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“工业母机—复合材料加工”专题 | 高性能热塑性复合材料型面铣削性能研究

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专题文章(八)

袁信满, 宋戈, 胡晓杭, 鞠鹏程, 周文昌, 杜强. 高性能热塑性复合材料型面铣削性能研究[J]. 制造技术与机床, 2026(5): 72-80. DOI: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2026.05.008

袁信满①② 宋戈① 胡晓杭②

鞠鹏程② 周文昌① 杜强①

(①成都飞机工业(集团)有限责任公司

②大连理工大学高性能精密制造全国重点实验室)

研究背景

新一代碳纤维增强高性能热塑性复合材料(CFRTP)凭借高比强度、优异耐冲击性、可回收性及高效生产特性等优势,为现代工业领域的轻量化设计提供了关键支撑。CFRTP在航空航天、国防军工、交通运输、生物医药等高端装备领域的应用潜力逐步凸显,已成为当前国际复合材料领域的研究的热点方向。其中,碳纤维增强聚醚醚酮(CF/PEEK)复合材料作为 CFRTP 体系中综合性能最为优异的代表之一,因其在力学性能、热稳定性等方面的突出表现,引发了学者们对其的广泛关注。虽然CF/PEEK零件可采用近净成形工艺制造,但为满足尺寸和装配需求,必须进行面型铣削等二次加工。由于CF/PEEK具有层状结构和各向异性,加之热塑性基体表现出高韧性和热敏性,在加工过程中极易出现切屑黏附,从而诱发多种复杂的加工损伤。这些损伤会使工件的加工精度难以得到有效保证,从而限制了CF/PEEK的进一步应用。

基于此,开展了针对CF/PEEK复合材料型面铣削性能的系统研究。通过实验与分析,系统揭示了不同纤维取向、进给量及刀具前倾角条件下切削力、切削温度及表面质量的演变规律。在此基础上,进一步探讨了冷却对CF/PEEK型面铣削加工性能的影响。本研究加深了对CF/PEEK型面铣削加工特性的理解,为其高性能制造工艺的优化提供了支撑。


研究内容

(1)CF/PEEK型面铣削力热演变规律

在CF/PEEK复合材料的面铣削加工中,切削力与切削温度随进给速度的提升呈现显著的正相关性。这一现象源于进给速度增加导致每齿切削厚度增大,进而使刀具在材料切除过程中需克服更大的变形抗力;同时,更高的切削力做功转化为热能耗散,促使切削温度进一步升高。纤维取向对铣削力的影响显著,当纤维取向为135°时,铣削力达到峰值,其根本原因在于该取向下纤维断裂模式发生转变:纤维并非由刀尖直接剪切断裂,而是受前刀面挤压导致弯曲-拉伸复合断裂,此过程需消耗更高的能量。相应地,135°取向下的切削温度亦为最高,反映出能量耗散与热生成的耦合效应。前倾角对Fx和 Fy影响较弱,其主要作用体现在Fz上。对于 0°、45°和 90°纤维取向,Fz随着前倾角的增加呈下降趋势;而在135°纤维取向下,Fz 反而有所增加,根源在于随着前倾角的增大,刀具侧刃在材料中的切削速度增大,加剧了纤维的挤压变形程度。值得注意的是,随着前倾角的增大,铣削温度整体呈下降趋势。对于0°、45°和 90°纤维取向,温度降低主要归因于铣削力减小,从而切削热生成减少。对于135°纤维取向,尽管铣削力增加会导致切削热上升,但随着刀具倾斜程度增加,刀具底刃部分区域与已加工表面的接触面积减小,从而降低了摩擦热的产生,最终使铣削温度有所降低。这一发现为CF/PEEK高效低损伤加工提供了工艺优化新思路。



(2)CF/PEEK型面铣削表面完整性分析

表面粗糙度随进给速度的增大而增加,这主要归因于每齿材料去除厚度增大,从而加剧加工损伤;此外,进给速度提高还会导致铣削力增大,引发加工振动增强,加剧表面粗糙度度的恶化。不同纤维取向下的表面粗糙度存在明显差异。其中,0°纤维取向的表面粗糙度最高,这是因为材料去除并非通过切削刃直接切削,而是通过前刀面挤压待切除材料,并在最终加工表面发生界面剥离。加工表面呈现纤维横截面,由于纤维横向强度较低,在刀刃圆弧及后刀面挤压下易产生横向裂纹,同时纤维横截面呈圆弧状,微观尺度上形成凹凸不平,导致粗糙度较高。相比之下,45°纤维取向主要通过切削刃剪切材料而失效,加工表面相对平整;90°纤维取向下,纤维主要受切削刃挤压作用断裂,由于断裂难度增加,其表面粗糙度略高于45°纤维取向。对于135°纤维取向,材料在前刀面挤压下发生弯曲断裂,但其表面粗糙度与45°纤维取向相近,这可能是由于135°纤维取向下铣削温度最高,树脂涂覆现象更为严重,从而降低了表面粗糙度。


(3)冷却策略对CF/PEEK加工性能的影响

切削液冷却在铣削过程中具有显著的热调控作用。一方面,流体冲击可有效排出切屑,减少热量在切削区的积聚,降低切削温度;另一方面,液体传热介质通过增强对流换热进一步带走热量。此外,切削液中的润滑成分可减小刀具与工件间的摩擦,从而进一步降低温度。与干式切削相比,切削液显著降低了表面粗糙度,根因在于铣削温度降低使材料的强度和模量增强,纤维受约束力增加,断裂前弯曲变形及面下损伤减小;同时,切削液的流动有利于切屑排出,使切削刃更有效地去除材料,从而改善表面质量;综合对比,切削液冷却在0°和90°纤维取向下的表面粗糙度平均降低了0.933 μm和0.653 μm。


结语

本研究旨在填补高性能热塑性复合材料型面铣削性能研究的空白,首次系统地开展了针对CF/PEEK复合材料型面铣削性能的研究,并针对加工质量较差的纤维切削角工况,探讨了冷却对加工质量提升影响。主要结论如下:铣削力、铣削温度及表面粗糙度均随进给速度的增大而升高。不同纤维取向下,135°取向产生的铣削力和铣削温度最高,0°取向表面质量最差,其次为90°取向。随着前倾角的增大,0°、45°和90°纤维取向的铣削力逐渐减小,而135°纤维取向的铣削力则呈上升趋势。铣削温度随前倾角增大而降低。表面粗糙度则表现出先降低后升高的变化规律,在本文研究范围内,前倾角为20°时可获得较优的加工表面质量。切削液冷却能够显著降低铣削温度。尽管铣削力略有上升,但仍可明显改善热塑性复合材料的加工质量,在0°和90°纤维取向下,表面粗糙度平均降低值分别为0.933 μm和0.653 μm。

近年团队发表文章

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[2] Xinman Yuan, Kexin Zhang, Huiting Zha*, Jie Xu, Ge Song, Wenjun Cao, Pingfa Feng, Feng Feng*. Enabling Thin-Edged Part Machining of Nomex Honeycomb Composites via Optimizing Variable Angle of Disc Cutters[J]. Materials, 2023, 16(16): 5611.

[3] Xinman Yuan, Bo Li, Feng Feng*, Jie Xu, Ge Song, Yiying Liang, Yuan Ma, Chao Xu, Fuji Wang, Pingfa Feng*. False Boss Connection for Precision Machining of Composites with Soft and Brittle Characteristics[J]. Journal of Composites Science, 2024, 8(8): 292

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