技術(shù)

      在航空、航天、能源等領(lǐng)域，科技的發(fā)展對材料輕量化及特殊性能（如隱身性）的要求不斷提高，鈦合金等傳統(tǒng)金屬材料的性能已經(jīng)難以滿足實際要求，復合材料以其輕質(zhì)、高強等優(yōu)良的理化特性得到了快速的發(fā)展，在航空航天產(chǎn)品上所占的比重越來越高。然而復合材料可加工性差，屬于典型難加工材料，加工中存在加工效率低、加工質(zhì)量差、刀具磨損過快等問題。因此，如何能高效、高質(zhì)、經(jīng)濟地實現(xiàn)復合材料切削加工，提供針對該類材料的整體解決方案，成為當下研究的熱點與難點。

復合材料及其應(yīng)用研究

      復合材料由至少兩種不同性質(zhì)的材料復合而成，包括基體和增強體。復合材料的特性由其基體和增強體共同決定。按照基體材料不同，復合材料分為聚合物基復合材料（Polymer Matrix Composites, PMC）、金屬基復合材料（Metal Matrix Composites, MMC）和陶瓷基復合材料（Ceramic Matrix Composites, CMC）三大類；按照增強體的不同形態(tài)來分，有纖維增強型、顆粒增強型等。

      復合材料構(gòu)成的特點使它兼有基體和增強材料的優(yōu)異性能，具有質(zhì)量輕、強度大、耐磨性高等優(yōu)點，其中PMC材料（如Carbon Fiber Reinforced Plastics,CFRP）以其輕質(zhì)、高強、耐高溫的特點廣泛用于火箭整流罩、衛(wèi)星骨架等結(jié)構(gòu)，MMC材料（如SiC/Al2O3）以其良好的結(jié)構(gòu)性能廣泛用于發(fā)動機缸體、飛機腹鰭等部位，CMC材料（如C/C-SiC）以其高耐磨性及熱穩(wěn)定性廣泛用于剎車片、燃氣舵等部件。

      復合材料的廣泛應(yīng)用對其加工提出了更高的要求，然而復合材料在加工中存在著諸多問題。復合材料基體和增強體的不同特性決定了其具有非均一性的特點，此外增強材料的不同形態(tài)使得復合材料的力學性能具有方向性，其中纖維增強型復合材料各向異性明顯，在加工中容易出現(xiàn)分層、毛刺、崩邊等缺陷，而顆粒增強型復合材料近乎各向同性，某些硬度高、脆性大的顆粒增強復合材料在加工中容易出現(xiàn)崩邊缺陷。

      復合材料的增強材料大多具有很高的耐磨性，這導致加工過程中刀具磨損劇烈，刀具壽命短，加工成本高。目前國內(nèi)外學者針對不同類型復合材料加工進行了大量的研究，包括復合材料加工機理，不同刀具材料、刀具結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)對加工質(zhì)量的影響、新加工技術(shù)和方法的加工可行性探索。

傳統(tǒng)切削加工

      傳統(tǒng)加工方式通常從刀具材料、刀具結(jié)構(gòu)、加工工藝等方面解決復合材料加工中出現(xiàn)的問題，對于樹脂基和金屬基復合材料，通過合理地選擇刀具材料和結(jié)構(gòu)可以解決大部分加工中的問題。

      在刀具材料方面，高速鋼（High-Speed-Steel, HSS）、硬質(zhì)合金、涂層、PCD等材料被廣泛用于復合材料加工，大量試驗成果也為復材加工提供了依據(jù)。在PMC加工中，硬質(zhì)合金刀具在200m/min到400m/min的切削速度下銑削CFRP材料效果良好，TiN、DLC（Diamond-Like-Carbon）等涂層可以有效提高刀具的壽命。在MMC加工中，使用不同材料的鉆頭加工體積分數(shù)為15%的SiC增強的鋁基材料，結(jié)果表明TiN涂層、HSS、WC刀具均發(fā)生劇烈磨損，PCD刀具磨損最小，且在不同的工況下均表現(xiàn)出良好的加工性能。

      在刀具結(jié)構(gòu)方面，人字形銑刀的特殊結(jié)構(gòu)改善了側(cè)銑CFRP板時上下表面的受力情況，減少了加工的分層缺陷；蜂窩銑刀的復合刃設(shè)計減少了CFRP銑削時毛刺和崩邊等缺陷，提高了表面質(zhì)量；三尖鉆頭在鉆削纖維增強復合材料時，可使纖維形成整齊的斷口，同時減小鉆孔軸向力，改善孔的質(zhì)量。

      對于纖維增強型復合材料，除改善刀具材料和刀具結(jié)構(gòu)外，纖維方向角θ（纖維排列方向與刀具進給方向之間的夾角）對加工質(zhì)量有很大的影響。隨著θ的變化，增強纖維的斷裂機理也在變化，在θ接近90°時，纖維的斷裂主要受到彎曲應(yīng)力的影響，而在θ接近0°或180°時則主要受拉伸應(yīng)力的影響，因此加工中控制纖維方向角是保證加工質(zhì)量的重要方面。實驗表明，在加工CFRP時，θ為30°時切削力最小，而θ為45°時加工的表面質(zhì)量最優(yōu)，此時，分層、毛刺等缺陷明顯減少。

