復合材料加工技術及裝備發展綜述

摘 要：分析復合材料加工的主要特點和基本要求，研究加工過程中復合材料的切屑及缺陷形成機制、刀具結構及磨損特點，梳理國內外復合材料加工技術和裝備的發展現狀。研究認為，應該加強基礎理論研究、注重技術創新。研究建議：應重點完善對復合材料微觀切屑形成機制、加工缺陷的相關研究，形成復合材料加工質量評價標準；深入研究復合材料/金屬的疊層鉆削技術，形成成熟的工藝體系；堅持加工設備自主研發，降低對國外設備的依賴。

關鍵詞：復合材料；加工技術；加工裝備；發展建議

中圖分類號：TG580文獻標志碼：A文章編號：1671-5276（2024）03-0001-09

Summary of Cutting Technology and Equipment Development for

Composite Materials

Abstract：This paper analyzes the main cutting characteristics and basic requirements of composite materials， and studies the chip formation mechanism， defect formation mechanism and tool structure of and wear characteristics of the materials in the cutting process， and reviews the materials' development status of cutting technology and equipment in China and overseas. It is suggested that the basic research on micro-chip formation mechanism and machining defects of composites should be improved to promote the evaluation standard of high cutting quality of composite materials. The craft system needs to be constructed with deep research on composite/metal lamination technology. And independent research and development on the equipment must be upheld so as to reduce the dependence on foreign manufactures.

Keywords：composite materials; cutting technology; cutting equipment; development suggestion

0 引言

復合材料結構件加工是指通過各種加工方法對近凈成型復合材料結構件毛坯進行型面、輪廓及孔加工，以滿足結構件的外形精度與裝配需求，是承接制造—裝配的重要環節。當前，復合材料在航空航天、交通運輸、建筑等領域的應用正迅速增長，而復合材料的各向異性、非均質性、高硬度、低導熱性與層間強度等特點導致加工過程中易出現分層、撕裂、毛刺等質量問題及刀具快速磨損的問題，是一種典型的難加工材料。面對復合材料日益增長的應用需求，提升加工質量和效率，形成成熟的復合材料工藝體系，是促進我國由制造大國向制造強國轉變的重要使命。

目前，有關復合材料加工方法的學術成果主要有：基于傳統加工方式進行的工藝改良，比如螺旋銑孔技術、振動輔助加工技術等；采用合適的特種加工工藝，比如磨料水射流加工，激光加工等。由于復合材料屬于難加工的材料，采用常規的刀具及工藝對其進行銑削、鉆削加工時，極易在工件的表層區域引起加工損傷。這些表層損傷主要由表層材料（特別是表層纖維）未被有效去除所引起。復合材料結構件的加工精度和表面質量對其使用性能、可靠性和使用壽命等會產生重要影響［1］?，F有的學術成果為復合材料的加工技術層面進行了有益探索。歐美國家均已將這些技術成熟應用于航空航天、車輛制造業中，極大地提高了復合材料加工的效率和精度。

因纖維高硬度、高脆性的特點使得刀具磨損快、加工現場粉塵大，在加工中需要采用特制的刀具及裝備。本文在總結理論、研判現狀的基礎上，針對國內復合材料加工技術及裝備等問題，提出了相應的對策和建議。

1 復合材料加工的特點和基本要求

1.1 復合材料加工的特點

·綜述與展望·

陳清良，等·復合材料加工技術及裝備發展綜述

1）切屑去除機理

在機械加工過程中，復合材料的變形過程遠比金屬材料復雜得多，不僅與刀具形狀、工藝參數等傳統因素有關，還與纖維和基體屬性以及纖維鋪層方向直接相關。從早期KOPLEV等［2］通過快速落刀試驗裝置對復合材料的切削過程進行試驗研究，到現在采用有限元分析軟件進行微觀尺度的切削仿真分析，雖然其切屑形成機制依然還在不斷探索中，尚未形成成熟的理論體系，但也達成了一些共識，即復合材料的切屑形成過程是一個樹脂基體破壞和纖維斷裂相互交織的復雜過程。為簡化CFRP切屑形成過程，對纖維方向與切削方向夾角θ為0°、45°、90°、135° 4種典型的鋪層結構進行正交切削過程分析，如圖1所示。夾角為0°時的切屑形成主要是層間分離型，在0°＜θ≤90°之間時，纖維被切斷而形成切屑。在90°＜θ＜180°時，纖維的彎曲和剪切交互作用使得CFRP加工表面呈現鋸齒狀形貌［3］。正因為復合材料與各向同性金屬材料完全不同的切屑形成機制，導致了復合材料加工表面形貌與纖維鋪層方向密切相關，呈現出隨纖維方向變化的凹凸不平形貌，難以達到金屬材料光滑平整的加工表面。

