從國家技術發明一等獎談複合材料加工技術

來源：知乎

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1月8日上午，中共中央、國務院在北京召開國家科學技術獎勵大會，大連理工大學賈振元教授主持的「高性能碳纖維複合材料構件高質高效加工技術與裝備」榮獲國家技術發明一

等獎。

看到這個新聞，讓我回想起之前在公司自己獨自琢磨公司SMC產品二次加工生產線刀具磨損問題的情景。

先大致介紹一下，當時公司生產的一款塑料尾門，其內板骨架為使用UP+GF SMC材料模壓成型。由於模壓模具的限制，製品上大多數孔無法使用模具一次成型，而需要出模之後，放在一條專用的二次加工線上，進行鑽銑加工成型。

尾門內板上使用銑刀銑削加工成型的孔

當時跟進公司SMC產品加工線問題也快大半年了，從2016年就開始關注，主要是聽到公司的尾門內板後處理加工線刀具報廢率奇高，是歐洲相同生產線的四倍左右。這一巨大的差距吸引了我，回來之後做了一番調查，發現國內對複合材料加工的研究寥寥無幾，尤其企業應用端的研究更是幾乎找不到。突然感覺自己在探索一個全新的領域，也就在這個事情上面多花了一點心思。後面又和公司的外專進行了一些討論分析，又聯繫了幾家航空航天行業專業做碳纖維複合材料專用刀具的供應商進行了一些交流溝通，當時也自己總結了一些很粗淺的東西。

最近看到賈振元教授帶領的團隊攻克複合材料加工這一機械加工領域的難題，著實感到欣慰。在我粗淺的調研過程中，直觀地感受到在這一領域國內還處於研究空白。下面我從我調研的幾個方面，結合賈教授的研究成果，逐一進行一下討論和說明。

1. 複合材料加工的材料去除和損傷機理。

這分兩個方面，第一個是材料去除機理。學機械的人大學都要上一門叫《機械製造工程基礎》的課程，裡面包含了金屬切削原理，刀具設計及製造原理，尺寸公差基礎等內容，是機械專業大三最重要的一門專業基礎課。如何構建某種材料的切削去除機理，是對該材料機械加工理論的第一步。對於金屬這種連續體塑性材料，目前國內外研究得相對比較透徹，各種成型加工工具也種類繁多。但是對於複合材料，類似玻纖增強樹脂基複合材料，碳纖增強樹脂基複合材料，國內的研究就不多了，國內的學術雜誌上，基本搜不到高質量的論文，也沒有好的專業書籍著作出版。

為了調研，我搜集了大量的國外的論文和技術文獻，當然本人學術水平比較低，論文看得就相對來說少一些。搜尋的過程中找到了一些不錯的書籍，對不同纖維增強，不同基材的複合材料的機械加工均有談到，包括材料去除機制。賈振元教授的團隊，通過十餘年的努力，自主建立了一套複合材料的切削模型，這是難能可貴的。

國外對碳纖維去除機理的研究

第二方面，是材料損傷的研究。複合材料由於是樹脂和纖維混合而成的一種材料，在刀具加工過程中，在刀具軸向進給力的作用下，玻纖可能會從基材里被剝離出來，從而導致在孔邊沿出現毛刺，材料剝離等加工缺陷。對於汽車尾門內板這種不承受很大應力的產品，類似的缺陷一般問題不大。但是，對於碳纖維應用最多的航空航天領域，製品往往是在高應力的惡劣工況下長時間使用，這就對孔加工的質量要求非常高了，類似孔邊緣材料剝離的缺陷，是無法被接受的。賈振元教授的團隊，弄清楚了材料的加工過程中的纖維斷裂、界面開裂等領域的機制，這就為材料加工刀具設備的研發，提供了依據。

超聲波掃描得到的碳纖維複合材料板鑽削成型孔周圍的材料分層現象

2. 複合材料加工專用刀具

最開始，我們公司二次加工生產線的供應商給我們提供的是普通硬質合金製造的刀具，而公司又沒有人對複合材料加工有經驗，所以一直在使用。一把平均下來要四五百塊錢，然後一天大概得5*2=10把刀，這一天下來的成本就是四五千。這還是普通的國產刀具，後來我通過朋友介紹，開始接觸到國外的專業刀具供應商，類似Seco, LMT, GP等，他們對複合材料均有專用的刀具。一般來說刀型，前后角，牙型，刀具材料的機械特性，是否使用塗層等，都與金屬加工刀具不同。複合材料的刀具磨損機理，其主要的是切削刃在切斷纖維是發生了磨粒磨損，其次是樹脂基材粘接與刀具表面產生的磨損，這點與金屬刀具磨損原理不同。

國外供應商的刀具，在國內的主要客戶是各大航空航天公司，類似沈飛，西飛，成飛，商飛這些。質量是好，但是價格也高，以我當時諮詢的為例，最貴的PCD刀具，一把價格接近一萬，其次的CVD刀具，價格在兩三千，最普通的硬質合金刀具，價格也在一千以上。汽車行業不像航空行業那麼財大氣粗，所以最後我們選用了CVD刀具進行測試，目前還沒測試完成，預計效率可以提升四五倍。

賈振元教授的團隊在這個領域的創造性建設，是「基於「微元去除」和「反向剪切」原理，先後發明三類9個系列的制孔、銑削等刀具，實現了這種難加工材料的低損傷高質量加工，壽命高於進口刀具的2-7倍，價格僅為1/6-1/4」，這就非常厲害了。如果該刀具得到廣泛的推廣和應用，那一年下來，節省下來的經費，都不可估量。

