“工业母机—复合材料加工”专题 | 大连理工大学王福吉教授团队：复合材料薄壁构件铣削颤振研究综述

专题文章（一）

作者简介

王福吉

大连理工大学

特聘教授、博导

• 国家级领军人才、科技部创新领军人才、教育部新世纪优秀人才等

• 参与获国家技术发明奖一等奖、国家科技进步奖一等奖（创新团队奖）、教育部技术发明奖一等奖，牵头获辽宁省科技进步奖二等奖、大连市科技进步奖一等奖等多项奖励

• 长期从事复合材料零件加工、复合材料增材制造、加工过程检测与控制等方面的研究工作

作者简介

付 饶

大连理工大学

特聘教授、博导

• 国家级青年人才、大连理工大学“星海青千”人才等

• 牵头获辽宁省技术发明一等奖、机械工业技术发明一等奖等多项奖励

• 长期从事高性能复合材料构件高质高效切削加工理论、关键技术与装备的研究等方面的研究工作

作者简介

邓 俊

大连交通大学

讲师、硕导

• 大连市“青年才俊”

• 长期从事复合材料及其薄壁构件切削加工等方面的研究工作

邓俊, 王福吉, 蔡春刚, 林永权, 付饶. 复合材料薄壁构件铣削颤振研究综述[J]. 制造技术与机床, 2026(5): 7-22. DOI: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2026.05.001

邓俊①②③ 王福吉② 蔡春刚③ 林永权② 付饶②

（①大连交通大学机械工程学院

②大连理工大学机械工程学院

③科德数控股份有限公司）

研究背景

碳纤维增强树脂基复合材料（carbon fiber reinforced polymer, CFRP）因其具有高比强度、高比刚度、耐腐蚀、抗疲劳等优异性能，被广泛应用于航空航天、新能源汽车、轨道交通、风电装备及高端医疗器械等领域。全球CFRP市场需求持续增长，由2008年的约5.6万吨增长至2025年的约30.58万吨。随着高端装备减重增效要求的不断提高，CFRP构件正逐步迈向大型薄壁曲面化的新阶段。与此同时，CFRP薄壁曲面构件的大量应用也对高质量、高效率和高可靠性的精密加工技术提出了更高要求。然而CFRP薄壁曲面构件由于其自身的刚性欠缺，在加工过程中动态特性复杂多变，极易产生颤振现象，从而降低了CFRP薄壁构件加工表面质量，严重影响构件的装配精度及服役性能。因此，铣削颤振机理分析及其抑制技术研究已成为CFRP高质量加工领域的重要研究课题。

基于此，分别从CFRP薄壁构件铣削颤振产生机理、铣削力预测、构件动力学参数辨识及颤振抑制方法等方面系统论述了国内外对CFRP铣削颤振的研究进展，详细对比分析了各原理、模型及方法的优缺点，并对CFRP薄壁构件铣削颤振的后续研究方向进行了归纳，为CFRP薄壁构件高质量加工技术研究提供理论参考和技术支撑。

研究内容

（1）CFRP铣削颤振机理

一般将颤振分为摩擦型颤振、振型耦合型颤振和再生型颤振3种。通过研究发现再生型颤振是CFRP铣削振动的主要形式，并且切削过程受纤维切削角度及切削层数影响，颤振产生机制更加复杂。颤振影响因素可以系统地归纳为机床因素、工件因素、刀具因素以及切削用量因素等。

（2）薄壁CFRP铣削力模型

铣削力的预测方法和途径大致可以分为基于试验的经验模型、基于物理模型的有限元法和解析模型3种。解析法主要包括平均力法、瞬时力法和优化法3种。目前，针对CFPR瞬时切削时材料与球头铣刀的复杂作用关系，建立的虑及纤维切削角及铺层方向的CFRP宏观瞬时铣削力预测模型最大误差小于18.4%，有效提高了CFRP铣削力预测的准确性。

（3）薄壁件铣削动力学参数辨识

传统方法通过锤击模态实验、频响函数测试和有限元分析获得工件的固有频率、阻尼比、模态刚度等参数。然而，随着铣削过程中材料不断被去除，工件质量、刚度和模态特性会持续变化，使动力学参数呈现明显的时变特征。目前，针对CFRP薄壁工件表面铣削过程，考虑工件各向异性及层叠特性的材料特点，开发能够快速且准确地获取工件时变动力学参数的策略，对于提升铣削加工稳定域的计算精度，具有重要的研究意义和价值。

