隨著各行業(yè)對材料輕量化和卓越性能的追求，碳纖維及其復合材料的應用越來越廣泛，目前還沒有大批量應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、低成本的碳纖維復合材料，減少材料浪費，已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)的共識。

1 碳纖維的加工難點

碳纖維增強復合材料（CFRP）在加工過程中，基體和纖維存在較為復雜的內(nèi)部相互作用，使其物理特性與金屬有較大區(qū)別，CFRP密度遠小于金屬，而強度大于絕大部分金屬。因為 CFRP 的不均勻性，在加工過程中往往會出現(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設備的要求較高，因為生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量切削熱對設備磨損較為嚴重。

同時，其應用領域的不斷擴展，要求也越來越細膩，對材料適用性做出要求，對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產(chǎn)生重大影響，切屑形成和纖維取向密切相關。CFRP 工件和刀具接觸面的斷裂是由刀尖所施加的壓力導致的。在多種纖維取向方面，共有3 種切削機理：

（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）刀具剪切時方向垂直于纖維軸，纖維取向為75°。

（3）纖維取向為 90°甚至負角度，纖維方向角度 30°、60°、90°是最關鍵的方向，它們會導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，加劇了切削設備的磨損，使其使用壽命大打折扣，同時使工件的表面熱量更加劇，影響復合材料表面成型，降低了復合材料使用中的性能。

復合材料切削熱的研究主要集中在切削溫度的測量方法上，國內(nèi)外很多學者采用紅外測溫儀、熱像儀或者埋入熱電偶等方式對碳纖維復合材料的切削溫度進行測量研究。

刀具磨損機理

CFRP 屬于難加工材料，主要原因是其對刀具的磨損非常迅速。加工進程中對刀具的磨損機理為：工件在刀具上被加工時，二者表面接觸大，在加工過程中，長期的磨損，震動，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、進給速度、纖維取向等）會顯著地影響刀具磨損。一般而言，切削速度增加會加劇側(cè)面磨損。刀具幾何形狀和材料對加工表面、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(xiàn)。適合車削可以應用的刀具主要材料為：硬質(zhì)合金或陶瓷以及聚晶金剛石。加工工藝中進刀速率，所切深度，和切削的速度都會影響工件成品表面質(zhì)量和道具損壞程度，這也是進行技術(shù)優(yōu)化的目標方向。

車削加工

銑削加工

銑削通常是對成品工件再加工的一種加工方式，要求的加工精度較高，對復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 之間要進行復雜的相互作用，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，科學預測切削力和軸分層和未切斷的纖維紗線毛邊的現(xiàn)象時有發(fā)生的大小，控制加工工藝參數(shù)設置，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、軸向和切向進給速度、切削速度等，都會對工件表面粗糙度產(chǎn)生顯著影響。銑削加工的技術(shù)要求：反復實驗纖維取向，軸向和切向進給速度，形成最佳參數(shù)，進行銑削加工。

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，刀具的嚴重損耗以及孔內(nèi)壁的質(zhì)量問題。經(jīng)實驗分析，設置的切削參數(shù)、鉆頭的幾何形態(tài)以及切削的質(zhì)量對上訴產(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重。

通過實驗可以推理，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)對復合型特殊鉆頭分層影響較低。對于特殊幾何特征的鉆頭，較大的進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隨著直徑比的減小而增大，隨著進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)領域，對 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格，需對已經(jīng)粗加工的工件進行細磨加工。

磨削加工 CFRP 要比金屬困難和復雜得多，國內(nèi)外學者也進行了相關研究，設計了一種杯形砂輪，在其內(nèi)部提供冷卻液對CFRP 進行磨削加工，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的冷卻效果，能顯著降低磨削溫度，同時有利于切屑的排出。

磨削加工

超聲振動加工技術(shù)

超聲振動加工機理是建立在傳統(tǒng)加工過程中刀具和工件相對運動的基礎上的，然后在對兩者施加一定的超聲振動，從而生產(chǎn)出性能更優(yōu)越的復合型材料。該技術(shù)屬于對傳統(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，成品工件表面質(zhì)量更加細膩，同時也降低裂紋產(chǎn)生的現(xiàn)象，節(jié)省了加工成本。有效減低了CFRP增強復合材料的加工難度，超聲波的應用，徹底改善了材料去除機理，降低工具和工件相互的摩擦力，減少了工具加工時間，增強了刀具作用力，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。主要有超聲振動鉆孔加工、超聲振動磨削加工、超聲振動銑削加工，超聲振動切削加工。

超聲輔助切削

（1）超聲振動鉆孔加工

超聲振動鉆孔加工是一種非傳統(tǒng)的加工方法，在高效鉆削加工復合材料方面具有很大發(fā)展?jié)撃埽渲饕獌?yōu)點包括：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。

有學者研究以金剛石磨粒旋轉(zhuǎn)超聲振動鉆孔加工 CFRP，旋轉(zhuǎn)超聲鉆孔加工如圖 3 所示。對 CFRP的機理分析表明：CFRP 的材料去除機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測加工參數(shù)和加工環(huán)境對切削力影響的關系，并通過試驗驗證了該力學模型的準確性。

（2）超聲振動磨削加工

超聲振動磨削加工結(jié)合了金剛石磨削加工材料去除機理和具有超聲加工特點的復合式磨削加工技術(shù)。其優(yōu)點主要有：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，實現(xiàn)脆性材料的延性域加工。