『技术』从国家技术发明一等奖谈复合材料加工技术

摘要

1月8日，中共中央、国务院在北京举行国家科学技术奖励大会，大连理工大学贾振元教授团队因在高性能碳纤维复合材料构件加工方面的杰出贡献荣获国家技术发明一等奖。其研究成果包括复合材料切削模型、专用刀具和切削热损伤抑制技术，填补了国内空白，并为航空航天领域提供了关键装备。这一成就让人回想起在解决公司SMC产品刀具磨损问题时的探索，文章还讨论了复合材料加工的影响因素和刀具优化的重要性，期待未来在工业机器人加工复合材料方面取得更多进展。

正文

来源：知乎、航空制造网

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1月8日上午，中共中央、国务院在北京召开国家科学技术奖励大会，大连理工大学贾振元教授主持的“高性能碳纤维复合材料构件高质高效加工技术与装备”荣获国家技术发明一等奖。

看到这个新闻，让我回想起之前在公司自己独自琢磨公司SMC产品二次加工生产线刀具磨损问题的情景。

先大致介绍一下，当时公司生产的一款塑料尾门，其内板骨架为使用UP+GF SMC材料模压成型。由于模压模具的限制，制品上大多数孔无法使用模具一次成型，而需要出模之后，放在一条专用的二次加工线上，进行钻铣加工成型。

当时跟进公司SMC产品加工线问题也快大半年了，从2016年就开始关注，主要是听到公司的尾门内板后处理加工线刀具报废率奇高，是欧洲相同生产线的四倍左右。这一巨大的差距吸引了我，回来之后做了一番调查，发现国内对复合材料加工的研究寥寥无几，尤其企业应用端的研究更是几乎找不到。突然感觉自己在探索一个全新的领域，也就在这个事情上面多花了一点心思。后面又和公司的外专进行了一些讨论分析，又联系了几家航空航天行业专业做碳纤维复合材料专用刀具的供应商进行了一些交流沟通，当时也自己总结了一些很粗浅的东西。

最近看到贾振元教授带领的团队攻克复合材料加工这一机械加工领域的难题，着实感到欣慰。在我粗浅的调研过程中，直观地感受到在这一领域国内还处于研究空白。下面我从我调研的几个方面，结合贾教授的研究成果，逐一进行一下讨论和说明。

1. 复合材料加工的材料去除和损伤机理。

这分两个方面，第一个是材料去除机理。学机械的人大学都要上一门叫《机械制造工程基础》的课程，里面包含了金属切削原理，刀具设计及制造原理，尺寸公差基础等内容，是机械专业大三最重要的一门专业基础课。如何构建某种材料的切削去除机理，是对该材料机械加工理论的第一步。对于金属这种连续体塑性材料，目前国内外研究得相对比较透彻，各种成型加工工具也种类繁多。但是对于复合材料，类似玻纤增强树脂基复合材料，碳纤增强树脂基复合材料，国内的研究就不多了，国内的学术杂志上，基本搜不到高质量的论文，也没有好的专业书籍著作出版。

为了调研，我搜集了大量的国外的论文和技术文献，当然本人学术水平比较低，论文看得就相对来说少一些。搜寻的过程中找到了一些不错的书籍，对不同纤维增强，不同基材的复合材料的机械加工均有谈到，包括材料去除机制。贾振元教授的团队，通过十余年的努力，自主建立了一套复合材料的切削模型，这是难能可贵的。

第二方面，是材料损伤的研究。复合材料由于是树脂和纤维混合而成的一种材料，在刀具加工过程中，在刀具轴向进给力的作用下，玻纤可能会从基材里被剥离出来，从而导致在孔边沿出现毛刺，材料剥离等加工缺陷。对于汽车尾门内板这种不承受很大应力的产品，类似的缺陷一般问题不大。但是，对于碳纤维应用最多的航空航天领域，制品往往是在高应力的恶劣工况下长时间使用，这就对孔加工的质量要求非常高了，类似孔边缘材料剥离的缺陷，是无法被接受的。贾振元教授的团队，弄清楚了材料的加工过程中的纤维断裂、界面开裂等领域的机制，这就为材料加工刀具设备的研发，提供了依据。

2. 复合材料加工专用刀具

最开始，我们公司二次加工生产线的供应商给我们提供的是普通硬质合金制造的刀具，而公司又没有人对复合材料加工有经验，所以一直在使用。一把平均下来要四五百块钱，然后一天大概得5*2=10把刀，这一天下来的成本就是四五千。这还是普通的国产刀具，后来我通过朋友介绍，开始接触到国外的专业刀具供应商，类似Seco, LMT, GP等，他们对复合材料均有专用的刀具。一般来说刀型，前后角，牙型，刀具材料的机械特性，是否使用涂层等，都与金属加工刀具不同。复合材料的刀具磨损机理，其主要的是切削刃在切断纤维是发生了磨粒磨损，其次是树脂基材粘接与刀具表面产生的磨损，这点与金属刀具磨损原理不同。

国外供应商的刀具，在国内的主要客户是各大航空航天公司，类似沈飞，西飞，成飞，商飞这些。质量是好，但是价格也高，以我当时咨询的为例，最贵的PCD刀具，一把价格接近一万，其次的CVD刀具，价格在两三千，最普通的硬质合金刀具，价格也在一千以上。汽车行业不像航空行业那么财大气粗，所以最后我们选用了CVD刀具进行测试，目前还没测试完成，预计效率可以提升四五倍。

贾振元教授的团队在这个领域的创造性建设，是“基于“微元去除”和“反向剪切”原理，先后发明三类9个系列的制孔、铣削等刀具，实现了这种难加工材料的低损伤高质量加工，寿命高于进口刀具的2-7倍，价格仅为1/6-1/4”，这就非常厉害了。如果该刀具得到广泛的推广和应用，那一年下来，节省下来的经费，都不可估量。