雖然國內外學者對不同纖維方向角下切屑形成機制的研究取得了一定的進展，但是為進一步揭示切屑去除機理，國內外學者對復合材料切削力行為方面也進行了大量的研究。AROLA等［4］通過正交切削試驗發現，切削力在0°～60°纖維方向角時緩慢上升；在75°～90°時快速躍升，在90°時達到最大值；而GOPALA等［5］基于正交切削試驗得到的結論是在0°～90°的范圍內，切削力呈現線性增大的趨勢；張厚江等［6］則發現切削力在10°～70°的范圍內呈現“U”形的變化，在45°時切削力最小。

綜上所述，國內外學者對于復合材料切屑去除機理的行為解釋仍然存在不同的觀點，對于復合材料的切屑去除機理主要集中于纖維方向，沒有考慮基體的影響；此外，對于不同纖維方向角下的切削力變化規律仍未獲得具有全面說服力的解釋，有關復合材料在加工過程中的切屑去除機理仍然存在較多的挑戰。

2）加工缺陷形成機制

在復合材料加工過程中產生的主要加工缺陷有分層缺陷、毛刺與撕裂、已加工表面損傷、基體燒傷、毛邊和化學損傷等。其中分層是阻礙復合材料有效應用的最大問題，不僅降低了復合材料結構強度、剛度和完整性，而且碳纖維復合材料在產生分層損傷后仍然具有一定的承載能力，這對損傷容限以及材料剩余壽命的評估提出了挑戰。

復合材料分層缺陷的本質是不同鋪層之間的脫粘失效。研究發現，在復合材料鉆削過程中的分層主要發生在孔的入口和出口附近，其破壞方式分別為入口剝離分層和出口頂出分層。鉆削復合材料時孔出入口的分層機制［7］，如圖2所示。在主切削刃尚未完全進入材料時，在螺旋槽表面產生一個軸向剝離分力從而形成材料入口附近的剝離分層缺陷；當鉆頭即將鉆出材料時，隨著未切削鋪層數量的減少，材料剩余剛度也隨之變小，軸向力超過層間結合強度時，出口周邊的鋪層之間發生脫粘現象而造成頂出分層缺陷。研究表明，出口附近的頂出分層缺陷遠大于入口的剝離分層。這是由于軸向力在入口部位對分層影響很小，而對臨近出口處的鋪層有著直接推力作用。國內外學者進行了大量相關的理論研究，繼基于經典板殼理論和線彈性斷裂力學模型后，又提出了基于內聚力模型的分層損傷理論［8］，但是模型主要以靜態分析為主，無法有效對加工過程的分層損傷進行預測分析；對于制孔分層的預測和評價，國內外學者提出諸多評價方法，如采用撕裂長度的平均值方法、分層因子法、比面積的分層因子法、修正分層因子法以及基于三維孔形貌的綜合評價方法等。

在銑削中，分層的產生主要由刀具的幾何結構導致，如圖3所示［9］。當采用標準立銑刀加工時，刀具具有右旋或左旋的螺旋槽，會導致加工時產生向上或向下的切削力。在切削刃的影響下，在加工表面上纖維的彎曲導致纖維相對于基體的位移，類似于纖維/基體界面去粘的滑動，最終導致表面分層。國內外學者使用田口方法對纖維復合材料銑削力和表面質量進行研究，研究發現無論對于何種方向纖維，纖維切削角在90°～180°范圍內容易發生分層缺陷［10］；銑刀的螺旋角增大，銑削力合力減小，表面分層增大［11］。KILICKAP等［12］通過碳纖維復合材料銑削試驗發現，當進給速度增大時，銑削力增大，分層因子增大；當切削速度增大時，銑削力基本保持不變，但分層因子同樣有小幅增大；當銑刀刃數增大時，銑削力減小，更多的切削刃參與切削過程，切削力減小，同時減小了銑削過程中扭振的發生，振動強度降低，故分層因子減小。對于銑削分層的評價方法，國內外學者對復合材料表層分層缺陷按照不同形式進行了分類，并對4種分層形式進行了統計分析；在表達上采用槽的最大破壞寬度與槽寬的比值來評價材料分層［13］。

