HUANG

导语：在航空、航天、能源等领域，科技的发展对材料轻量化及特殊性能（如隐身性）的要求不断提高，钛合金等传统金属材料的性能已经难以满足实际要求，复合材料以其轻质、高强等优良的理化特性得到了快速的发展，在航空航天产品上所占的比重越来越高。

复合材料由至少两种不同性质的材料复合而成，包括基体和增强体。复合材料的特性由其基体和增强体共同决定。按照基体材料不同，复合材料分为聚合物基复合材料（Polymer Matrix Composites, PMC）、金属基复合材料（Metal Matrix Composites, MMC）和陶瓷基复合材料（Ceramic Matrix Composites, CMC）三大类；按照增强体的不同形态来分，有纤维增强型、颗粒增强型等。

复合材料构成的特点使它兼有基体和增强材料的优异性能，具有质量轻、强度大、耐磨性高等优点，其中PMC材料（如Carbon Fiber Reinforced Plastics,CFRP）以其轻质、高强、耐高温的特点广泛用于火箭整流罩、卫星骨架等结构，MMC材料（如SiC/Al2O3）以其良好的结构性能广泛用于发动机缸体、飞机腹鳍等部位，CMC材料（如C/C-SiC）以其高耐磨性及热稳定性广泛用于刹车片、燃气舵等部件。

传统加工方式通常从刀具材料、刀具结构、加工工艺等方面解决复合材料加工中出现的问题，对于树脂基和金属基复合材料，通过合理地选择刀具材料和结构可以解决大部分加工中的问题。

在刀具材料方面，高速钢（High-Speed-Steel, HSS）、硬质合金、涂层、PCD等材料被广泛用于复合材料加工，大量试验成果也为复材加工提供了依据。在PMC加工中，硬质合金刀具在200m/min到400m/min的切削速度下铣削CFRP材料效果良好，TiN、DLC（Diamond-Like-Carbon）等涂层可以有效提高刀具的寿命。在MMC加工中，使用不同材料的钻头加工体积分数为15%的SiC增强的铝基材料，结果表明TiN涂层、HSS、WC刀具均发生剧烈磨损，PCD刀具磨损最小，且在不同的工况下均表现出良好的加工性能。

在刀具结构方面，人字形铣刀的特殊结构改善了侧铣CFRP板时上下表面的受力情况，减少了加工的分层缺陷；蜂窝铣刀的复合刃设计减少了CFRP铣削时毛刺和崩边等缺陷，提高了表面质量；三尖钻头在钻削纤维增强复合材料时，可使纤维形成整齐的断口，同时减小钻孔轴向力，改善孔的质量。

对于纤维增强型复合材料，除改善刀具材料和刀具结构外，纤维方向角θ（纤维排列方向与刀具进给方向之间的夹角）对加工质量有很大的影响。随着θ的变化，增强纤维的断裂机理也在变化，在θ接近90°时，纤维的断裂主要受到弯曲应力的影响，而在θ接近0°或180°时则主要受拉伸应力的影响，因此加工中控制纤维方向角是保证加工质量的重要方面。实验表明，在加工CFRP时，θ为30°时切削力最小，而θ为45°时加工的表面质量最优，此时，分层、毛刺等缺陷明显减少。

对于陶瓷基复合材料和一些高体积分数的高硬度颗粒增强型金属基复合材料，由于其具有超高的硬度和耐磨性，改变刀具的材料和结构已经无法解决材料的加工问题，这就需要寻找新的加工技术和方法。

作为特种加工方式之一，超声振动辅助加工在加工硬脆型复合材料方面取得了很好的效果。超声振动辅助加工将传统切削与超声振动结合起来，在刀具或工件上施加一个微振幅的高频振动。在加工过程中，振动的存在使刀具和工件产生间歇性的分离，这样破坏了纤维与基体之间的界面力，降低了材料的加工难度。对于基体为塑性的复合材料，微振幅、高频率的振动增加了刀具的切削路径，进而提高了材料的去除率；对于基体为脆性的复合材料，超声振动改变了材料的去除机理，材料去除方式由切削刃或磨粒滑擦去除变为脆性崩碎去除，大大降低了切削力。

复合材料的加工与金属加工有很大的不同，其非均一性、各向异性的特性导致加工中容易出现分层、纤维拔出等缺陷。目前，对于复合材料加工，尤其是陶瓷基复合材料的加工，还没有很好的解决方案。解决复材加工问题，实现复合材料的高效低损伤加工，要从刀具选材、刀具结构改良、工具创新、机理研究、工艺优化等方面入手，不断尝试新的加工方法和技术，以寻找更适合的加工手段。超声振动加工在复合材料加工方面表现出良好的加工性能，能显著降低切削力，减少加工缺陷，提高表面质量，但还存在着许多亟待解决的机理及技术方面问题。随着复合材料的应用越来越广泛，应用研究越来越多，更多新工具和新方法将应用在复合材料加工上。