賈振元教授團隊發明的刀具

3. 複合材料切削熱損傷抑制技術

複合材料由於其熱傳導係數低，加工過程中刀具高速旋轉與材料摩擦產生的熱量無法快速排出，一方面使刀具材料軟化，另外也使樹脂基材燒結到刀具表面，加速刀具磨損。如何控制加工工程中過度集中的熱量，一直是複合材料加工領域的難題。

賈振元教授率領的團隊，「提出了適溫切削加工損傷抑制原理，揭示出碳纖維複合材料切削質量隨溫度的變化規律。發明了負壓逆向冷卻和具有自風冷排屑功能的系列加工工藝。創建了典型構件加工工藝資料庫。他們大膽嘗試工藝創新，發明了在位隨行加工方法、低應力柔性工裝和隨動除塵裝置，研發出13台套數控加工工藝裝備，填補了國內空白，成為我國航空航天多個重點型號複合材料關鍵構件加工的唯一裝備」。通過主動式排塵和送風冷卻，讓刀具和材料始終保持在適宜加工的工藝窗口，從而增加刀具壽命，提高製品質量。

以上是賈振元教授團隊最主要的幾項研究成果，如果該技術有如此神效，而且能夠被大規模推廣應用的話，那真是複合材料行業加工行業的福音了。

在此基礎上，我想基於對公司複合材料產品二次加工的調研，談一談我認為的對於複合材料產品加工影響比較大的幾個因素。

複合材料加工影響因素

第一個是刀具的結構。理論上來說加工複合材料的刀具應該是直桿刀具最佳，有效加工區域長，使用壽命也長。如圖所示，即是幾種常見的複合材料鑽銑刀具。

常見的幾種複合材料加工刀具

然而在我司進行生產的過程中，由於某種原因，使用類似的刀具加工出的孔的形狀度非常不好。例如，圓孔邊緣坑坑窪窪，長圓孔直線段不直。直接原因是整個系統剛性不足，但是無法確認是刀具的剛度不足還是電主軸的，或者是機器人的。為了解決這個問題，供應商設計了一種台階式的階梯鑽，有效果，但是刀具壽命依然維持在很低的水平，導致車間成本非常高。

第二個是刀具的材料。刀具的材料影響刀具最基本的性能，例如剛度、彎曲強度、硬度、導熱性、是否帶塗層……目前我們適用的是普通硬質合金的刀具，不帶塗層。由於是生產線集成供應商委外的刀具供應商，一致拿不到具體的材料牌號信息，無法做進一步的研究。從我自己的目前獲取得到的一些信息看，目前的刀具材料選擇是不合理的。

第三個是加工參數。即主軸的轉速，軸向進給速度，切向進給速度。通過文獻的值，參數的選擇對刀具壽命有極其重要的影響。高轉速可以增加切削的效率和切口的質量，但是也會帶來很大的熱量，是刀具加速磨損；進給速度選擇不合理，也會加劇刀具的磨損。通過調查我司目前生產線的生產參數發現，由於供應商根本無相關經驗，所有的參數全部為相同的加工參數。並沒有根據產品的特點，進行加工參數的規劃。

第四個是電主軸的剛度。電主軸是刀具轉速的提供者，也是刀具的夾具。機器人通過電主軸攜帶刀具進行切割動作。相對於刀具與機器人來說，電主軸是橋樑。但是正是由於這個橋樑，相當於刀具與機器人之前是一個懸臂連接，對刀具來說，其剛度是被削弱了。所以，如果電主軸剛度不好，整個加工系統的剛寫會被大打折扣。

複合材料加工電主軸

第五個是機器人的剛度。機器人的剛度直接影響整個加工系統的剛度，剛度不足，刀具端振動太大，刀具壽命將受到嚴重的影響。從國外確認的信息顯示，我司生產線使用的機器人為機器人為一款比國外更小的型號，理論上來說，剛度要差一些。

第六個是複合材料產品自身變形。複合材料由於其自身的成型特性，產品在出模冷卻後與理論狀態相比，會存在一定的翹曲變形。這個問題無法避免，普遍存在。這就會導致，刀具加工的點不是理論設計的點，會有一定的便宜。這種不同，會將刀具的加工區域，加工距離邊長變多，從而增加刀具的磨損。

第七個是工裝的變形。工裝在加工接使用過程中，不可能一致保持與設計狀態相一致。再加上產品自身的變形，兩者加一起，會導致產品在工裝上，很難保持在與設計相一致的狀態。這就有可能導致在加工過程中，刀具在接觸到產品時，施加力的情況下，產品發生移動，刀具產生滑移，無法加工，從而刀具軸向力增大，對刀具的磨損增加。

於以上的幾個問題，我先排除那些事目前這個階段無法改變的，分別有機器人，電主軸，工裝，複合材料產品。機器人和工裝設備為已完成的固定資產投資，目前無法更改定義；電主軸由於和產品的加工空間有關係，前期設計時即已目前使用的電主軸進行加工可行性分析，如果更換主軸，可能造成有些孔無法加工，故也無法更改；複合材料產品尺寸問題，目前已趨於穩定水平，無法再進行優化，而且經驗表明，影響不大。所以，我將改進的方向定在了刀具本身上。我們隊刀具重新進行了設計，首先增大了刀柄的直徑，以提高刀具自身的剛度，減少振動；其次對刀具的切削刃等讓專業的供應商進行了優化，並使用了特殊的塗層。目前測試還未完成，期待能有好的結果。

我看到賈振元教授的團隊也有成功研發了碳纖維數字加工設備，我看了一下視頻，應該是類似加工機床一樣的東西。未來各個行業，工業機器人的使用會越來越多，因為有些產品結構複雜，需要通過空間的運動才能完成孔的加工。機器人的穩定性，剛度，一般來說沒有機床的高，所以，如何解決工業機器人加工複合材料的難題，應該是未來的一個研究方向，期待後續我國的研究這在這個領域能有所建樹。

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