姜飛龍，張國朋，許佩敏，段博譯

(西安菲爾特金屬過濾材料股份有限公司，陜西西安 710000)

0 引言

碳纖維復(fù)合材料是以碳纖維為增強體，樹脂、金屬、陶瓷等為基體的一種增強型復(fù)合材料。具有高比強度、高比模量、耐高溫、性能設(shè)計好等優(yōu)點[1]，有效的提高了航空航天器的性能，大大減輕了航空航天器的重量和制造成本，已經(jīng)成為衛(wèi)星、火箭等現(xiàn)代航空航天器的理想材料[2]。在制作碳纖維復(fù)合材料時，常采用模壓成型、纖維纏繞等方法進行整體塑性，但是該加工方法精確度較差，無法滿足精密件的需求，因此還需進行切削、磨削等后處理加工來獲得良好的表面質(zhì)量[3]。由于在加工過程中復(fù)合材料力學(xué)性能和熱學(xué)性能兩個因素的影響，再加上CFRP 中基體和纖維的相互作用，使CFRP 和常規(guī)金屬及其合金具有不同的材料屬性，切削加工更加困難[4]。CFRP 材料具有各向異性，在切削加工過程中，易產(chǎn)生毛刺、纖維撕裂、分層、崩邊等加工缺陷，嚴(yán)重影響了工件的強度和疲勞壽命[5]。切削力和切削溫度的變化對加工過程產(chǎn)生很大的影響，切削力可以在工件分層處引起基體的開裂，高速切削和材料本身的低導(dǎo)熱性能產(chǎn)生的高溫會引起樹脂的溶解等[6]。切削力和切削溫度的大小也會直接影響刀具的使用壽命，并且影響工件的表面完整性（表面粗糙度、殘余應(yīng)力、加工硬化）。

本文首先對碳纖維復(fù)合材料加工方法的研究現(xiàn)狀進行了綜述，對加工過程中的切削力、切削溫度的影響因素及影響因素的主次關(guān)系進行了分析，介紹了影響碳纖維復(fù)合材料表面完整性的因素和改進表面完整性的方法。

1 碳纖維復(fù)合材料機械加工方法分類

在碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用之前，對其進行機械加工以保證滿足各方面裝配要求是不可缺少的[7]。目前，復(fù)合材料的機械加工方法有很多種，從材料的種類、設(shè)備投資、加工工藝的適用性等方面考慮，再結(jié)合碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能，把機械加工方法暫分為傳統(tǒng)機械加工、非傳統(tǒng)機械加工（高級機械加工和混合式機械加工）。傳統(tǒng)機械加工方法一般包括車削、銑削、鉆孔等，高級機械加工包括激光切割、水柱切割等，混合式切割包括激光輔助切割、振動輔助切割等[8]。它們各有優(yōu)缺點，就傳統(tǒng)機械加工而言，優(yōu)點是加工成本低、適用性強、操作方便等，基本可以滿足大多數(shù)復(fù)合材料加工要求，但對于形狀復(fù)雜的工件就較難實現(xiàn)加工，并且在加工過程中工件表面質(zhì)量相對較低、切屑產(chǎn)生較多，同時也存在著刀具磨損快等問題。非傳統(tǒng)機械加工方法在切削加工過程中引進了激光等先進技術(shù)，提高了生產(chǎn)效率、降低了工件表面的損傷、適用于大批量加工等，但是該方法加工成本較高、見效慢，故適用于大批量加工。就適用性和設(shè)備價格綜合考慮，過去幾十年，國內(nèi)外學(xué)者的研究以傳統(tǒng)加工較多，通過仿真和實驗，找到影響材料表面質(zhì)量等的因素，并通過改變這些因素或者添加材料等，以進一步提高復(fù)合材料性能。隨著航空航天領(lǐng)域?qū)α慵砻尜|(zhì)量要求越來越高，部分學(xué)者或者機構(gòu)已經(jīng)開始在激光切割等先進加工方法上進行深入研究。

2 碳纖維復(fù)合材料切削力和切削溫度

2.1 切削力

在CFRP 切削過程中，切削力是一項重要的性能參數(shù)，其大小直接影響著切削熱的產(chǎn)生、刀具壽命以及工件表面質(zhì)量，可以通過切削力的變化規(guī)律對切削過程進行分析，因此，切削力的研究已成為切削過程中的重要研究方向。

