航空航天裝備是國家制造水平和綜合實力的集中體現(xiàn)，也是國民經(jīng)濟和國家安全的重要保障。隨著世界經(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(jié)構(gòu)重量、提升結(jié)構(gòu)效率是實現(xiàn)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(jié)構(gòu)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。20世紀(jì)以來，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)高強度結(jié)構(gòu)材料——碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料（以下簡稱碳纖維復(fù)合材料）的應(yīng)運而生，再次革新了人們對高性能航空航天結(jié)構(gòu)材料的理解。

　　碳纖維復(fù)合材料，是先由環(huán)氧樹脂等基體材料浸漬纖維，而后經(jīng)過刮膠、覆膜等工藝制成預(yù)浸料，再按構(gòu)件的性能設(shè)計需求對預(yù)浸料賦形、固化終制成的。相比于傳統(tǒng)材料，碳纖維復(fù)合材料的制造過程體現(xiàn)了“結(jié)構(gòu)性能一體化設(shè)計制造”的先進性，使得其具有靈活的可設(shè)計性，同時，構(gòu)件性能也實現(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)合材料制造的飛機結(jié)構(gòu)件，減重效果高達(dá)20%～40%。經(jīng)測算，商用運輸機的結(jié)構(gòu)重量每減輕1磅，可帶來經(jīng)濟效益達(dá)800萬美元。因此，自20世紀(jì)90年來以來，美國等發(fā)達(dá)國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、窗框等非承力構(gòu)件向垂尾、平尾以及機翼等主承力構(gòu)件方向發(fā)展。如F-35戰(zhàn)斗機的碳纖維復(fù)合材料用量達(dá)36%，EF-2000戰(zhàn)機達(dá)到43%；又如民用飛機中B787的復(fù)合材料重量占比達(dá)50%，空客計劃推出的超寬體客機A380XWB，復(fù)合材料用量將達(dá)52%?？梢?，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。

　　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，其在加工過程中的材料失效、斷裂、去除等過程更加復(fù)雜。同時，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，在逐層鋪放的過程中各層的纖維方向?qū)Σ牧系恼w性能也會有明顯的影響，進而導(dǎo)致加工質(zhì)量更難預(yù)測和保證，這一點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、樹脂基體相在結(jié)合時，以及宏觀上相鄰層預(yù)浸料在鋪放時，都會產(chǎn)生“交互區(qū)域”，稱為界面相。該相的物理性質(zhì)，以及切削過程中在切削力、熱作用下的動態(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高校、科研機構(gòu)研究的熱點和難點。

　　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、工藝對碳纖維復(fù)合材料進行加工，導(dǎo)致毛刺、分層、撕裂等加工損傷嚴(yán)重，廢品率高；同時，傳統(tǒng)刀具和工藝的適用性較低，導(dǎo)致加工過程中刀具的磨損問題極為嚴(yán)重，需頻繁更換刀具，造成輔助時間增長，加工效率低下。對于一些加工要求嚴(yán)苛的重要構(gòu)件，只能采用經(jīng)驗試湊和手工反復(fù)修配的方式進行加工，嚴(yán)重拖慢了航空航天裝備的生產(chǎn)節(jié)拍。因此，亟需對碳纖維復(fù)合材料的高質(zhì)加工技術(shù)進行自主研發(fā)。

　　針對上述問題，大連理工大學(xué)承擔(dān)了國家973計劃課題“碳纖維復(fù)合材料加工損傷產(chǎn)生機理與低損傷加工方法”，并與沈陽飛機工業(yè)集團（以下簡稱沈飛）、中國商用飛機有限責(zé)任公司（以下簡稱商飛）等企業(yè)組成研究團隊，在碳纖維復(fù)合材料加工機理、加工工具、加工工藝3個方面展開了系統(tǒng)研究。

　　碳纖維復(fù)合材料的加工機理

　　考慮到任何材料的切削過程都是材料在刀具作用下斷裂而被去除的過程，要實現(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，課題組通過對碳纖維復(fù)合材料的加工過程進行在線顯微觀測，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，彎斷點的位置常與刀具與其的初始接觸位置不同。若彎斷點低于初始接觸位置，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，材料去除效果好、損傷小。

　　針對這一現(xiàn)象，課題組將切削過程中碳纖維所受刀具以及周圍材料的法向、切向約束作用進行了抽象，建立了表征刀具與纖維接觸的局部接觸模型，以及表征周圍材料約束的單纖維切削模型。根據(jù)計算結(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圍材料對其約束的強弱有關(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圓弧面。這個圓弧面的半徑，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有效切斷纖維。

　　切削用量也是影響加工過程的重要因素，因而時常被選為指導(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，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，進而提升碳纖維復(fù)合材料的加工質(zhì)量。

　　除此以外，周圍材料的約束作用，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(fù)合材料的加工工具

　　加工工具是加工理論在工程實際中的直接驗證。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)計思想。即一方面通過在刀具切削刃上開出分屑槽，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；另一方面通過對刀具上的微齒進行間歇排布，配合切削運動，實現(xiàn)表層等受弱約束的材料從弱約束側(cè)向強約束側(cè)“反向切削”，利于纖維的有效切斷。

　　根據(jù)上述刀具設(shè)計思想，課題組研發(fā)了多系列碳纖維復(fù)合材料專用加工工具(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的厘米、毫米量級降低至0.1毫米以下，實現(xiàn)了加工質(zhì)量的大幅提升。同時，刀具壽命比進口刀具提升了2～7倍。