鄒 適 李樹健 李鵬南 邱新義 王春浩

（湖南科技大學機電工程學院，湘潭 411201）

文 摘 以CFRP鉆削加工過程的切削熱和切削溫度為研究對象，從其形成機理、產生的影響以及影響切削熱的因素和控制切削熱的方法四個方面進行了系統(tǒng)綜述，對存在的問題進行了綜合分析，并對今后研究方向進行了展望。

0 引言

隨著我國武器裝備領域飛速發(fā)展，對輕量化、高強度結構件的需求急劇增加。鋼鐵、鋁合金、鈦合金等傳統(tǒng)金屬材料已難以滿足高端技術驅動帶來的迫切需求，成為制約我國尖端領域發(fā)展的技術瓶頸。碳纖維增強樹脂基復合材料（CFRP）作為一種以樹脂為基體、碳纖維為增強相的新型復合材料，具有輕質、高強、耐腐蝕、抗疲勞、性能可設計等優(yōu)異性能，在軍工國防等領域得到廣泛應用［1-2］。飛行器翼梁、中央翼盒等關鍵承力部位，如F-22 隱身戰(zhàn)機前機身、垂尾、平尾和機翼等部位，都采用了CFRP 結構件。

為滿足構件連接、裝配等工藝條件，CFRP 構件在成型后往往還需進行二次機械加工，尤其是鉆削加工，幾乎占構件二次機械加工的50%［3-4］。以生產一架飛機為例，其連接孔多達三百萬個［5］。隨著大型武器裝備對整體結構件服役性能要求的不斷提高，連接孔的加工質量直接關系到飛行器裝配質量和服役壽命。因此，嚴格控制CFRP 構件的制孔質量是確保飛行器運行可靠及安全服役的關鍵。然而，由于CFRP 非均質各向異性，層間性能相對薄弱，且碳纖維硬度高、材料整體導熱性差，在制孔時易產生分層、孔壁損傷、燒蝕等加工缺陷［6］，對CFRP 的廣泛應用形成了嚴峻挑戰(zhàn)。

研究表明，CFRP 切削加工缺陷的形成主要與切削力和切削熱有關。近年來，國內外對CFRP 切削加工的研究多聚焦于切削力上，對切削熱的研究相對薄弱。在CFRP 鉆削加工過程中，由于材料的導熱性較差，隨著鉆削深度的增加，熱量不斷積聚且很難快速向外進行熱傳遞，易導致工件材料燒蝕、刀具熱疲勞磨損等問題，進而影響工件的加工質量和刀具的使用壽命。因此，切削熱對CFRP 切削加工質量的影響不可忽視。

本文在對國內外相關研究進行系統(tǒng)整理與分析的基礎上，針對CFRP 鉆削過程的切削熱，從其形成機理、產生的影響以及影響切削熱的因素和控制切削熱的方法四個方面進行綜述，并對存在的問題及今后研究方向進行分析和探討。

1 切削熱的形成機理

在CFRP 切削加工過程中，纖維不僅受切削力作用產生變形和斷裂，還會因自身極強的磨蝕性在與刀具接觸時產生大量切削熱［7］。切削熱作為一個不可忽視的物理因素，在CFRP 切削加工時參與整個切削過程。

在CFRP 切削加工過程中，切削熱主要產生于三個區(qū)域：（1）切削層在刀具作用下發(fā)生彈性變形和塑性變形所消耗變形功的第1 變形區(qū)；（2）前刀面與切屑摩擦所消耗摩擦功的第2 變形區(qū)；（3）后刀面與工件表面摩擦所消耗摩擦功的第3 變形區(qū)，如圖1 所示。由于CFRP 為脆性材料，在切削加工過程中，纖維受到壓縮、彎曲、剪切之后發(fā)生脆性斷裂，形成粉末狀切屑。因此，在CFRP 切削過程由塑性變形產生的切削熱可忽略不計。由于后刀面與工件表面的摩擦最為強烈，因而切削熱大部分來自于第三變形區(qū)。根據材料切削加工的特點，切削過程產生的切削熱主要通過工件、切屑、刀具和介質等途徑散出，因此CFRP 熱導率、刀具熱導率、切屑形態(tài)和介質成分都會對切削熱傳遞產生一定影響［8］。