研究表明，切削力是影響復(fù)合材料分層的主要因素，適當(dāng)?shù)目刂魄邢髁梢杂行У慕档头謱拥热毕輀4]。故研究切削過程中切削力的變化規(guī)律就顯得尤為重要。影響切削力的因素也有很多，如刀具類型、切削參數(shù)、切削方法、材料自身屬性等。國內(nèi)外學(xué)者通過不同的加工方法對CFRP 切削力的研究進行了仿真和實驗，Kumar[9]等采用田口穩(wěn)健設(shè)計方法進行車削實驗，該實驗綜合考慮了刀具半徑、刀具角度、進給速率、切削速度、切削深度和切削環(huán)境等工藝參數(shù)，對各種因素的相對重要性進行了分析，并運用帕累托遺傳算法（DBPGA）優(yōu)化切向力和進給力，預(yù)測了切向力和進給力的最優(yōu)值，并與實驗進行比較，結(jié)果相當(dāng)接近。Rafal-Rusinek[10]在銑削實驗過程中通過改變進給量的值，觀察切削力的變化，得出切削力隨著進給量的增大呈現(xiàn)穩(wěn)定上升，同時也發(fā)現(xiàn)了進給量越大，刀具磨損越嚴(yán)重。徐倩[11]等采用正交試驗法研究了磨削參數(shù)對航空碳纖維復(fù)合材料磨削力的影響，研究表明，磨削參數(shù)對磨削力影響主次關(guān)系依次是磨削深度、砂輪線速度、工件進給速度，并得到了復(fù)合材料磨削力的經(jīng)驗公式，可作為后續(xù)研究的參考對照依據(jù)。

2.2 切削溫度

切削熱通常是指在切削過程中，刀具和工件之間由于劇烈摩擦，使刀具和工件溫度升高，產(chǎn)生的熱量。由于材料的導(dǎo)熱性能差，并且CFRP 的加工一般是高速切削，使得切削過程中產(chǎn)生的熱量不能及時散發(fā)出去。切削熱會引起工件的熱軟化甚至熱降解，尤其是基體材料和溫度變化對其有很大的影響[12]。并且刀具溫度對刀具的切削性能也會產(chǎn)生顯著的影響，切削過程中切削溫度的控制，將直接影響刀具的磨損程度和刀具使用壽命。對于復(fù)合材料溫度變化的研究，現(xiàn)大多都是關(guān)于對復(fù)合材料成型制備時的熱分析，關(guān)于在二次加工中溫度對復(fù)合材料及刀具的影響很少提及。Oliver Pecata[13]研究了工件溫度對表面質(zhì)量的影響，實驗中工件纖維取向為90°，切削速度設(shè)為100m/min，工件溫度分別為-40℃，20℃，80℃，120℃，研究發(fā)現(xiàn)，在低溫-40℃、20℃時易產(chǎn)生裂縫等現(xiàn)象，在高溫時可以避免，但是在120℃時在亞表層會出現(xiàn)熱損傷，發(fā)現(xiàn)在80℃時可以同時有效的降低由于低溫產(chǎn)生的裂紋和高溫產(chǎn)生的熱損傷對工件表面的影響，可以獲得較好的加工表面。Sreejith[7]等使用金剛石刀具進行了CFRP 的車削實驗，用光學(xué)紅外溫度計測得切削區(qū)溫度，結(jié)果表明，切削區(qū)溫度隨著進給量和切削速度的增加而穩(wěn)定增加。朱國平[14]建立了復(fù)合材料溫度場數(shù)學(xué)模型，通過熱電偶和紅外測溫儀兩種測溫手段來驗證所提出模型的正確性，通過改變工件的材料參數(shù)、刀具參數(shù)和工藝參數(shù)等來模擬仿真了不同條件下鉆削過程中溫度場的變化規(guī)律及分布。雖然有實驗驗證、分析預(yù)測和數(shù)值模擬等關(guān)于切削參數(shù)對切削溫度的影響，但進一步的深入的研究卻很少發(fā)現(xiàn)。鑒于材料中脂基的導(dǎo)熱性差，其自身熱傳導(dǎo)性對于切削溫度也有一定的影響，吳恩啟[15]等利用紅外熱成像技術(shù)，研究了編織CFRP 在纖維束編織平面內(nèi)的熱傳導(dǎo)規(guī)律，結(jié)果表明，CFRP在纖維束平面方向的熱導(dǎo)規(guī)律與傳導(dǎo)方向相關(guān)，編織方式及樹脂分布對熱擴散系數(shù)有直接影響。

3 表面質(zhì)量

3.1 表面完整性

表面完整性通常指加工后工件表面的殘余應(yīng)力、粗糙度以及加工硬化。表面層殘余應(yīng)力可能引起變形，改變零件的形狀和尺寸，從而影響配合精度；粗糙度影響裝配的同時，也會加速零件表面的磨損；加工硬化則從材料內(nèi)部影響工件的耐磨性，并且表面質(zhì)量會對材料的疲勞裂紋的產(chǎn)生以及擴展產(chǎn)生一定的影響，工件表面完整性直接影響工件的可靠性和使用壽命。