綜上所述，國內外學者在材料分層缺陷的形成機制、控制策略、評價預測等方面開展了大量的研究工作。可以發現的是，對于復合材料的分層缺陷，國內外都缺乏統一、明確的評價方法；對于分層缺陷的研究主要以試驗為主，理論研究尚顯不足。未來應繼續加強缺陷損傷機理研究，充分利用有限元分析的手段建立有效的加工損傷預測模型，并盡快形成統一的、標準的復合材料損傷評價體系。

3）刀具材料、結構及磨損特點

由于復合材料的纖維硬度達到了HRC（53～65），與硬質合金接近，再加上復合材料粉末狀切屑高磨蝕性的特點，導致復合材料在使用硬質合金刀具對其進行加工時，會產生非常嚴重的刀具磨損現象［14］。因此，復合材料加工一般以金剛石涂層刀具與聚晶金剛石（PCD）為主，研究發現，金剛石涂層和PCD刀具的使用壽命能夠提高刀具壽命長達10倍之多［15］。為了減小復合材料的分層缺陷，銑刀結構多為玉米狀銑刀與壓縮銑刀，如圖4所示。在復合材料上鉆孔時，鉆頭推擠各層材料，并在出口一側造成不可接受的分層剝離、開裂等缺陷。為了減小鉆削復合材料時的出口分層，應減小鉆頭頂角（圖5）［16］。這些刀具結構都與加工金屬材料的刀具結構大相徑庭。為了提高刀具壽命、降低加工成本以及提升加工質量，國內外學者又陸續研制了許多幾何形狀各異的刀具，包括階梯鉆、燭形鉆、三尖鉆、八面鉆、匕首鉆等［17］。

此外，國內外學者對刀具的磨損形式與磨損機理進行了大量相關的理論研究，目前公認的復合材料刀具磨損模式主要有后刀面磨粒磨損和刃口鈍化（崩刃）。與加工金屬相比，加工復合材料中的切削溫度非常低，排除了化學磨損的主導地位。加工復合材料的刀具磨損以磨粒磨損為主，纖維形成的硬質顆粒是造成這種磨損的原因，但由于切屑尺寸小，前刀面的磨損不嚴重［18］。由于后刀面和已加工表面之間的摩擦作用，大部分磨損發生在刀具的后刀面上。刃口鈍化主要有兩個方面：一是纖維和基體的彈性回彈促進了刀具后刀面摩擦磨損，刀具磨損導致切削刃口后移并且鋒利度降低（切削刃變圓）；二是復合材料的非均質性導致切削力波動，刀具刃口易產生微裂紋，進而導致合金顆粒斷裂或脫離刀具基體表面，造成崩刃。

綜上所述，國內外學者在刀具磨損的材質、結構、磨損形式等方面開展了大量的研究工作，隨著復合材料加工要求越來越高，刀具材料以及刀具結構上都進行了相應改進，傳統硬質合金刀具已經逐步被包括金剛石涂層、PCD刀具等在內的金剛石類刀具所取代，復合材料刀具結構較金屬加工類刀具已經有了極大的不同。但是，當前國內的刀具制備缺乏完善的生產-管理體系，國內刀具質量不穩定、刀具平均壽命低下是面臨的問題之一。隨著復合材料在我國的使用量逐年累增，刀具用量也會出現爆發式的增長，那么對于廢舊刀具的回收處理，特別是硬質合金等超硬材料的回收再生也是未來需要考慮的問題之一。