（4）薄壁件铣削颤振抑制方法

薄壁件的加工颤振的抑制方法主要包括：调整切削参数，如适当降低主轴转速、调整进给量和切削宽度，以及优化刀具角度，以避开共振点，减少切削过程中的振动；改善机床及刀具的夹持方式，提高加工系统的刚性，如使用弹性系数较高的刀柄或加入动态减振器，以吸收冲击能量；优化刀具设计，如使用锋利的刀片、减小刀尖圆弧半径、选择合适的刀具角度等，以降低切削力，从而减少振动；采用加工过程中的监控技术，如对加工过程进行实时监测，及时识别颤振的发生，进而寻思调整工艺参数以更有效地控制切削过程中的振动。这些方法已在实际应用中被证明是有效的，并广泛应用于各种机械加工领域。

结论与未来

随着CFRP薄壁构件在高端装备领域的应用逐渐增多，铣削颤振已然成为限制其精密加工性能提升的关键瓶颈。现有研究围绕颤振演化机理、铣削力建模、动力学参数辨识与颤振抑制技术展开系统性探究，其中再生型颤振为现阶段研究重点；形成经验建模、有限元仿真与解析建模三类铣削力预测方法；借助模态试验与数值仿真实现工艺系统动力学参数的实时获取，并从切削参数优化、辅助支撑装夹、减振刀具构型设计、加工过程在线监测等维度建立完备的颤振抑制体系。后续研究将聚焦多形式颤振耦合作用机理，开发新加工装备和工具，并推动可持续发展与环保的CFRP加工抑振技术的工程化应用。

近年团队发表文章

[1] Pengcheng Ju, Rao Fu, Gang Wei, Fuji Wang*, Xiaohang Hu, Yuntong Sun, Dekun Yin, Peng Wang. Novel milling cutter structure for high-quality milling of CF/PEEK composites via enhanced shear cutting[J]. Composites Part B: Engineering, 2026, 315: 113465.

[2] Fuji Wang, Changlin Du, Shiwei Zhang, Liang Zhao, Jiachang Tian, Rao Fu*. Effects and optimization of temporary fastening parameters on drilling deformation of thin-walled CFRP/Ti stacks[J]. Thin-Walled Structures, 2026, 225: 114840.

[3] Xiaohang Hu, Fuji Wang, Gang Wei, Pengcheng Ju, Rao fu, Zhenyuan Jia. Micromechanical deformation mechanism and modeling of CF/PEEK cutting[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2026, 320: 111648.

[4] Changlin Du, Rao Fu*, Wenhao Zhai, Jinlong Liu, Guanping Cui, Meng Zhao, Fuji Wang. Impact variation of workpiece stiffness on drilling of CFRP/Ti thin stacks[J]. Journal of Manufacturing Processes, 2025, 141: 627-637.

[5] Fuji Wang，Pengcheng Ju, Gang Wei, Xiaohang Hu ,Rao Fu*. Tool wear behavior and machining performance under the influence of chip adhesion when drilling CF/PEEK[J]. Wear, 2025, 574: 206091.

[6] Fuji Wang, Xiaohang Hu, Rao fu*, Lianheng Ge, Pengcheng Ju, Zhenyuan Jia. Theoretical analysis of cutting mechanisms for CF/epoxy and CF/PEEK considering their elasto-plastic properties[J]. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2025, 196: 109007.

[7] Gang Wei, Rao Fu*, Pengcheng Ju, Xiaohang Hu, Zhenyuan Jia, Fuji Wang, Norbert Geier. Cutting temperature prediction for carbon fiber-reinforced thermoplastic composites considering anisotropic-plastic features[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2025, 303: 110668.

[8] Jun Deng, Fuji Wang, Rao Fu*, Yongquan Lin, Qingsong He, Xing Ma . Prediction of time-varying dynamics and chatter stability analysis for surface milling of thin-walled curved CFRP workpiece[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2023, 322: 118186.

[9] Deng J, Wang F, Lin Y, et al. An unequal pitch ball-end milling cutter with micro-groove structure for suppressing CFRP milling chatter based on coordinated regulation of time delay effect and milling force[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2025, 137(3): 1437-1456.

[10] 付饶,翟文浩,张世维,等. 基于实验-仿真协同分析的CFRP钻削多尺度粉尘弥散机制研究[J]. 机械工程学报, 2025, 61.

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