基于能量守恒定律，切削過程中產生的切削熱能可表示為傳入刀具、切屑和工件的熱能總和［9］，即：

式中，Qtotal為接觸區(qū)的總熱能，QCFRP為傳入CFRP工件的熱能，Qtool為傳入刀具的熱能，Qchip為傳入切屑的熱能。

CFRP 切削加工過程中大部分切屑都沒有完全從工件表面去除，加工過程的切削熱主要向刀具和工件傳遞。因此，切削熱的分配比可表示為：

式中，λ1為刀具中熱能的分配比，λ2為CFRP 工件中熱能的分配比。

假設刀具周圍絕緣，熱量只沿一個方向傳導到刀具［10-11］，且在正交切削過程中，接觸區(qū)產生的切削熱可視為水平切削力Fx做的功［12］。因此，CFRP 切削過程中刀具的熱分配比為［9］：

式中，k、l為常數，Gc為描述材料斷裂韌性參數，b為工件厚度，Vc為切削速度，ΔT由熱電偶測得，Fx為水平切削力，α0為刀具間隙角，γ0為刀具前角，Re為刀具刃口半徑，E*為等效彈性模量，Fy為法向切削力。

由于高職院校的學生大多學習習慣和學習自律性較差、知識基礎較為薄弱，因此教師在正常開展課堂教學的同時，需要花費較多的精力組織課堂教學。倘若班級學生人數過多，勢必造成“顧此失彼”“按下葫蘆浮起了瓢”的局面，極大地增加了教師組織課堂教學的難度。長此以往，教師組織課堂教學的積極性也會下降。

2 切削熱對CFRP加工質量的影響

與傳統(tǒng)金屬材料相比，CFRP 切削過程中切削熱和切削溫度并不高。但由于CFRP 的樹脂基體是一種對溫度敏感的熱固性高分子材料（Tg約為180 ℃），溫度過高會使樹脂基體發(fā)生玻璃化轉變，出現基體變軟、碳化等不可逆轉化學變化［7］，嚴重影響工件加工質量。而出現這些現象的原因在于：CFRP 中樹脂及樹脂/纖維界面熱導率較低（僅為45#鋼的1/16），切削過程中熱量分配及散熱量的不合理，易產生熱累積現象，從而使得切削區(qū)溫度遠高于其他區(qū)域。而由于熱量累積導致切削溫度超過樹脂基體Tg時，加工表面或表面層內樹脂會發(fā)生降解，使碳纖維失去基體約束與保護作用［13］。此時，CFRP 材料強度降低，增加了同等加工條件下加工缺陷產生的可能性。另外，碳纖維硬顆粒與刀具產生劇烈摩擦，會產生大量切削熱，引起切削溫度迅速升高，進一步增加了刀具磨損、毛刺和撕裂損傷的產生［14］。

PECAT 等［15］討論了在加工不同碳纖維方向的CFRP 工件時，切削溫度對加工質量的影響。結果表明，在熱機械負荷作用下，高速切削會導致靠近加工表面纖維向切削方向彎曲，如圖2所示。

圖2 切削熱對加工表面不同方向纖維的影響［15］Fig.2 The influence of cutting heat on fibers in different directions［15］

鮑永杰［16］通過建立三維CFRP 制孔溫度場模型，研究了切削熱對加工缺陷的影響，但模型的建立是基于外部加熱，與實際加工中的溫度場尚存在差異。BRINKSMEIER［17］采用熱電偶測溫法，測得CFRPAl-Ti 疊層材料的鉆削溫度和螺旋銑孔溫度，通過對比不同切削溫度加工后的表面質量，得到切削溫度是影響CFRP 表面質量重要因素的結論。El-HOFY［18］發(fā)現對CFRP 進行切削加工時，大部分切削功轉換為熱量，約50%的切削熱被刀具吸收，遠大于金屬材料的18%，且切削溫度會直接影響刀具的磨損和使用壽命。CFRP 的切削過程中，切削刃的磨粒磨損是致使切削溫度上升的一個重要原因［19］。因此，切削熱會對CFRP加工質量產生一定影響。

綜上可知，切削熱是除切削力外影響工件切削加工質量的另一重要因素。尤其對于CFRP 這類導熱性差，但對熱敏感性較強的材料，其切削加工過程的熱問題更不容忽視。從相關研究文獻來看，目前針對切削熱對CFRP 加工質量的影響研究還主要停留在表層現象上，缺乏從深層次進一步揭示切削熱對材料損傷機理的研究。此外，針對CFRP 切削熱的建模研究，目前多集中于整體結構的熱傳導建模，還缺乏從材料多尺度角度建立材料與工件、介質間的理論模型研究。

