航空航天裝備是國(guó)家制造水平和綜合實(shí)力的集中體現(xiàn)，也是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)家安全的重要保障。隨著世界經(jīng)濟(jì)和軍事競(jìng)爭(zhēng)的加劇，航空航天裝備的性能需求日益提高，減輕結(jié)構(gòu)重量、提升結(jié)構(gòu)效率是實(shí)現(xiàn)裝備性能不斷突破的關(guān)鍵。選用輕重量、高強(qiáng)度、高性能的航空航天結(jié)構(gòu)材料，是裝備減重增效的重要途徑，亦是世界各國(guó)爭(zhēng)相研究的焦點(diǎn)。20世紀(jì)以來(lái)，從傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)鋼，到性能越的鎳基高溫合金、鈦合金，航空航天結(jié)構(gòu)材料日新月異，飛行器的運(yùn)載能力和大飛行距離也隨之不斷提升。直至20世紀(jì)60年代，新型輕質(zhì)高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)材料——碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料（以下簡(jiǎn)稱(chēng)碳纖維復(fù)合材料）的應(yīng)運(yùn)而生，再次革新了人們對(duì)高性能航空航天結(jié)構(gòu)材料的理解。

　　碳纖維復(fù)合材料，是先由環(huán)氧樹(shù)脂等基體材料浸漬纖維，而后經(jīng)過(guò)刮膠、覆膜等工藝制成預(yù)浸料，再按構(gòu)件的性能設(shè)計(jì)需求對(duì)預(yù)浸料賦形、固化終制成的。相比于傳統(tǒng)材料，碳纖維復(fù)合材料的制造過(guò)程體現(xiàn)了“結(jié)構(gòu)性能一體化設(shè)計(jì)制造”的先進(jìn)性，使得其具有靈活的可設(shè)計(jì)性，同時(shí)，構(gòu)件性能也實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。數(shù)據(jù)表明，碳纖維復(fù)合材料的比強(qiáng)度和比剛度超出鋼和鋁合金5～6倍，且同傳統(tǒng)材料中輕質(zhì)的鋁合金相比，用碳纖維復(fù)合材料制造的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件，減重效果高達(dá)20%～40%。經(jīng)測(cè)算，商用運(yùn)輸機(jī)的結(jié)構(gòu)重量每減輕1磅，可帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益達(dá)800萬(wàn)美元。因此，自20世紀(jì)90年來(lái)以來(lái)，美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家在航空航天裝備上大批量選用碳纖維復(fù)合材料，且其應(yīng)用領(lǐng)域逐漸從艙門(mén)、窗框等非承力構(gòu)件向垂尾、平尾以及機(jī)翼等主承力構(gòu)件方向發(fā)展。如F-35戰(zhàn)斗機(jī)的碳纖維復(fù)合材料用量達(dá)36%，EF-2000戰(zhàn)機(jī)達(dá)到43%；又如民用飛機(jī)中B787的復(fù)合材料重量占比達(dá)50%，空客計(jì)劃推出的超寬體客機(jī)A380XWB，復(fù)合材料用量將達(dá)52%?？梢?jiàn)，碳纖維復(fù)合材料在航空裝備上的應(yīng)用程度，標(biāo)志著國(guó)家航空航天裝備的制造水平，其應(yīng)用亦是制造領(lǐng)域發(fā)展的制高點(diǎn)。

　　然而，隨著碳纖維復(fù)合材料用量的急劇增加，其加工難度大、加工效率低的問(wèn)題變得日益突出。由于碳纖維復(fù)合材料為多相非均質(zhì)混合物，且各相的耐溫性能和機(jī)械加工性能差別很大，這與金屬等均質(zhì)材料有很大不同，其在加工過(guò)程中的材料失效、斷裂、去除等過(guò)程更加復(fù)雜。同時(shí)，從細(xì)觀角度看，碳纖維沿纖維軸向和徑向的力學(xué)性能大相徑庭，使得材料宏觀上具有鮮明的各向異性，在逐層鋪放的過(guò)程中各層的纖維方向?qū)Σ牧系恼w性能也會(huì)有明顯的影響，進(jìn)而導(dǎo)致加工質(zhì)量更難預(yù)測(cè)和保證，這一點(diǎn)也與我們常接觸的金屬等均質(zhì)材料不同。另一方面，碳纖維增強(qiáng)相、樹(shù)脂基體相在結(jié)合時(shí)，以及宏觀上相鄰層預(yù)浸料在鋪放時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生“交互區(qū)域”，稱(chēng)為界面相。該相的物理性質(zhì)，以及切削過(guò)程中在切削力、熱作用下的動(dòng)態(tài)行為在傳統(tǒng)的切削理論中較少提及，使得這些傳統(tǒng)理論難以指導(dǎo)碳纖維復(fù)合材料的加工。因此，開(kāi)發(fā)適用于碳纖維復(fù)合材料的加工理論和方法已成為世界各國(guó)高校、科研機(jī)構(gòu)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

