超硬材料在碳纤维复合材料加工中的应用与发展机遇

航空、航天、交通等领域高端装备是国家制造水平和综合实力的集中体现，碳纤维复合材料（CFRP）可以为高端装备减重增效，具有非同寻常的战略意义。然而这种材料是典型的难加工材料，在加工过程中极易产生毛刺、撕裂、分层等加工损伤，难以满足碳纤维复合材料构件的高性能要求，制约了这种高性能材料的推广应用，限制了装备性能的提升。

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碳纤维复合材料的加工难点

碳纤维具有更高的强度，更轻的重量，被称为新材料之王，兼具碳材料强抗拉力和纤维柔软可加工性两大特征，是一种的力学性能优异的新材料。和我们常见的钢材对比，碳纤维的强度在 400 到 800 兆帕左右，而普通钢材的强度为 200 到 500 兆帕。再看韧性，碳纤维和钢材基本类似，没有明显的区别。

碳纤维增强复合材料（CFRP）具有各向异性，在加工过程中，基体和纤维存在较为复杂的内部相互作用，使其物理特性与金属有较大区别，CFRP密度远小于金属，而强度大于绝大部分金属。因为 CFRP 的不均匀性，在加工过程中往往会出现纤维拉出或基质纤维的脱离、毛刺、纤维撕裂、分层、崩等加工缺陷，严重影响了工件的强度和疲劳寿命 ；另外，CFRP 具有较高的耐热性和耐磨性，使其在加工过程中对设备的要求较高，切削力在工件分层处引起基体的裂，高速切削和材料本身的低导热性能产生的温会引起树脂的溶解等。切削力和切削温度也会直接影响刀具的使用寿命，并且影响工的表面完整性。因此，碳纤维复合材料的高性能加工至关重要！

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CFRP切削机理研究

CFRP属典型难加工材料，切削加工过程除了受刀具参数和加工参数的影响，而且更受增强纤维和树脂基体性能的影响，与金属材料切削机理截然不同。CFRP的切削机理主要研究切削参数和刀具参数对切削力､切削热､刀具磨损和已加工表面质量的影响规律

CFRP属典型难加工材料，切削加工过程除了受刀具参数和加工参数的影响，而且更受增强纤维和树脂基体性能的影响，与金属材料切削机理截然不同。CFRP的切削机理主要研究切削参数和刀具参数对切削力､切削热､刀具磨损和已加工表面质量的影响规律。

1、纤维取向 

纤维的脆性断裂是CFRP切屑形成的主要形式，切屑呈小段粉末状。CFRP切屑形成是纤维断裂和基体材料破坏相互交织的过程，切断形式与切削方向和纤维方向的夹角θ(纤维方向角)有关。

CFRP 工件和刀具接触面的断裂是由刀尖所施加的压力导致的。在多种纤维取向方面，共有3 种切削机理：

（1）θ 为 0°时， 被切削部分在刀具作用下发生层间分离， 被切削部分被掀起并发生断裂形成切屑; 

（2）0° ＜ θ≤90°时， 纤维受剪切应力发生剪切断裂， 同时沿纤维方向发生层间剪切断裂， 形成切屑;

（3）90° ＜ θ ＜ 180°时， 纤维受刀具弯曲作用， 在纤维底部发生弯曲折断

2、切削力 

在CFRP切削过程中，纤维材料强度硬度高，切削力大，直接影响到切削热､刀具磨破损和加工表面质量，因此，研究切削力是研究CFRP切削机理的重点。

采用传统的硬质合金麻花钻加工碳纤维复合材料时，由于碳纤维与树脂两种材料性能的巨大差异，且材料为层铺结构，在切削轴向力的作用下，可能导致孔入口、出口处形成各种各样的缺陷。当作用在材料层间的轴向力大于层间强度时，材料发生分层现象，材料表面形成撕裂缺陷，未被切断的纤维形成毛刺缺陷。