1.2 復合材料加工的基本要求

由于復合材料非均質結構、各向異性的力學特性，導致復合材料的去除過程更為復雜，可加工性更差、已加工表面缺陷更嚴重。截止到目前，復合材料并沒有像金屬一樣形成具有統一性、體系性的復合材料切削表面質量評價標準。通常結合實際的加工需求，以表面形貌觀察的方法作為評價的指標。

國內評價復合材料加工合格的指標主要有以下4點基本要求：

1）目視觀察有無毛刺、撕裂等宏觀缺陷，一般認為毛刺長度或撕裂寬度距離切口邊緣垂直距離小于0.5mm時滿足要求；

2）加工表面上分層、熱裂紋和纖維松脫等微觀缺陷在深度方向距離切口邊緣垂直距離小于0.5mm時滿足要求；

3）復合材料表面粗糙度Ra會隨著纖維切削角的變化而顯著變化，當纖維切削角在90°～150°時，Ra可達到2～7μm，而在其余切削角度Ra一般在1μm左右［19］，因此表面粗糙度Ra一般不超過6.3μm，當裝配精度要求高時，Ra則不超過3.2μm；

4）復合材料孔壁表面粗糙度也會受到纖維切削角的影響，所以目前對于國內孔精度等級要求一般控制在9級以內，孔壁Ra控制在3.2μm以下。

2 復合材料加工技術的發展現狀

2.1 國外復合材料加工技術發展現狀

從20世紀80年代開始，國外就在大力發展復合材料的加工技術、刀具及裝備，通過40余年的發展，已經形成較為完善的技術體系，且已經在航空航天、汽車制造業等，如波音、空客、法拉利、寶馬公司的廣泛應用。

1）復合材料機械加工技術

國外復合材料機械加工方法主要可概括為兩個方面：一是延續金屬加工的思路，采用高速數控機床、精密五軸加工中心等設備，主要對復合材料進行銑削及鉆削加工，為了提高加工精度和效率，國外開發了相應的復合材料刀具以減少材料的加工缺陷，并且具備成熟、完善的刀具制備體系，如美國的Amamco公司、Kenna（肯納）、德國的Mapal（瑪帕）、瑞士的Sandvik（山特維克）等都是國際上知名的刀具企業；二是對原有的機械加工方法進行改良，比如螺旋銑、振動輔助加工等。螺旋銑孔技術是一種典型的同時具有周向進給和軸向進給的間斷切削方法，利用銑刀沿圓柱螺旋線軌跡進刀的方式實現孔加工，由于在相同切削速度下，螺旋銑削的軸向力和切削溫度小于傳統鉆削加工，此法可以有效避免鉆削出口處的撕裂和分層現象。目前國際上生產螺旋銑孔裝備的代表企業是瑞典的Novator公司，其設備被空客、波音等航空企業采購，廣泛應用于波音787和龐巴迪C系列多條組裝線上。

低頻振動輔助加工主要用于鉆削復合材料與金屬材料構成的疊層結構，其目的是將金屬的連續切削轉化為斷續切削，而切屑也將從連續切屑轉化為扇形切屑，進而防止金屬切屑對復合材料的二次損傷。振動發生裝置按振動產生原理主要可以分為壓電式、機械式、數控模擬式和磁懸浮式。壓電式振動發生器主要是利用了電介質的壓電效應，將電信號轉為振動信號，此類裝置由美國M4 Science公司最先研發并應用于飛機加工中。機械式振動發生器是利用機械元件，實現刀具或工件系統的受迫振動，目前法國Mitis公司所研發的軸承式振動發生器在市場上得到了廣泛的運用。數控模擬式振動技術是利用插補算法，將理想的正弦振動形式，離散為分段直線運動，模擬振動加工，代表公司為西班牙AEI和日本Citizen。磁懸浮式振動是在主軸中加裝磁懸浮軸承，調節轉子末端與主軸末端的間距，實現轉子振動，代表公司為德國LTI公司?，F階段空客、波音等國外航空企業對于復合材料/鈦合金、復合材料/鋁合金等疊層材料已經廣泛采用了低頻振動鉆削技術。