超聲振動輔助加工

       對于陶瓷基復合材料和一些高體積分數(shù)的高硬度顆粒增強型金屬基復合材料，由于其具有超高的硬度和耐磨性，改變刀具的材料和結(jié)構(gòu)已經(jīng)無法解決材料的加工問題，這就需要尋找新的加工技術(shù)和方法。

       作為特種加工方式之一，超聲振動輔助加工在加工硬脆型復合材料方面取得了很好的效果。超聲振動輔助加工將傳統(tǒng)切削與超聲振動結(jié)合起來，在刀具或工件上施加一個微振幅的高頻振動。在加工過程中，振動的存在使刀具和工件產(chǎn)生間歇性的分離，這樣破壞了纖維與基體之間的界面力，降低了材料的加工難度。對于基體為塑性的復合材料，微振幅、高頻率的振動增加了刀具的切削路徑，進而提高了材料的去除率；對于基體為脆性的復合材料，超聲振動改變了材料的去除機理，材料去除方式由切削刃或磨?；寥コ?yōu)榇嘈员浪槿コ?，大大降低了切削力。研究顯示，在鉆削某CMC材料時，相對于傳統(tǒng)鉆削加工，超聲振動鉆削能夠降低切削力達50%，提高材料去除率達10%。

       國內(nèi)外學者采用超聲振動加工方法對陶瓷基復合材料的加工做了大量的試驗研究。Kai Ding等人使用燒結(jié)金剛石套料鉆對C/SiC陶瓷基復合材料進行鉆削試驗，結(jié)果表明，相對于傳統(tǒng)加工，超聲振動鉆削加工的鉆削軸向力減小了7.4%~23%，鉆削扭矩減小了8.5%~47.6%，切削力的減小也使得鉆孔的出口撕裂現(xiàn)象得到了改善。      H.Hocheng等人使用釬焊金剛石套料鉆對不同工藝下制作而成的C/SiC復合材料進行超聲振動鉆孔加工，結(jié)果表明，超聲振動加工均提高了材料去除率，具有良好的適應(yīng)性，可以有效地鉆削C/SiC復合材料。

       北京航空航天大學復合材料高效加工課題組采用傳統(tǒng)和超聲振動加工的方法針對C/C、C/SiC等難加工復合材料做了大量的銑削試驗研究。在傳統(tǒng)加工方面，主要探究了不同材質(zhì)（硬質(zhì)合金刀具、CVD金剛石涂層刀具、PCD刀具）和不同結(jié)構(gòu)（蜂窩結(jié)構(gòu)、人字形結(jié)構(gòu)、小螺旋角等）的刀具加工陶瓷基復合材料的性能。傳統(tǒng)方法銑削C/SiC的實驗結(jié)果表明，PCD刀具的壽命要遠遠高于CVD金剛石涂層以及硬質(zhì)合金刀具的壽命，雖然PCD刀具價格昂貴，但是從加工總量方面來說，PCD刀具具有較高的經(jīng)濟價值。

       針對復合材料鉆孔等需求，在縱扭復合超聲振動加工方面開展了一系列研究，研制了相應(yīng)的機床附件化的超聲振動加工裝置，該裝置具有扭轉(zhuǎn)分量大、加工效果好等優(yōu)點，相比于普通一維縱向振動，縱扭復合超聲振動在復合材料鉆孔中可保證孔的良好完整性；同時，在銑削加工中可提供沿進給方向的錘擊作用，使得材料更容易去除，有效降低了切削力并提高了材料去除率。

      課題組研究C/SiC復合材料在超聲振動加工系統(tǒng)下的材料去除機理，建立了材料去除模型及切削力模型，并設(shè)計一組針對該類復合材料的錐形銑磨刀具，通過實驗驗證了模型的正確性，為實際加工提供了有效的理論指導。與傳統(tǒng)切削加工方式對比，超聲振動加工可有效降低刀具成本，提升加工質(zhì)量，實現(xiàn)材料的高效低損傷加工。

      復合材料的加工與金屬加工有很大的不同，其非均一性、各向異性的特性導致加工中容易出現(xiàn)分層、纖維拔出等缺陷。目前，對于復合材料加工，尤其是陶瓷基復合材料的加工，還沒有很好的解決方案。解決復材加工問題，實現(xiàn)復合材料的高效低損傷加工，要從刀具選材、刀具結(jié)構(gòu)改良、工具創(chuàng)新、機理研究、工藝優(yōu)化等方面入手，不斷嘗試新的加工方法和技術(shù)，以尋找更適合的加工手段。超聲振動加工在復合材料加工方面表現(xiàn)出良好的加工性能，能顯著降低切削力，減少加工缺陷，提高表面質(zhì)量，但還存在著許多亟待解決的機理及技術(shù)方面問題。隨著復合材料的應(yīng)用越來越廣泛，應(yīng)用研究越來越多，更多新工具和新方法將應(yīng)用在復合材料加工上。