3、切削热 

切削加工 CFRP 的切削热一方面来自纤维断裂和切削基体所消耗的功；另一方来自切屑对前刀面的摩擦和后刀面与回弹纤维的摩擦所消耗的功 ｡ 切削热的存在会加速刀具磨损, 缩短刀具寿命。

此外，切削力及切削热是导致复合材料加工缺陷产生的主要原因。CFRP 的切削过程是碳纤维断裂和基体材料去除的复杂过程，工件和切削刀具之间摩擦升温，甚至引起刀具高温软化或分解。CFRP 导热性较差，所以在切削过程禁止使用冷却液，致使产生的切削热不能快速散出，从而将热量传到切削刀具上，加剧了切削设备的磨损，使其使用寿命大打折扣，同时使工件的表面热量更加剧，影响复合材料表面成型，降低了复合材料使用中的性能。复合材料切削热的研究主要集中在切削温度的测量方法上，国内外很多学者采用红外测温仪、热像仪或者埋入热电偶等方式对碳纤维复合材料的切削温度进行测量研究。

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刀具磨损机理

刀具磨损机理CFRP 属于难加工材料，主要原因是其对刀具的磨损非常迅速。加工进程中对刀具的磨损机理为：工件在刀具上被加工时，二者表面接触大，在加工过程中，长期的磨损，震动，使刀具上的硬质颗粒偶有脱离，从而形成了所谓的刀具磨损。

磨损类型大致可分为刀具破坏和磨损，按照磨损的位置不同，磨损又可分为刀尖磨损、刀具侧面磨损、刀具边缘破坏和边缘磨损。

影响刀具磨损的因素有很多，主要包含：加工工艺参数、刀具几何形状和材料等。在 CFRP 切削过程中，工艺参数（如切削速度、进给速度、纤维取向等）会显著地影响刀具磨损。一般而言，切削速度增加会加剧侧面磨损。刀具几何形状和材料对加工表面、切屑形成、切削力和刀具磨损有着显著的影响。

碳纤维复合材料具有较高的硬度、因此加工时应该选用合适的超硬刀具、刀具材料主要有CVD金刚石、PCBN、陶瓷、高性能金属陶瓷、涂层硬质合金、超细晶粒硬质合金等。

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碳纤维复合材料加工方法

1、车削加工

车削是在 CFRP 加工中应用最多的方法也是最基础的方法，通常适用于圆柱表面预定公差的实现。适合车削可以应用的刀具主要材料为：硬质合金或陶瓷以及聚晶金刚石。加工工艺中进刀速率，所切深度，和切削的速度都会影响工件成品表面质量和道具损坏程度，这也是进行技术优化的目标方向。

2、铣削加工

铣削通常是对成品工件再加工的一种加工方式，要求的加工精度较高，对复杂工件粗加工后的修缮性的铣削过程。在加工过程中，同样端铣刀和CFRP 之间要进行复杂的相互作用，造成 CFRP 工件存在没切断的纤维纱线以及分层现象。为减少和避免类似缺陷产生，只要在加工前期，科学预测切削力和轴分层和未切断的纤维纱线毛边的现象时有发生的大小，控制加工工艺参数设置，将有效减少了毛刺毛边的产生。
主要的工艺参数，如纤维取向、轴向和切向进给速度、切削速度等，都会对工件表面粗糙度产生显著影响。铣削加工的技术要求：反复实验纤维取向，轴向和切向进给速度，形成最佳参数，进行铣削加工。

3、钻孔加工 

工件要求螺栓或铆接装配时需钻孔操作，在CFRP 钻孔过程中仍然存在一定问题：材料的离层现象，刀具的严重损耗以及孔内壁的质量问题。经实验分析，设置的切削参数、钻头的几何形态以及切削的质量对上诉产生的问题均产生明显影响。通常把损伤区最大直径和孔径比率称为损伤因子，也是表示分层现象的程度，分层因子越大，表示分层问题越为严重。