3. 复合材料切削热损伤抑制技术

复合材料由于其热传导系数低，加工过程中刀具高速旋转与材料摩擦产生的热量无法快速排出，一方面使刀具材料软化，另外也使树脂基材烧结到刀具表面，加速刀具磨损。如何控制加工工程中过度集中的热量，一直是复合材料加工领域的难题。

贾振元教授率领的团队，“提出了适温切削加工损伤抑制原理，揭示出碳纤维复合材料切削质量随温度的变化规律。发明了负压逆向冷却和具有自风冷排屑功能的系列加工工艺。创建了典型构件加工工艺数据库。他们大胆尝试工艺创新，发明了在位随行加工方法、低应力柔性工装和随动除尘装置，研发出13台套数控加工工艺装备，填补了国内空白，成为我国航空航天多个重点型号复合材料关键构件加工的唯一装备”。通过主动式排尘和送风冷却，让刀具和材料始终保持在适宜加工的工艺窗口，从而增加刀具寿命，提高制品质量。

以上是贾振元教授团队最主要的几项研究成果，如果该技术有如此神效，而且能够被大规模推广应用的话，那真是复合材料行业加工行业的福音了。

在此基础上，我想基于对公司复合材料产品二次加工的调研，谈一谈我认为的对于复合材料产品加工影响比较大的几个因素。

第一个是刀具的结构。理论上来说加工复合材料的刀具应该是直杆刀具最佳，有效加工区域长，使用寿命也长。如图所示，即是几种常见的复合材料钻铣刀具。

然而在我司进行生产的过程中，由于某种原因，使用类似的刀具加工出的孔的形状度非常不好。例如，圆孔边缘坑坑洼洼，长圆孔直线段不直。直接原因是整个系统刚性不足，但是无法确认是刀具的刚度不足还是电主轴的，或者是机器人的。为了解决这个问题，供应商设计了一种台阶式的阶梯钻，有效果，但是刀具寿命依然维持在很低的水平，导致车间成本非常高。

第二个是刀具的材料。刀具的材料影响刀具最基本的性能，例如刚度、弯曲强度、硬度、导热性、是否带涂层……目前我们适用的是普通硬质合金的刀具，不带涂层。由于是生产线集成供应商委外的刀具供应商，一致拿不到具体的材料牌号信息，无法做进一步的研究。从我自己的目前获取得到的一些信息看，目前的刀具材料选择是不合理的。

第三个是加工参数。即主轴的转速，轴向进给速度，切向进给速度。通过文献的值，参数的选择对刀具寿命有极其重要的影响。高转速可以增加切削的效率和切口的质量，但是也会带来很大的热量，是刀具加速磨损；进给速度选择不合理，也会加剧刀具的磨损。通过调查我司目前生产线的生产参数发现，由于供应商根本无相关经验，所有的参数全部为相同的加工参数。并没有根据产品的特点，进行加工参数的规划。

第四个是电主轴的刚度。电主轴是刀具转速的提供者，也是刀具的夹具。机器人通过电主轴携带刀具进行切割动作。相对于刀具与机器人来说，电主轴是桥梁。但是正是由于这个桥梁，相当于刀具与机器人之前是一个悬臂连接，对刀具来说，其刚度是被削弱了。所以，如果电主轴刚度不好，整个加工系统的刚写会被大打折扣。

第五个是机器人的刚度。机器人的刚度直接影响整个加工系统的刚度，刚度不足，刀具端振动太大，刀具寿命将受到严重的影响。从国外确认的信息显示，我司生产线使用的机器人为机器人为一款比国外更小的型号，理论上来说，刚度要差一些。

第六个是复合材料产品自身变形。复合材料由于其自身的成型特性，产品在出模冷却后与理论状态相比，会存在一定的翘曲变形。这个问题无法避免，普遍存在。这就会导致，刀具加工的点不是理论设计的点，会有一定的便宜。这种不同，会将刀具的加工区域，加工距离边长变多，从而增加刀具的磨损。

第七个是工装的变形。工装在加工接使用过程中，不可能一致保持与设计状态相一致。再加上产品自身的变形，两者加一起，会导致产品在工装上，很难保持在与设计相一致的状态。这就有可能导致在加工过程中，刀具在接触到产品时，施加力的情况下，产品发生移动，刀具产生滑移，无法加工，从而刀具轴向力增大，对刀具的磨损增加。

于以上的几个问题，我先排除那些事目前这个阶段无法改变的，分别有机器人，电主轴，工装，复合材料产品。机器人和工装设备为已完成的固定资产投资，目前无法更改定义；电主轴由于和产品的加工空间有关系，前期设计时即已目前使用的电主轴进行加工可行性分析，如果更换主轴，可能造成有些孔无法加工，故也无法更改；复合材料产品尺寸问题，目前已趋于稳定水平，无法再进行优化，而且经验表明，影响不大。所以，我将改进的方向定在了刀具本身上。我们队刀具重新进行了设计，首先增大了刀柄的直径，以提高刀具自身的刚度，减少振动；其次对刀具的切削刃等让专业的供应商进行了优化，并使用了特殊的涂层。目前测试还未完成，期待能有好的结果。

我看到贾振元教授的团队也有成功研发了碳纤维数字加工设备，我看了一下视频，应该是类似加工机床一样的东西。未来各个行业，工业机器人的使用会越来越多，因为有些产品结构复杂，需要通过空间的运动才能完成孔的加工。机器人的稳定性，刚度，一般来说没有机床的高，所以，如何解决工业机器人加工复合材料的难题，应该是未来的一个研究方向，期待后续我国的研究这在这个领域能有所建树。