2）復合材料特種加工技術

對于切割大型或超大型的飛機蒙皮零件，國外經常采用磨料水射流的加工方式。磨料水射流加工技術主要是將一定比例的磨料（碳化硅、金剛石、石榴石、石英砂等）與水混合，然后以極高的壓力（通常為400～700MPa）、極快的速度（約3540km/h）發射。磨料水射流的切口最小能控制在0.8mm～1.8mm之間，加工完成后一般不需要進行磨邊等二次加工，并且能夠降低加工過程中的復合材料粉塵，改善工作環境。

法國的空客加工新型A350 XWB飛機蒙皮采用了Flow International公司的磨料水射流機床進行復合材料結構件的加工，如圖6所示。為了在磨料水射流加工復雜形狀復合材料結構件時固定和裝夾零件，采用了“可編程工件夾具系統”。該系統由一系列頭部可調整的柱狀支撐柱組成，每個支撐柱的垂直位置都可以獨立設置，因此整個系統可以跟隨零件的輪廓進行調整。更換零件時可編程工件夾具系統調整位置只需要大約2min，大大提高了加工效率。

2.2 國內復合材料加工技術研究現狀

國內各高校、科研院所以及相關加工企業等在復合材料加工技術方面的研究也持續了近40年的時間，但受限于制造能力，復合材料的應用并未普及，因此其加工技術還處在發展階段。

1）機械加工技術研究現狀

國內在研究復合材料機械加工技術方面主要集中在螺旋銑孔與振動輔助制孔，并取得了一定的研究進展與工程應用。

a）螺旋銑孔加工

目前國內從事螺旋銑孔研究的單位主要有大連理工大學、浙江大學、天津大學、南京航空航天大學、航空制造工程研究所等。劉婕［20］建立了隨時間和空間分布的復合材料螺旋銑削熱源數學模型，研究了加工過程中的熱源軌跡及對材料的影響，相同切削速度條件下，螺旋銑削時的切削溫度遠小于傳統鉆削工藝。在預測切削力的方法上，董輝躍等［21］考慮纖維隨機分布的影響，構建了單向纖維復合材料銑削力超聲震蕩模型。研究發現，當銑削方向與纖維角度一定時，銑削力的變化呈高斯分布。王明海等［22］通過數值模擬比較了碳纖維增強復合材料螺旋銑孔和傳統鉆孔的銑削力，研究表明同樣條件下螺旋銑孔的軸向力僅為傳統鉆孔的33.97%～51.23%。王奔等［23］在控制相同加工效率與切削速度的前提下，通過對比發現螺旋銑孔加工質量顯著好于傳統鉆孔。通過分析切削力、溫度變化發現，螺旋銑孔的切削溫度明顯降低，比傳統鉆削降低超過36%，能夠有效改善鉆削質量。

綜上所述，螺旋銑孔的優點包括較小的切削變形、較小的復合材料分層缺陷、較小的切削力和良好的排屑條件。國內以上海商飛飛機裝備制造有限公司為代表的航空企業已成功將螺旋銑孔技術應用于復合材料的現場加工之中。

b）振動輔助加工

振動輔助加工可根據諧波運動頻率的高低，分為超聲振動輔助加工和低頻振動輔助加工。

超聲輔助制孔是基于現有的制孔工藝，通過對刀具施加一個或多個方向的超聲振動（振幅為幾微米至幾十微米，頻率通常在 18 kHz以上）來進行制孔加工。在常規制孔工藝和螺旋銑孔工藝中均可引入超聲振動。李哲等［24］研究了套料鉆超聲振動輔助鉆削復合材料的鉆孔效果。結果表明：相比于復合材料普通套磨鉆孔，超聲振動套磨鉆孔極大地提高了切屑粉塵和料芯的排屑效果，有效防止了切屑粉塵粘刀和料芯堵刀現象，明顯降低了12%～20%的軸向力、16%～24%的切削溫度和33%～39%的孔表面粗糙度值，明顯改善了復合材料孔加工質量并且延長了套磨刀具使用壽命。焦鋒等［25］經過試驗和仿真分析指出，采用縱-扭復合超聲振動輔助鉆孔，軸向力比普通鉆孔減小45%，刀具壽命顯著延長，孔的表面質量大幅度提高；研究還發現，采用縱-扭超聲輔助振動鉆孔，其加工精度和效率均比單一縱向輔助振動鉆孔有所提高［26］。