3 CFRP切削熱的影響因素

3.1 工件因素

由于CFRP 為脆性材料，在切削加工過程中材料的破壞主要為脆性斷裂，由塑性變形所產生的熱量較少，因此CFRP 整體切削熱較低。但CFRP 比熱容較大，切削過程中由切削區(qū)產生的切削熱傳入工件的速度比傳入刀具的速度更快，導致大部分切削熱傳入工件內部。此外，纖維熱導率也存在各向異性，使得CFRP 切削加工時不同纖維方向角的熱量分配比也不同［9］。

實際上，CFRP 材料自身的熱物理性質（比熱容、纖維熱導率等）也受溫度影響［24］。在CFRP 切削加工過程中，隨切削溫度的增加，材料的熱物性參數并非一成不變。切削加工中的熱物性參數動態(tài)變化，必然會對加工中的工件溫度場產生影響，進而影響基體樹脂對纖維的約束和支撐作用。另外，CFRP 在成型過程中所形成的固化缺陷也會對切削熱的形成與分布產生影響。因此，今后對CFRP 切削熱的研究，在工件因素方面還應考慮材料的熱物性參數及固化缺陷的影響。

3.2 加工工藝因素

切削速度、進給速度等工藝參量直接參與工件加工的整個過程，同樣會通過影響切削熱或切削溫度而間接影響最終切削加工質量。WANG［13］研究指出，CFRP 切削過程中，切削速度是影響切削溫度的關鍵參數，其次是進給速度和徑向切削深度。HA［25］通過對CFRP 進行干式切削試驗得出，切削溫度隨著切削速度增加而增加，但隨切削深度增加，切削溫度上升的趨勢較為緩慢，由于深抗力的影響，當Vc＞200 m/min 時切削溫度上升趨勢相比Vc＜200 m/min時緩慢［7］。針對CFRP鉆削加工過程，MERINOPéREZ［21］通過切削速度對CFRP 鉆削過程散熱性能的影響發(fā)現，與低切削速度相比，高切削速度導致更嚴重的基體開裂和孔進/出口裂縫，但未觀察到基體明顯燒蝕或熱解等損傷，這表明基體的熱損傷需要在切削溫度高于基體分解溫度時才會產生。QUAN［23］研究指出，鉆削溫度取決于材料去除率和切削時間；當進給速度較低時，增加轉速或進給量會導致鉆孔溫度上升，而當進給速度超過一定值時，隨著轉速或進給量增加鉆削溫度則會降低。SORRENTINO 等［26］利用新開發(fā)的溫度測量方法測得CFRP 鉆削的溫度歷程，通過實時溫度分析獲得了切削溫度隨切削速度和進給速度的變化趨勢。結果表明，刀具的最高溫度隨切削速度的增加而增大，隨進給速度的增加而減小。而對于相應的工件，當進行低速鉆削時，在距離工件孔表面1 和3 mm 處的切削溫度隨進給速率的增加而減小，但在高切削速度下切削溫度幾乎恒定。

由此可以看出，切削熱或切削溫度與切削工藝參量之間的關聯機制不是單純的線性關系，其對加工質量的影響更不是簡單的線性疊加。因此，準確表征CFRP 切削工藝參量與切削熱或切削溫度的關聯關系，還需要進行更為系統(tǒng)和深入的研究。

3.3 刀具因素

作為外部載荷作用的直接載體，切削刀具直接參與到與工件材料的接觸和摩擦，因此刀具自身（包括刀具材料和結構）都會對切削溫度的形成產生顯著影響。在進行CFRP 切削加工時，所使用刀具參數不同，對切削溫度的影響程度也存在差異。

在刀具材料方面，王奔［27］通過對比硬質合金、金剛石涂層、PCD 三種不同材料刀具鉆削CFRP 的過程，發(fā)現金剛石涂層刀具能使切削溫度降低40%，PCD 刀具能使切削溫度降低52%。通過對比硬質合金鉆頭與高速鋼鉆頭的鉆削CFRP 的過程，發(fā)現硬質合金鉆頭產生的鉆削溫度低于高速鋼鉆頭［23］。

