北京航空航天大学机械工程及自动化学院袁松梅教授

在航空、航天、能源等领域，科技的发展对材料轻量化及特殊性能（如隐身性）的要求不断提高，钛合金等传统金属材料的性能已经难以满足实际要求，复合材料以其轻质、高强等优良的理化特性得到了快速的发展，在航空航天产品上所占的比重越来越高。然而复合材料可加工性差，属于典型难加工材料，加工中存在加工效率低、加工质量差、刀具磨损过快等问题。因此，如何能高效、高质、经济地实现复合材料切削加工，提供针对该类材料的整体解决方案，成为当下研究的热点与难点。

复合材料及其应用研究

复合材料由至少两种不同性质的材料复合而成，包括基体和增强体。复合材料的特性由其基体和增强体共同决定。按照基体材料不同，复合材料分为聚合物基复合材料（Polymer Matrix Composites, PMC）、金属基复合材料（Metal Matrix Composites, MMC）和陶瓷基复合材料（Ceramic Matrix Composites, CMC）三大类；按照增强体的不同形态来分，有纤维增强型、颗粒增强型等。

复合材料构成的特点使它兼有基体和增强材料的优异性能，具有质量轻、强度大、耐磨性高等优点，其中PMC材料（如Carbon Fiber Reinforced Plastics,CFRP）以其轻质、高强、耐高温的特点广泛用于火箭整流罩、卫星骨架等结构，MMC材料（如SiC/Al2O3）以其良好的结构性能广泛用于发动机缸体、飞机腹鳍等部位，CMC材料（如C/C-SiC）以其高耐磨性及热稳定性广泛用于刹车片、燃气舵等部件。

复合材料的广泛应用对其加工提出了更高的要求，然而复合材料在加工中存在着诸多问题。复合材料基体和增强体的不同特性决定了其具有非均一性的特点，此外增强材料的不同形态使得复合材料的力学性能具有方向性，其中纤维增强型复合材料各向异性明显，在加工中容易出现分层、毛刺、崩边等缺陷，而颗粒增强型复合材料近乎各向同性，某些硬度高、脆性大的颗粒增强复合材料在加工中容易出现崩边缺陷。

复合材料的增强材料大多具有很高的耐磨性，这导致加工过程中刀具磨损剧烈，刀具寿命短，加工成本高。目前国内外学者针对不同类型复合材料加工进行了大量的研究，包括复合材料加工机理，不同刀具材料、刀具结构和工艺参数对加工质量的影响、新加工技术和方法的加工可行性探索。

传统切削加工

传统加工方式通常从刀具材料、刀具结构、加工工艺等方面解决复合材料加工中出现的问题，对于树脂基和金属基复合材料，通过合理地选择刀具材料和结构可以解决大部分加工中的问题。

在刀具材料方面，高速钢（High-Speed-Steel, HSS）、硬质合金、涂层、PCD等材料被广泛用于复合材料加工，大量试验成果也为复材加工提供了依据。在PMC加工中，硬质合金刀具在200m/min到400m/min的切削速度下铣削CFRP材料效果良好，TiN、DLC（Diamond-Like-Carbon）等涂层可以有效提高刀具的寿命。在MMC加工中，使用不同材料的钻头加工体积分数为15%的SiC增强的铝基材料，结果表明TiN涂层、HSS、WC刀具均发生剧烈磨损，PCD刀具磨损最小，且在不同的工况下均表现出良好的加工性能。

在刀具结构方面，人字形铣刀的特殊结构改善了侧铣CFRP板时上下表面的受力情况，减少了加工的分层缺陷；蜂窝铣刀的复合刃设计减少了CFRP铣削时毛刺和崩边等缺陷，提高了表面质量；三尖钻头在钻削纤维增强复合材料时，可使纤维形成整齐的断口，同时减小钻孔轴向力，改善孔的质量。

对于纤维增强型复合材料，除改善刀具材料和刀具结构外，纤维方向角θ（纤维排列方向与刀具进给方向之间的夹角）对加工质量有很大的影响。随着θ的变化，增强纤维的断裂机理也在变化，在θ接近90°时，纤维的断裂主要受到弯曲应力的影响，而在θ接近0°或180°时则主要受拉伸应力的影响，因此加工中控制纤维方向角是保证加工质量的重要方面。实验表明，在加工CFRP时，θ为30°时切削力最小，而θ为45°时加工的表面质量最优，此时，分层、毛刺等缺陷明显减少。