超聲輔助制孔發揮了超聲加工特有的優勢，對于減小軸向力和鉆削溫度具有顯著效果，但多數試驗是借助現有設備和設計專用夾具來完成的，超聲刀具夾頭等系列加工設備還較為少見，縱-扭超聲復合振動裝置、超聲復合裝置等也有待研究開發。

對于低頻振動輔助加工，目前國內主要以南京航空航天大學、上海交通大學、大連理工大學等高校為主，進行了大量的分析研究。唐文亮等［27］對振動鉆削理論進行了深入研究，通過大量試驗，提出了零相位差振動斷屑理論，完善了振動斷屑理論；徐國勇等［28］對振動加工進行了較系統的研究，包括斷屑的機理、工藝參數的選擇和提高加工精度的方法等，取得了良好的效果。楊旭［29］對低頻振動鉆削技術進行了系統的分析，研究表明切屑的尺寸大小隨進給量的增大而增大，隨振幅的增大而減小；振動鉆削過程中不會出現切屑纏繞刀具的現象，有效地減小了切屑劃傷孔壁等問題，刀具使用壽命提高了20%以上。

低頻振動鉆削通過控制金屬材料的切屑改善了排屑條件，并有效減少了復合材料孔壁劃傷的問題。相比來說，低頻振動輔助加工裝置原理簡單更易實現，并具有更大的振動幅度和更低的振動頻率，是未來復合材料與金屬疊層結構的主流加工趨勢，但同樣面臨工藝處于理論研究、裝置尚未研發的尷尬境地。

2）特種加工技術研究現狀

除了傳統機械加工外，國內也主要對復合材料的磨料水射流加工技術進行了研究。國內對于復合材料磨料水射流加工的研究起步較晚，目前從事相關研究的主要以國內高校為主，如合肥工業大學、江南大學、湖南大學、東華大學、大連理工大學等。

蔡志剛［30］進行了基于碳纖維復合材料的磨料水射流試驗，采用有限元手段研究了射流壓力、靶距與沖孔深度之間的關系，確立了水射流工藝的主要影響參數，建立了工藝參數與加工深度的關系。LI等［31］進行了不同工藝參數條件下的Ti6Al4V/CFRP疊層材料鉆削實驗，發現CFRP表面存在斷裂的纖維和小孔隙，而Ti6Al4V則表現為有磨損痕跡和嵌入的磨料顆粒，材料厚度及額外沖蝕時間均會對鉆孔質量產生較大影響。王相蕊［32］在總結前人的研究基礎上發現，磨料水射流孔加工時CFRP與Ti6Al4V分別表現出脆性去除與塑性去除兩種不同特點，且由于射流能量衰減，材料上的孔均有不同程度“收斂”或“發散”，并且疊層材料的堆疊次序會影響制孔質量，當CFRP被置于上層或射流壓力大于250MPa時，孔口易出現撕裂、分層等結構損傷；疊層材料交界面縫隙處存在射流滲透現象；當Ti6Al4V在上時，射流對CFRP作用時間短、能量小，有效避免了水流壓力對于CFRP的沖擊破壞以及磨料嵌入。林向晨［33］研究了磨料水射流后加工CFRP/Al疊層材料的表面質量，結果表明進給速度的減小、水射流壓力的增大、靶距的降低能夠提高磨料水射流的能量，從而增加與材料相互作用的磨料顆粒數量和相互作用時間，減小切口錐度和表面粗糙度。

綜上所述，當前國內磨料水射流的研究重點主要集中在水射流壓力、進給速度、切割靶距、磨料流量上，以達到消除錐度，提高切割速度、結構件精度和減小公差的目的。目前磨料水射流加工技術尚未成熟地運用在航空領域中，仍然需要一定時間的技術積累。