在刀具結構方面，相關研究表明［7］，增大刀具前角γ0能夠降低CFRP 材料的切削溫度，但達到一定程度后若繼續(xù)增大γ0，會由于散熱體積減小而導致切削溫度不降反升。由于CFRP 存在各向異性，因此在相同前角的情況下，前角γ0對θ=0°方向切削溫度的影響大于θ=90°方向。同時由于更大的后角α0能有效地緩解工件回彈后工件表面與后刀面的摩擦，因此，更大的刀具后角，切削溫度較低。文獻［9］發(fā)現刀具幾何參數對CFRP 不同纖維方向角的接觸面積存在影響，而接觸面積的增大會使工件的熱量分配比下降。CHANG［28］通過使用9種不同刀尖半徑的硬質合金刀具對CFRP 材料進行切削來研究切削溫度，結果表明刀尖半徑r=0.3 mm 時，產生的切削溫度最低。

通過相關研究不難發(fā)現，切削刀具是產生切削熱并進一步影響工件加工質量的重要因素，而切削熱的產生進一步增加了切削刀具的熱磨損等損傷的產生趨勢。尤其對于CFRP 這類對加工溫度更為敏感的復合材料，刀具的熱磨損、工件材料的熱燒蝕以及纖維/基體界面因材料軟化而導致的纖維支撐失穩(wěn)等問題必須引起高度重視。因此，無論從刀具材料上還是其結構特征上，厘清切削熱與切削刀具的內在影響機制，是進行加工質量控制的前提和基礎。

4 切削熱控制策略

為抑制CFRP 切削加工過程切削熱的產生，降低切削溫度對工件和刀具的熱影響，提高工件加工質量，學者們嘗試從開發(fā)新工藝方面開展了大量工作。殷俊偉［9］使用外部噴冷空氣冷卻的加工方法降低加工過程中工件累積的熱量來抑制加工損傷的產生。王福吉［29］通過減少單次切削厚度的方法（小齒進給）對CFRP 進行切削加工，結果表明該方法可降低材料熱軟化率和切削熱對加工過程的影響。HA［25］等利用渦流管和具有干冰作為制冷劑的熱交換器進行低溫切削加工，發(fā)現在低溫條件下進行高速加工可有效降低切削溫度、切削阻力以及工件表面的加工缺陷。XIA［30］指出深冷有助于提高刀具的耐磨性能，在CFRP鉆孔加工時使用低溫冷卻能提高鉆孔質量。

除采用低溫方式來控制切削熱外，學者們針對超聲振動抑制切削熱產生的方法也進行了系列研究。XU［31］對比有無超聲波輔助CFRP 切削過程，發(fā)現在無超聲輔助時，工件在切削一段時間后切削溫度不斷上升并超過基體Tg；在利用超聲輔助切削時，由于刀具高頻運動，導致刀具與工件的相互作用時間減小以及切屑去除效率增加，從而大大降低了工件升溫速率，進而使切削熱最小化，工件和刀具的系統(tǒng)溫度始終保持在樹脂Tg以下，確保材料在脆性模式下進行切削來獲得較好的加工質量。XU［32］研究同樣發(fā)現通過超聲高頻振動可快速排屑、降低CFRP工件升溫速率和熱量積聚，并指出對刀具進行結構優(yōu)化設計，有助于排屑和加快散熱速率。

雖然學者們通過開發(fā)各類新型工藝來抑制CFRP 切削加工過程的切削熱產生做出了許多大膽的嘗試，也取得了一定的成果，但由于實施環(huán)境、應用場合、加工效率以及工藝成本等問題，現有新型工藝方法還未能廣泛推廣。因此，面向CFRP 低切削熱、高品質切削加工的切削熱抑制策略和新型工藝開發(fā)仍然任重而道遠。

5 展望

（1）在CFRP 切削熱的形成機理研究方面，現有關于切削熱在加工系統(tǒng)中的分配研究局限性較大，且針對切削熱在工件中分布的研究較少。為準確表征切削熱的分配機制，今后有必要從力熱耦合角度來進一步建立切削熱理論模型。

（2）在切削熱對CFRP 加工質量影響方面的研究還主要停留在表層直觀現象上，缺乏更深層次切削熱對工件產生損傷的機理研究，特別是刀具疲勞磨損產生熱損傷的機理，還需深入研究。而針對這一部分的模型大多為整體熱傳導，缺少從多尺度方面建立考慮材料熱物性參數的切削熱理論模型。

（3）在CFRP 切削熱影響因素研究方面，各因素對加工質量的影響不是簡單的線性疊加，尚需在現有研究基礎上，進一步厘清與表征各影響因素與切削熱的內在關聯。

（4）在CFRP 切削熱控制策略方面，學者們嘗試從開發(fā)新工藝方面開展了大量研究，但受于多種局限性，現有新型工藝方法還未能普及和推廣，因而切削熱的控制策略及新型工藝開發(fā)仍任重道遠。