通过实验可以推理，切削过程中推力和分层现象产生也有相互关系，推削力的大小也可表示分层程度。基于相同的钻孔材料，不同于其他加工方式，钻孔加工中切削速率不会给切削力产生很大影响。

在同一切削参数下，与麻花钻头相比，参数对复合型特殊钻头分层影响较低。对于特殊几何特征的钻头，较大的进给速度和钻头直径可以减少分层，并且不同直径比钻孔切削力会随着直径比的减小而增大，随着进给速度的增大而增大。

4、磨削加工 

通常在船舶制造，航天工业领域，对 CFRP 的工件质量要求更为苛刻。工件精度和质量都要求在较高加工方式下进行，而磨削加工的施工工艺恰恰符合其制造要求。磨削加工件精度要求十分严格，需对已经粗加工的工件进行细磨加工。

磨削加工 CFRP 要比金属困难和复杂得多，国内外学者也进行了相关研究，设计了一种杯形砂轮，在其内部提供冷却液对CFRP 进行磨削加工，比较了干式磨削、外部冷却液磨削和内部冷却液磨削3种加工方式，结果显示 ：内部冷却液磨削方式加工过程中，附着于砂轮上的基体树脂明显减少，砂轮中的磨粒能更有效地磨削纤维且在材料表面不会产生层离或毛刺现象。这种砂轮内部提供冷却液的方法展示出了更强的冷却效果，能显著降低磨削温度，同时有利于切屑的排出。

5、超声振动加工技术

超声振动加工技术超声振动加工机理是建立在传统加工过程中刀具和工件相对运动的基础上的，然后在对两者施加一定的超声振动，从而生产出性能更优越的复合型材料。该技术属于对传统技术的优化和辅助，较传统加工方式，技术更加先进，成品工件表面质量更加细腻，同时也降低裂纹产生的现象，节省了加工成本。有效减低了CFRP增强复合材料的加工难度，超声波的应用，彻底改善了材料去除机理，降低工具和工件相互的摩擦力，减少了工具加工时间，增强了刀具作用力，提高了加工效率，减少了刀具磨损，使工件加工的精度和质量更先进。主要有超声振动钻孔加工、超声振动磨削加工、超声振动铣削加工，超声振动切削加工。

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刀具的选择

1、刀具材料的研究

由于CFRP的切削加工朝着高精度､高速､干切削的方向发展，因此对刀具材料提出高硬度､耐热､耐磨､抗粘结的要求｡传统的各种刀具材料都难以满足该要求，寻找更适合的刀具材料以满足CFRP长时间的稳定高速切削成为趋势｡

巴西的J.RFerreira等人研究刀具材料对CFRP切削的影响，采用车削方式，试验包括陶瓷､硬质合金､立方氮化硼(CBN)和聚晶金刚石等不同刀具材料，结果表明聚晶金刚石刀具具有非常高的耐磨性，特别适合CFRP等的高速切削加工｡龚清洪等人的试验表明：CVD(化学气相沉积)金刚石涂层刀具对CFRP的切削性能优于聚晶立方氮化硼刀具和硬质合金刀具｡肯纳金属公司研究发现金刚石涂层刀具比未涂层刀具的寿命提高10倍，且12μm涂层刀具有最佳的寿命价格比｡

金刚石具有很高的硬度和弹性模量､良好的导热性､很小的热膨胀系数､低摩擦系数以及较低的断裂韧性，除断裂韧性不足外，金刚石是良好的超硬刀具材料｡聚晶金刚石(PCD)刀具有钎焊PCD刀片､在切削刃处烧结PCD和金刚石涂层等｡随着CVD､PVD(物理气相沉积)技术在硬质涂层的应用发展，金刚石涂层可以大大改善刀具的切削性能｡与PCD比，CVD膜金刚石有更高的耐磨强度､更好的热传导性､更长的使用寿命､更低的造价，但CVD涂层较厚，降低了切削刃的锋利性，甚至会使切削刃的几何形状发生偏离｡而PCD刀具在断裂强度方面占有优势，近年发展的PVD涂层技术相比CVD涂层技术，具有沉积温度低､不影响基体材料强度､涂层光滑､抗裂纹扩展能力强､环保等优点｡