3 復合材料加工裝備的發展現狀

3.1 國外復合材料加工裝備發展現狀

1）復合材料機械加工機床

在航空領域，主要以加工復合材料大型結構件為主，例如法國空客A350-1000的蒙皮尺寸就達到了32.48m，所以傳統的金屬數控加工機床、加工中心等均無法滿足加工要求，必須研制專用的復合材料大型機床。此外，復合材料加工過程中產生的切屑為粉末狀，常見的玻璃纖維、碳纖維等粉末顆粒均具有高度磨蝕性，這些粉塵很可能會滲透到機器部件之間的狹窄空間中并進入機器控制箱，造成導軌、滾珠絲杠和軸承磨損。而碳纖維具有導電性，在機床主軸內沉積碳纖維粉塵將導致短路，會對機床造成非常嚴重的損壞；同時粉塵對操作人員和環境也有極大的傷害。因此，專用的復合材料機床必須具備防塵、集塵的功能。一方面避免粉塵造成設備損壞，另一方面避免粉塵污染環境，對操作人員造成傷害。

對于大型復合材料結構件的加工，需要裝備與夾具的配合使用。以洛克希德·馬丁公司精密加工F-35的復合材料蒙皮部分為例。為了實現大型復合材料薄壁零件的加工，洛克希德·馬丁公司采用drries scharmann technologie GmbH（DST，Mnchengladbach，德國）制造的精密五軸龍門加工中心為復合材料表面提供精確的銑削和鉆孔，如圖7所示。具有用于體積補償的專有DS技術系統有助于在整個機床的大型工作范圍內保持嚴格的精度，大約60個碳纖維復合材料制成的復雜結構件在該機床中進行銑削、修邊和鉆孔。為了保證加工的穩定性，機床位于9.144m（30英尺）深的地基上，在x-y行程的4個角處放置陶瓷測量球，確保地基的沉降變化不會影響機床的精度。

2）機器人加工系統

受限于部分復合材料結構件的尺寸以及結構的復雜性，由人工控制對復合材料鉆孔時，由于復合材料難加工的特性，導致手工鉆孔的加工質量較差，而且加工效率低。為提高制孔質量和效率，取代工人在惡劣的加工環境中完成飛機制造裝配工作，國外飛機制造業已經開始進行自動化加工方式的嘗試，這涉及從定制機器轉向通用移動機器人，如圖8所示。相比于機床而言，機器人具有工作空間大、靈活性高等優點，甚至在空間足夠的情況下多個機器人能夠同時進行加工，大大提升了加工效率。目前，波音、空客等公司在飛機裝配制孔中機器人制孔覆蓋率大于50%。

目前用于加工的機器人系統也分為機器人銑削和機器人制孔，銑削復合材料研究的主要是德國弗朗霍夫（Fraunhofer）生產技術和應用材料研究所（IFAM）、英國謝菲爾德大學AMRC先進制造研究中心等；從事機器人制孔技術的研究主要有美國GEMCOR和EI、意大利COMAU、德國BROETJE、謝菲爾德大學的AMRC等［34］。由于機器人在復合材料的銑削加工時產生的切削力較大，銑削過程極易產生顫振現象，Fraunhofer研究所設計了一套機器人銑削系統，開發了機器人的實時位置補償算法，根據當前位置誤差實時調節機器人運動速度，有效解決了因機器人關節摩擦力的非線性所造成的運動方向改變時誤差增大的問題［35］。在制孔技術方面，美國EI公司在機器人中引入了視覺系統以實現自動孔位測量，大大提高了飛機裝配的自動化水平；波音公司研發制造了一套機器人自動鉆鉚程序，提升了加工效率。法國空客公司開發了一套協同裝配系統，能夠實現雙機器人的協同工作。

3）加工裝備未來發展趨勢

綜上所述，國外的復合材料加工體系、刀具制備工藝較為完備，對于機器人銑削和制孔技術的研究也取得了良好的效果。采用高精度、高剛度的大型工業機器人，通過可以靈活更換的末端執行器提高機器人的柔性，使機器人能夠迅速改變工作任務，適應航空航天領域的多品種加工的要求。在提高產品生產效率和質量的同時做到低成本，快速、高效?？梢灶A見在未來的發展過程中，用于復合材料加工的機器人系統將更加智能化、柔性化，質量和效率進一步提升。