　　目前，工程生產(chǎn)中依然主要沿用金屬等均質(zhì)材料的傳統(tǒng)切削理論、工具、工藝對(duì)碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行加工，導(dǎo)致毛刺、分層、撕裂等加工損傷嚴(yán)重，廢品率高；同時(shí)，傳統(tǒng)刀具和工藝的適用性較低，導(dǎo)致加工過(guò)程中刀具的磨損問(wèn)題極為嚴(yán)重，需頻繁更換刀具，造成輔助時(shí)間增長(zhǎng)，加工效率低下。對(duì)于一些加工要求嚴(yán)苛的重要構(gòu)件，只能采用經(jīng)驗(yàn)試湊和手工反復(fù)修配的方式進(jìn)行加工，嚴(yán)重拖慢了航空航天裝備的生產(chǎn)節(jié)拍。因此，亟需對(duì)碳纖維復(fù)合材料的高質(zhì)加工技術(shù)進(jìn)行自主研發(fā)。

　　針對(duì)上述問(wèn)題，大連理工大學(xué)承擔(dān)了國(guó)家973計(jì)劃課題“碳纖維復(fù)合材料加工損傷產(chǎn)生機(jī)理與低損傷加工方法”，并與沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)沈飛）、中國(guó)商用飛機(jī)有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)商飛）等企業(yè)組成研究團(tuán)隊(duì)，在碳纖維復(fù)合材料加工機(jī)理、加工工具、加工工藝3個(gè)方面展開(kāi)了系統(tǒng)研究。

　　碳纖維復(fù)合材料的加工機(jī)理

　　考慮到任何材料的切削過(guò)程都是材料在刀具作用下斷裂而被去除的過(guò)程，要實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量加工，就要摸清在何種條件下才能保證材料“切得好”。根據(jù)這一思想，課題組通過(guò)對(duì)碳纖維復(fù)合材料的加工過(guò)程進(jìn)行在線(xiàn)顯微觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)了加工質(zhì)量主要由材料中纖維的“彎斷”和“切斷”決定。當(dāng)纖維發(fā)生彎斷時(shí)，彎斷點(diǎn)的位置常與刀具與其的初始接觸位置不同。若彎斷點(diǎn)低于初始接觸位置，則易形成撕裂；反之，則易產(chǎn)生毛刺。而當(dāng)纖維發(fā)生切斷時(shí)，材料去除效果好、損傷小。

　　針對(duì)這一現(xiàn)象，課題組將切削過(guò)程中碳纖維所受刀具以及周?chē)牧系姆ㄏ?、切向約束作用進(jìn)行了抽象，建立了表征刀具與纖維接觸的局部接觸模型，以及表征周?chē)牧霞s束的單纖維切削模型。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)：纖維能否被有效去除，與刀具的鋒利程度、切削用量的大小以及周?chē)牧蠈?duì)其約束的強(qiáng)弱有關(guān)。多數(shù)刀具的切削刃是經(jīng)反復(fù)打磨形成的，其前刀面與后刀面之間形成一個(gè)圓弧面。這個(gè)圓弧面的半徑，即刀具的“鈍圓半徑”，表征著刀具的鋒利程度。鈍圓半徑越小，刀具越鋒利，越有利于在與纖維局部接觸時(shí)有效切斷纖維。

　　切削用量也是影響加工過(guò)程的重要因素，因而時(shí)常被選為指導(dǎo)工藝的關(guān)鍵指標(biāo)，其由切寬、切深等參數(shù)決定。當(dāng)切削用量較小時(shí)，復(fù)材中的纖維易被切斷。綜上，選用“小鈍圓”刀具，以“小切寬、小切深”加工碳纖維復(fù)合材料，有利于纖維切斷，進(jìn)而提升碳纖維復(fù)合材料的加工質(zhì)量。

　　除此以外，周?chē)牧系募s束作用，也將極大地影響碳纖維的斷裂形式。從傳統(tǒng)力學(xué)角度看，受約束越強(qiáng)的彈性體，越不易發(fā)生變形。碳纖維也是如此，受到的約束強(qiáng)，則利于切斷；若受到的約束弱，則易隨刀具發(fā)生彎折，影響加工質(zhì)量。

　　碳纖維復(fù)合材料的加工工具

　　加工工具是加工理論在工程實(shí)際中的直接驗(yàn)證。課題組根據(jù)上述結(jié)論，提出了“微元去除”和“反向剪切”損傷抑制原理，并形成了相應(yīng)的刀具設(shè)計(jì)思想。即一方面通過(guò)在刀具切削刃上開(kāi)出分屑槽，形成微齒，以微刃力小化抑制損傷，多刃共切削保證去除效率；另一方面通過(guò)對(duì)刀具上的微齒進(jìn)行間歇排布，配合切削運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)表層等受弱約束的材料從弱約束側(cè)向強(qiáng)約束側(cè)“反向切削”，利于纖維的有效切斷。

　　根據(jù)上述刀具設(shè)計(jì)思想，課題組研發(fā)了多系列碳纖維復(fù)合材料專(zhuān)用加工工具(如圖所示)，已成功應(yīng)用于沈飛、商飛等企業(yè)，將碳纖維復(fù)合材料構(gòu)件的加工損傷由原來(lái)的厘米、毫米量級(jí)降低至0.1毫米以下，實(shí)現(xiàn)了加工質(zhì)量的大幅提升。同時(shí)，刀具壽命比進(jìn)口刀具提升了2～7倍。