在切削過程中，影響表面完整性的因素有很多種，大致可以分為加工工藝參數(shù)（切削速度等）、刀具參數(shù)（材料、角度等）、加工條件（機床選取等）和材料自身性質(zhì)等。Palanikum[11]等用多晶金剛石刀具車削過程中，采用田口方法和響應(yīng)面法來降低表面粗糙度，得出結(jié)論，高速車削、低進給量、切削深度較小的情況下可以獲得光潔的表面質(zhì)量。在大多數(shù)情況下，較高的切削速度和較低的進給量被應(yīng)用，但是，在切削過程中，工件都有一個合適的切削速度和進給量，例如C/PEEK 的最優(yōu)的切削速度是75m/min[16]，因此Schorník[17]為獲得切削過程中進給量的最優(yōu)值，采用CNC 機床做了切削實驗，銑削類型分為順銑和逆銑，其他條件都采用最優(yōu)值，進給量設(shè)為150、200、250、300、350、400（mm/min），通過試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)進給量為200mm/min時，獲得的表面質(zhì)量最好，在最優(yōu)進給量條件下，順銑比逆銑獲得更加光潔的表面。Rajasekaran[18]等利用模糊邏輯算法比較進給速度、切削速度和切削深度對表面的影響，使用CBN 刀具進行切削加工，結(jié)果表明，進給速度對表面粗糙度的影響最大。并且粗糙度可以反應(yīng)CFRP 的疲勞損傷狀態(tài)，Zuluaga-Ramírez[19]提出了一種用非接觸技術(shù)測量表面粗糙度來評估工件疲勞損傷狀態(tài)的方法，避免了接觸測試帶來的人為誤差。通過測量表面粗糙度的變化，可以表明疲勞載荷的損壞程度，這種方法也可以用于其他像玻璃纖維等材料疲勞損傷過程的檢測。

3.2 表面缺陷

表面缺陷主要包括分層、撕裂、崩邊等，相比于表面完整性而言，表面缺陷對工件的損壞程度更大，加工過程會引起纖維突起和纖維脫落，導(dǎo)致材料需要修復(fù)甚至報廢[20]。分層會引起裝配更加困難，分層現(xiàn)象輕微時需要重新加工，嚴(yán)重時，工件直接報廢，浪費了大量的時間和金錢[21]。表面缺陷嚴(yán)重影響了復(fù)合材料加工在航空航天領(lǐng)域的發(fā)展，為了減少和避免表面缺陷的產(chǎn)生，研究人員從缺陷類型和影響工件表面質(zhì)量的因素進行了廣泛的研究。

查閱資料發(fā)現(xiàn)，在文獻[15]中總結(jié)了切削加工過程關(guān)于鉆削、車削、磨削和研磨的相關(guān)基本信息，可為我們的研究提供一些參考依據(jù)，但是最新的研究方法還未錄用在內(nèi)。研究發(fā)現(xiàn)，在銑邊加工過程中，較高的切削速度和較低的進給量通?？梢愿纳票砻尜|(zhì)量[22]。M.H.El-Hofy[23]通過碳纖維復(fù)合材料的銑槽實驗，研究了操作參數(shù)、刀具材料和切削環(huán)境對復(fù)合材料表面粗糙度和表面完整性的影響。關(guān)于銑削的研究重點是成型銑削。W Hintze[24]通過銑槽實驗研究了對不同纖維方向的碳纖維復(fù)合材料分層產(chǎn)生和擴張的原因，結(jié)果表明，纖維取向和刀具的鋒利度對CFRP 的分層有著很大的影響。宋抒航[25]對普通碳纖維復(fù)合材料和添加炭黑顆粒碳纖維復(fù)合材料進行激光切割對比，結(jié)果表明：添加炭黑顆粒的碳纖維復(fù)合材料切口質(zhì)量形貌明顯好于普通碳纖維復(fù)合材料，且添加炭黑顆?？梢允骨锌诒砻媪鸭y數(shù)量明顯減少，分層現(xiàn)象減輕。找到分層缺陷的位置與損傷程度的方法，使得材料在失效前提早發(fā)現(xiàn)非常重要，賈繼紅[26]等提出了具有時域局部放大能力的小波變換技術(shù)對信號進行分析，通過分析、對比最高層細節(jié)系數(shù)，提出了判定分層位置的思路，并判定了3 個復(fù)合板的分層損傷程度，總結(jié)給出了具體判定方法。

4 結(jié)論

本文從碳纖維復(fù)合材料為基礎(chǔ)，從加工方法、切削力、切削溫度和表面質(zhì)量進行了綜述，為后續(xù)深入研究碳纖維復(fù)合材料提供了一定的參考依據(jù)。