航空航天裝備是國家制造水平和綜合實(shí)力的集中體現，也是國民經(jīng)濟和國家安全的重要保障。隨著(zhù)世界經(jīng)濟和軍事競爭的加劇，航空航天裝備的性能需求日益提高，減輕結構重量、提升結構效率是實(shí)現裝備性能不斷突破的關(guān)鍵。選用輕重量、高強度、高性能的航空航天結構材料，是裝備減重增效的重要途徑，亦是世界各國爭相研究的焦點(diǎn)。20世紀以來(lái)，從傳統的結構鋼，到性能越的鎳基高溫合金、鈦合金，航空航天結構材料日新月異，飛行器的運載能力和大飛行距離也隨之不斷提升。直至20世紀60年代，新型輕質(zhì)高強度結構材料——碳纖維增強樹(shù)脂基復合材料（以下簡(jiǎn)稱(chēng)碳纖維復合材料）的應運而生，再次革新了人們對高性能航空航天結構材料的理解。

　　碳纖維復合材料，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、覆膜等工藝制成預浸料，再按構件的性能設計需求對預浸料賦形、固化終制成的。相比于傳統材料，碳纖維復合材料的制造過(guò)程體現了“結構性能一體化設計制造”的先進(jìn)性，使得其具有靈活的可設計性，同時(shí)，構件性能也實(shí)現了質(zhì)的飛躍。數據表明，碳纖維復合材料的比強度和比剛度超出鋼和鋁合金5～6倍，且同傳統材料中輕質(zhì)的鋁合金相比，用碳纖維復合材料制造的飛機結構件，減重效果高達20%～40%。經(jīng)測算，商用運輸機的結構重量每減輕1磅，可帶來(lái)經(jīng)濟效益達800萬(wàn)美元。因此，自20世紀90年來(lái)以來(lái)，美國等發(fā)達國家在航空航天裝備上大批量選用碳纖維復合材料，且其應用領(lǐng)域逐漸從艙門(mén)、窗框等非承力構件向垂尾、平尾以及機翼等主承力構件方向發(fā)展。如F-35戰斗機的碳纖維復合材料用量達36%，EF-2000戰機達到43%；又如民用飛機中B787的復合材料重量占比達50%，空客計劃推出的超寬體客機A380XWB，復合材料用量將達52%?？梢?jiàn)，碳纖維復合材料在航空裝備上的應用程度，標志著(zhù)國家航空航天裝備的制造水平，其應用亦是制造領(lǐng)域發(fā)展的制高點(diǎn)。

　　然而，隨著(zhù)碳纖維復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。由于碳纖維復合材料為多相非均質(zhì)混合物，且各相的耐溫性能和機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)程更加復雜。同時(shí)，從細觀(guān)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(guān)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對材料的整體性能也會(huì )有明顯的影響，進(jìn)而導致加工質(zhì)量更難預測和保證，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，碳纖維增強相、樹(shù)脂基體相在結合時(shí)，以及宏觀(guān)上相鄰層預浸料在鋪放時(shí)，都會(huì )產(chǎn)生“交互區域”，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)行為在傳統的切削理論中較少提及，使得這些傳統理論難以指導碳纖維復合材料的加工。因此，開(kāi)發(fā)適用于碳纖維復合材料的加工理論和方法已成為世界各國高校、科研機構研究的熱點(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)材料的傳統切削理論、工具、工藝對碳纖維復合材料進(jìn)行加工，導致毛刺、分層、撕裂等加工損傷嚴重，廢品率高；同時(shí)，傳統刀具和工藝的適用性較低，導致加工過(guò)程中刀具的磨損問(wèn)題極為嚴重，需頻繁更換刀具，造成輔助時(shí)間增長(cháng)，加工效率低下。對于一些加工要求嚴苛的重要構件，只能采用經(jīng)驗試湊和手工反復修配的方式進(jìn)行加工，嚴重拖慢了航空航天裝備的生產(chǎn)節拍。因此，亟需對碳纖維復合材料的高質(zhì)加工技術(shù)進(jìn)行自主研發(fā)。

　　針對上述問(wèn)題，大連理工大學(xué)承擔了國家973計劃課題“碳纖維復合材料加工損傷產(chǎn)生機理與低損傷加工方法”，并與沈陽(yáng)飛機工業(yè)集團（以下簡(jiǎn)稱(chēng)沈飛）、中國商用飛機有限責任公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)商飛）等企業(yè)組成研究團隊，在碳纖維復合材料加工機理、加工工具、加工工藝3個(gè)方面展開(kāi)了系統研究。

　　碳纖維復合材料的加工機理

　　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”。根據這一思想，課題組通過(guò)對碳纖維復合材料的加工過(guò)程進(jìn)行在線(xiàn)顯微觀(guān)測，發(fā)現了加工質(zhì)量主要由材料中纖維的“彎斷”和“切斷”決定。當纖維發(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。而當纖維發(fā)生切斷時(shí)，材料去除效果好、損傷小。

　　針對這一現象，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。根據計算結果，我們發(fā)現：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ζ浼s束的強弱有關(guān)。多數刀具的切削刃是經(jīng)反復打磨形成的，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(zhù)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)常被選為指導工藝的關(guān)鍵指標，其由切寬、切深等參數決定。當切削用量較小時(shí)，復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”加工碳纖維復合材料，有利于纖維切斷，進(jìn)而提升碳纖維復合材料的加工質(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。從傳統力學(xué)角度看，受約束越強的彈性體，越不易發(fā)生變形。碳纖維也是如此，受到的約束強，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)際中的直接驗證。課題組根據上述結論，提出了“微元去除”和“反向剪切”損傷抑制原理，并形成了相應的刀具設計思想。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)對刀具上的微齒進(jìn)行間歇排布，配合切削運動(dòng)，實(shí)現表層等受弱約束的材料從弱約束側向強約束側“反向切削”，利于纖維的有效切斷。

　　根據上述刀具設計思想，課題組研發(fā)了多系列碳纖維復合材料專(zhuān)用加工工具(如圖所示)，已成功應用于沈飛、商飛等企業(yè)，將碳纖維復合材料構件的加工損傷由原來(lái)的厘米、毫米量級降低至0.1毫米以下，實(shí)現了加工質(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。