超声振动辅助加工

对于陶瓷基复合材料和一些高体积分数的高硬度颗粒增强型金属基复合材料，由于其具有超高的硬度和耐磨性，改变刀具的材料和结构已经无法解决材料的加工问题，这就需要寻找新的加工技术和方法。

作为特种加工方式之一，超声振动辅助加工在加工硬脆型复合材料方面取得了很好的效果。超声振动辅助加工将传统切削与超声振动结合起来，在刀具或工件上施加一个微振幅的高频振动。在加工过程中，振动的存在使刀具和工件产生间歇性的分离，这样破坏了纤维与基体之间的界面力，降低了材料的加工难度。对于基体为塑性的复合材料，微振幅、高频率的振动增加了刀具的切削路径，进而提高了材料的去除率；对于基体为脆性的复合材料，超声振动改变了材料的去除机理，材料去除方式由切削刃或磨粒滑擦去除变为脆性崩碎去除，大大降低了切削力。研究显示，在钻削某CMC材料时，相对于传统钻削加工，超声振动钻削能够降低切削力达50%，提高材料去除率达10%。

国内外学者采用超声振动加工方法对陶瓷基复合材料的加工做了大量的试验研究。Kai Ding等人使用烧结金刚石套料钻对C/SiC陶瓷基复合材料进行钻削试验，结果表明，相对于传统加工，超声振动钻削加工的钻削轴向力减小了7.4%~23%，钻削扭矩减小了8.5%~47.6%，切削力的减小也使得钻孔的出口撕裂现象得到了改善。H.Hocheng等人使用钎焊金刚石套料钻对不同工艺下制作而成的C/SiC复合材料进行超声振动钻孔加工，结果表明，超声振动加工均提高了材料去除率，具有良好的适应性，可以有效地钻削C/SiC复合材料。

北京航空航天大学复合材料高效加工课题组采用传统和超声振动加工的方法针对C/C、C/SiC等难加工复合材料做了大量的铣削试验研究。在传统加工方面，主要探究了不同材质（硬质合金刀具、CVD金刚石涂层刀具、PCD刀具）和不同结构（蜂窝结构、人字形结构、小螺旋角等）的刀具加工陶瓷基复合材料的性能。传统方法铣削C/SiC的实验结果表明，PCD刀具的寿命要远远高于CVD金刚石涂层以及硬质合金刀具的寿命，虽然PCD刀具价格昂贵，但是从加工总量方面来说，PCD刀具具有较高的经济价值。

针对复合材料钻孔等需求，在纵扭复合超声振动加工方面开展了一系列研究，研制了相应的机床附件化的超声振动加工装置，该装置具有扭转分量大、加工效果好等优点，相比于普通一维纵向振动，纵扭复合超声振动在复合材料钻孔中可保证孔的良好完整性；同时，在铣削加工中可提供沿进给方向的锤击作用，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。

课题组研究C/SiC复合材料在超声振动加工系统下的材料去除机理，建立了材料去除模型及切削力模型，并设计一组针对该类复合材料的锥形铣磨刀具，通过实验验证了模型的正确性，为实际加工提供了有效的理论指导。与传统切削加工方式对比，超声振动加工可有效降低刀具成本，提升加工质量，实现材料的高效低损伤加工。

复合材料的加工与金属加工有很大的不同，其非均一性、各向异性的特性导致加工中容易出现分层、纤维拔出等缺陷。目前，对于复合材料加工，尤其是陶瓷基复合材料的加工，还没有很好的解决方案。解决复材加工问题，实现复合材料的高效低损伤加工，要从刀具选材、刀具结构改良、工具创新、机理研究、工艺优化等方面入手，不断尝试新的加工方法和技术，以寻找更适合的加工手段。超声振动加工在复合材料加工方面表现出良好的加工性能，能显著降低切削力，减少加工缺陷，提高表面质量，但还存在着许多亟待解决的机理及技术方面问题。随着复合材料的应用越来越广泛，应用研究越来越多，更多新工具和新方法将应用在复合材料加工上。（如需文中参考资料，请联系MM《现代制造》编辑部）

作者：袁松梅，樊会涛，张翀

基金项目：国家“863”课题（2013AA040105）和基础科研项目资助。

作者单位：北京航空航天大学机械工程及自动化学院；北京市高效绿色数控加工工艺及装备工程技术研究中心。