3.2 國內復合材料加工裝備發展現狀

1）復合材料機械加工裝備

在加工設備方面，國外根據復合材料結構件裝配需求，普遍采用了五軸加工中心、機器人及自動進給鉆等多種裝備。在國內，由于我國現階段復合材料專用加工機床正在研制過程中，尚不具備加工復合材料大型結構件的能力，國內航空企業主要引進國外的機床進行大型復合材料結構件的加工，設備幾乎完全依賴進口。目前，國內部分航空企業已經嘗試將機器人用于現場加工，但主要以試用為主，尚未形成產業化的規模。

目前國內現場裝配以手工、自動進給鉆配鉆模板為主，如圖9所示［36］。自動進給鉆技術相對成熟，加工效率和質量方面遠超手工作業，在今后相當長的時間內仍將是飛機裝配中有推廣應用價值的重要制孔方法。但是現階段一套鉆模板只能對應一組孔徑，若要加工不同直徑的孔，需要更換鉆模板，加工靈活性方面稍顯不足。

2）國內外的發展現狀對比與未來發展趨勢

總體來說，國內的復合材料結構件加工裝備整體落后于國外，目前國內自主開發的機器人等裝備只適用于試驗加工，無法形成產業化的規模?，F階段主要的發展趨勢是：可以在原有的數控機床上，通過研發超聲發生裝置、低頻振動輔助刀柄等實現復合材料的振動輔助加工；對于自動進給鉆來說，在加工材料時，往往需要預知材料厚度進行程序的調整，未來可以通過識別復合材料與金屬材料的差異，實現低頻振動制孔加工的自動參數化調整；對于機器人系統來說，短期內需要加大對軟、硬件的研發，先實現機器人加工系統國產化、產業化的目標，長期內考慮將振動輔助加工方式、自動參數化調整與機器人相結合，實現復合材料更為全面的自動化、數字化、智能化的加工方式。

4 發展建議

4.1 加強基礎理論研究

復合材料經過近40年的理論分析與實踐應用研究，在加工理論方面取得了一定的共識，但也存在許多分歧，相關研究結論存在相互矛盾的問題，還沒有形成一套像金屬加工一樣完善的理論體系。這主要是對復合材料與切/磨削刀具之間的相互作用沒有完全掌握。因此，探索復合材料切削機理的工作還將繼續進行，各種新的理論與方法還在不斷地提出與完善。此外，現階段對于CFRP加工質量的研究僅限于表面粗糙度、尺寸誤差、毛刺、撕裂等方面的評價，還未就加工表面完整性及其對工件強度弱化的影響規律展開深入廣泛研究，需要在系統研究碳纖維增強復合材料切削機理的基礎上，進一步研究加工過程各類缺陷產生機理，建立更為完整的復合材料加工質量評價體系。

4.2 注重加工技術創新

復合材料鉆削加工的目的主要是為了與金屬結構件裝配，而傳統的加工方法（先制孔再擴鉸）存在加工效率低、加工質量差以及刀具磨損嚴重等問題，難以滿足我國復合材料的制造需求。以低頻振動輔助加工為例，其工藝能夠實現復合材料/金屬疊層結構件的一次性鉆削加工，提高加工效率、加工質量與刀具耐用度。然而現有的低頻振動輔助鉆削加工只能實現軸向的低頻振動，由于復合材料與金屬的材料特性不同，單一的振動方式難以滿足復合材料/金屬疊層結構件的高效低損傷加工。為解決該問題，建議研究振動形式對復合材料/金屬疊層結構件加工機制的影響規律與刀具磨損規律，研制振動鉆削刀具并優化振動加工工藝，實現復合材料/金屬疊層結構件加工質量的可控性。

4.3 堅持設備自主研發

未來想要實現復合材料國產化的工藝體系，必須具備相配套的加工裝備或者是實現相應功能的部件，保證穩定的加工環境。比如對于低頻振動或超聲振動輔助鉆削技術來說，就需要開發出振幅穩定可控的刀柄或超聲發生器。因此，除了自身工藝研究之外，對相應的現場工程加工中所需的裝備或者部件也應同步進行研究，否則依然會阻礙工藝的推廣和應用。在裝備研發方面，尤其需實現高端產品自主保障；在技術方面，突破復合材料加工規?；?、集成化、自動化、數字化、智能化的瓶頸，有效緩解國內復合材料加工裝備嚴重依賴于進口的卡脖子問題。

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