2、刀具结构及几何参数的研究 

CFRP加工中需解决的主要问题是切削热和分层的问题｡合理地选择刀具的结构和几何参数，可以减小切削力，利于断屑､排屑，减少磨损，减少切削热的产生，降低零件表面粗糙度｡CFRP在钻孔时的粉末状切屑主要集中在钻头的磨料层｡钻孔时，这些切屑对材料进行研磨，产生的大量热无法及时散发，加速了钻头的磨损，降低了钻头寿命｡大连轻工业学院的张伟等人对带锥体的电镀金刚石钻头与硬质合金导向钻头合成的复合钻进行研究发现：金刚石耐磨的特性能提高钻头的寿命;而采用分屑槽结构则可以像麻花钻的螺旋槽一样容屑､排屑，使热量及时散发，延长了刀具的使用寿命｡

另外有的钻头采用中心直刃钻尖设计，可以防止孔口出现撕裂;有的钻头采用八面体钻尖结构，其钻尖副切削角具有自定位功能，且有更多的刀刃同时参与切削，延长了刀具寿命;还有一种双刃带结构的定心阶梯钻头，可以提高钻削精度｡

目前铣削时常用螺旋刃立铣刀或直刃刀具，它们的切削刃都比较长，也不锋利，增大了切削时的阻力，刀具更容易磨损｡为此，研究人员将切削刃变短､变多，不仅使切削刃锋利，而且大大降低了切削阻力，这种新型的“鱼鳞式”铣刀在高速切削时，可以达到以铣代磨的效果｡此外，为解决复合材料层间剪切强度低，铣削时产生层间分层的问题，人们将铣刀的侧刃采用左右对称双螺旋刃结构，很好地避免了分层或抽丝的现象｡尖锐的刀具切削角是减少切削热的关键之一，建议刀具采用大正前角，以减小切削力，最大限度地减少发热｡适当增大刀具后角，防止刀具切削刃与工件摩擦发热，增大刀尖圆弧，以改善散热｡为防止产生层间剥离，铣刀和钻头宜采用双向螺旋式结构。

总之，开发新型切削工具与加工工艺以及探索复合材料加工损伤机理至关重要！

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行业活动

基于此，第六届国际碳材料大会暨产业展览会（Carbontech 2021）举办超精密加工技术研讨会，特邀碳纤维行业、超硬材料领域专家、知名企业、相关应用单位共同探讨超硬刀具在碳纤维复合材料的应用与技术解决方案。

2021年11月18-20日  上海跨国采购会展中心

1、 航空航天高端装备中的碳纤维复合材料构件加工面临的难题和挑战

2、 碳纤维复合材料高质高效加工技术与装备

3、 纤维增强复合材料、碳碳复合材料的性能与加工质量要求

4、 高性能碳纤维复合材料构件低损伤加工成套工艺和解决方案

5、 碳纤维复合材料切削机理、加工损伤机理、加工去除机理、加工损伤产生机制

6、 高性能切削策略：切削条件与刀具结构、材料的合理选择

7、 新型高效切削技术与工具设计与研发：如何降低刀具磨损和提高加工质量

8、 切削、钻削工艺参数优化：切削性能、晶粒尺寸、元素含量、失效分析、磨损机理分析

9、 激光加工在碳纤维复合材料中的应用

10、 超声振动辅助加工

11、 高性能的刀具材料、功能化的新型涂层、创新的刀具结构 、切削加工配套技术

12、 飞秒激光抛光金刚石涂层

13、 超硬刀具与绿色切削

14、 高速切削工具的涂层材料研究

15、 镀膜系统：CVD(化学气相沉积法 )和 PVD(物理气相沉积法 )、离子束溅射法

16、 刀具的寿命与表面改性

17、 切削力及切削热的研究

……