摘要: 碳纤维/树脂基复合材料（简称:C/E复合材料），因其高比模量、高比强度特性和优越的可设计性、抗疲劳性、抗腐蚀性以及较高的减重效率，在运载火箭、导弹、飞机等航空航天领域高端装备中得到快速推广应用，其应用比例已经成为航空航天飞行器先进性的重... 展开 碳纤维/树脂基复合材料（简称:C/E复合材料），因其高比模量、高比强度特性和优越的可设计性、抗疲劳性、抗腐蚀性以及较高的减重效率，在运载火箭、导弹、飞机等航空航天领域高端装备中得到快速推广应用，其应用比例已经成为航空航天飞行器先进性的重要标志之一。大型C/E复合材料构件上有众多的装配连接孔、异型窗口以及轮廓边缘等需要机械加工。然而由于C/E复合材料独特的层合结构、各向异性等特点及树脂基体对切削热的高敏感性，导致加工过程极易产生无法修复的毛刺、撕裂和分层等多形态、多尺度加工损伤，给高端空天装备的高可靠长寿命使役带来极大的安全隐患。C/E复合材料的高质高效加工技术，不仅是国内外研究的热点，也是制造领域公认的难题之一。随着复合材料在航空航天产品中的应用日益增多和对C/E复合材料构件加工质量与效率的要求不断提高，现有的以手工作业为主的加工方式，严重制约了我国重点工程型号产品的研制进度和量产能力，成为航空航天和国防等领域中亟待解决的技术瓶颈。本文以制孔加工为主要对象，系统研究C/E复合材料损伤产生机理、加工工具及工艺等问题，以期推动C/E复合材料的低损伤高效加工技术。 针对C/E复合材料切削过程中难以保证加工质量的技术问题，以材料破坏的物理基础为出发点，分别从材料各向异性、刀具切削角度及刀具与材料之间的摩擦作用三个方面对切削过程中材料在加工区域的力学行为开展了理论分析与试验研究。结果表明当纤维方向角为45°及90°时，加工质量较好;当纤维方向角为135°及0°时，容易产生纤维未被完全去除而形成毛刺的现象。当刀具切削角度为负前角或零度角时，有利于纤维被有效去除;当刀具切削角度为正前角时，容易产生较明显的毛刺现象。碳纤维在刀具的作用下产生弯曲变形，进而在拉应力一侧产生断裂是导致材料破坏的主要原因。不同材料刀具与C/E复合材料之间的摩擦作用存在差异，且聚晶金刚石及单晶金刚石与C/E复合材料之间的摩擦系数小于硬质合金与C/E复合材料之间的摩擦系数。 C/E复合材料加工损伤产生机理的研究是实现C/E复合材料构件高质量加工的理论基础及必要前提。通过对材料热力学性能及制孔过程中轴向力变化趋势的分析，提出切削力和切削热均可显著影响C/E复合材料的制孔质量，其中切削热对制孔损伤的影响存在两个不同的阶段。当切削温度低于材料树脂基体的玻璃化温度时，切削热对材料加工损伤的影响不明显;当切削温度高于材料树脂基体的玻璃化温度时，材料的力学性能急剧衰变，产生损伤的应力阈值也急剧下降，因而较小的轴向力作用即可产生较严重的分层、撕裂等加工损伤。此外，单层C/E复合材料钻削试验结果表明，材料性能可显著影响制孔质量，当材料的层间拉伸强度较大时，通常采用传统的加工方法也可得到较理想的加工质量。 针对传统高速钢或硬质合金麻花钻加工C/E复合材料时加工损伤难以避免的问题，试验研究了不同材料刀具及不同结构刀具对C/E复合材料制孔过程中切削力及切削热的影响。结果表明刀具材料可显著影响制孔时的切削温度，而刀具结构对轴向力的影响较大。与传统硬质合金刀具相比，金刚石涂层刀具加工时的温度降低了40.3％，PCD刀具加工时的温度降低了52.6％。与传统麻花钻相比，套料工具制孔时的轴向力降低了70％，这主要由于套料工具有效减少了制孔过程中刀具对材料的推挤作用。另外，以某航空C/E复合材料构件为例，验证了金刚石类刀具的使用性能。 C/E复合材料的材料特性及干切削的特殊加工要求使得传统的钻削加工工艺难以满足其构件的高质量加工要求，为此分别研究了螺旋铣削制孔及低温气体冷却辅助制孔过程中的切削力、切削热及加工质量。螺旋铣削的试验结果表明，螺旋铣削制孔时的轴向力与传统钻削时的轴向力差异较小，但温度较传统钻削时降低69℃以上，降幅大于36％。采用低温气体冷却辅助加工，结合套料加工工具，可以大幅度的降低加工区域的温度;尤其是内部冷却方式，相对于无冷却方式时温度降低了162.3℃，降幅达到约61.3％。同时，以某航天C/E复合材料构件为例，验证了气体冷却方法在实际加工过程中的可行性。 收起