理，切削刀具材料选用、刀具几何

3、结碳纤维增强复合材料（Carbon碳纤维增强复合材料是一种典构设计和涂层处理，加工表面缺陷形FiberReinforcedPolymer，CFRP）型的难加工材料。由于各向异性、非式等方面开展系统、深入的研究。本作为最具代表性的一种先进树脂基均匀性、层间结合强度低等特点，碳文主要从以上几个方面针对近年来复合材料，由于具有比强度高、比刚纤维增强复合材料在铣削加工中易国内外对于碳纤维增强复合材料铣度大、优良的耐腐蚀性和低热膨胀系出现表面分层、毛刺、表面粗糙度差、削加工中的研究进展进行综述。数等诸多优点，其在航空航天、生物

4、纤维拔出、撕裂等加工缺陷。此外，医疗、交通运输等领域得到了广泛的在CFRP的切削加工过程中，碳纤维铣削加工机理[1-3]应用。的摩擦作用会使刀具加速磨损和刃CFRP的切削加工机理和金属[5-6]一般CFRP零件均为一次整体口钝化，钝化的切削刃在切削碳材料的切削加工机理是完全不同的。纤维时会因为不够锋利而加剧加工在切削材料去除过程中，CFRP材料*国家高技术研究发展计划（863计划）“复合缺陷的发生，这给CFRP加工和应用没有金属材料切削中常见的塑性变材料/合金叠层构件高效精密制孔工艺技术及装备”项目（2013AA04

5、0104）资助。的企业带来诸多困扰。形、剪切流动等材料变形过程，材料76航空制造技术·2015年第14期复材加工COMPOSITESMACHINING的主要去除形式为受到挤压、剪切、响。在铣削CFRP过程中，纤维方向由于纤维切削角的存在，CFRP层合弯曲、拉伸之后直接发生脆性断裂。角定义为刀具进给速度方向沿逆时板表面加工质量具有显著的方向性，这主要是由碳纤维材料本身的属性针与纤维方向所成的夹角，纤维切削表面形貌和轮廓会随着纤维切削角所造成的，碳纤维一般在受到较小程角定义为刃口切削速度方向沿逆时的不同而发生变化。在顺纤

6、维方向[7]度的变形时就会引发脆性断裂。由针与纤维方向所成的夹角。纤维切削加工时，CFRP材料的表面加工于CFRP层合板显著的方向性，在不切削角由纤维方向角和刀具旋转角质量相对较好，表面轮廓平滑。在逆同纤维方向角下会形成不同的切削共同决定，3者之间的关系如图1所纤维方向切削加工时，CFRP材料的关系，相应的材料去除机理和切屑形示。表面质量明显下降，出现周期性波动成机理也会有重要区别。不同纤维方向的CFRP加工机表面轮廓，并出现沿纤维方向向工件[8-9]由于各向异性的存在，碳纤维理也差别巨大。图2给出了不同纤基体内部扩

7、展裂纹的趋势。由此增强复合材料层合板的铺层角度对维方向的CFRP在正交切削时所形可见，纤维方向是影响CFRP表面加[8-9]CFRP的铣削过程有非常重要的影成的典型加工表面。可以发现，工质量的重要因素。图3给出了切削加工不同纤维铺层方向的CFRP层合板材料去除nφ=180°nφ=180°β=45°机理示意图。当纤维切削角θ=0°时，β=0°vfxvfx材料去除机理为平行于纤维方向的树脂基体剪切断裂以及垂直于纤维方向的挤压弯曲断裂，被剥离的碳纤θ=0°θ=45°维沿刀具前刀面流出，形成粉末状切（a）0°（b）45°屑，

8、属于I型材料去除机理。当纤维切削角0°<θ<90°时，切削状态为逆纤维切削关系，材料去除机理为铺β=90°β=135°nφ=180°nφ=180°层间首先发生90°层间拉伸断裂并vfxvfx向次表层扩展，随后碳纤维在刀具推挤作用下发生弯曲断裂和挤压剪切分离，形成切屑，属于III型材料去除θ=90°θ=135°机理。当纤维切削角θ=90°时，材（