碳纖維增強復合材料加工技術研究

本書圍繞碳纖維復合材料加工理論及應用技術這個核心主題，詳述了CFRP切削機理和加工損傷形成機制，并介紹了適用于CFRP加工的螺旋銑削加工方法和鉆削刀具，旨在為解決CFRP構件高質和高效加工難題提供基礎理論和技術指導。本書將CFRP螺旋銑削加工方法作為切入點，理論創新性明顯。

碳纖維增強復合材料（carbon fiber reinforced plastics，CFRP）是碳纖維及樹脂材料構成的層疊結構非均質材料，具有高比模量、高比強度、耐腐蝕、抗疲勞等優良特性，廣泛應用于航空航天及軍工領域，其應用比例已成為評價航空航天飛行器等產品先進性的重要標志之一。在CFRP構件的制造過程中，制備連接孔是一個核心環節，其加工質量的優劣直接關系構件的安全性和可靠性。因此，高質高效的孔加工技術的研究對于提高CFRP構件的性能具有至關重要的意義。
作為一種疊層材料，CFRP在孔加工過程中極易受到軸向力和加工溫度的影響，導致材料產生分層、撕裂等加工損傷。這些損傷不僅影響構件的外觀，更重要的是會導致構件強度下降，嚴重影響其性能。因此，降低這些損傷的方法是目前的研究重點。
隨著CFRP應用的不斷擴大，對于其加工技術的研究也越來越受到關注。目前，國內外對于CFRP加工技術的研究主要集中在以下方面。
（1）材料特性的研究
CFRP是一種具有特殊性質的材料，其材料特性對加工過程有著重要的影響，因此，研究CFRP的特性對孔加工過程的影響也是當前的重要研究方向之一；
（2）加工工藝的研究
加工工藝是影響CFRP加工質量的重要因素之一，研究不同的加工工藝對材料的影響，探索最佳的工藝參數是當前的重要研究方向之一；
（3）加工參數的研究
加工參數是CFRP孔加工過程中的重要影響因素之一，研究不同的加工參數對加工質量的影響，探索最佳的加工參數是當前的重要研究方向之一；
（4）刀具和鉆頭的研究
在CFRP的孔加工過程中，刀具和鉆頭是直接與材料接觸的部分，研究適合于CFRP加工的刀具也是當前的重要研究方向。本書圍繞CFRP的材料特點，從螺旋銑削加工工藝出發，對CFRP螺旋銑削過程中切削力、切削熱、新型刀具及加工策略進行了研究。
本書針對CFRP在實際工程中的應用，在著者多年的理論及實驗研究的基礎上參考部分相關資料編寫而成，在此向這些作者表示誠摯的謝意。
由于著者理論水平及實踐工作經驗有限，書中難免存在不足和疏漏之處，敬請同行和廣大讀者批評指正。

著者
2023年10月

本書從碳纖維增強復合材料（CFRP）的組成出發，結合碳纖維增強復合材料的成型方法、結構特性，在綜合討論現有加工技術的基礎上，對碳纖維增強復合材料螺旋銑削加工技術中的加工特性、切削力、溫度場進行了研究，并設計開發了新型碳纖維增強復合材料螺旋銑削專用刀具及高效抑損加工策略，以提高碳纖維增強復合材料的加工質量。全書共8章，包括緒論、CFRP加工研究現狀、CFRP常用加工工藝、CFRP螺旋銑削工藝及切削力特性研究、CFRP螺旋銑削切削溫度場預測研究、CFRP螺旋制孔低損傷加工新型刀具設計研究、新型刀具加工性能及高效抑損加工策略研究、結論及展望。
本書可供從事碳纖維增強復合材料產品研制、零件加工、難加工材料切削工藝、先進刀具研發等領域的從業者閱讀參考，也可供高等學校機械制造等相關專業的師生學習參考。

第1章緒論001
1.1復合材料定義及分類001
1.2CFRP概述005
1.2.1碳纖維的發明及制備工藝006
1.2.2常見碳纖維的型號及性能008
1.2.3常用基體材料特性010
1.2.4CFRP構件成型方法011
1.3CFRP的應用016

第2章CFRP加工研究現狀021
2.1CFRP加工中的損傷021
2.1.1CFRP常見損傷形式021
2.1.2CFRP鉆削分層損傷形成機制026
2.2CFRP切削機理國內外研究現狀030
2.2.1CFRP加工切削力研究030
2.2.2CFRP加工質量研究032
2.2.3CFRP加工切削溫度研究034

第3章CFRP常用加工工藝038
3.1CFRP鉆削工藝038
3.1.1CFRP鉆削切削力研究039
3.1.2CFRP鉆削加工切削熱研究041
3.1.3刀具磨損043
3.1.4CFRP鉆削工藝改進045
3.2CFRP制孔特種加工工藝048
3.3CFRP螺旋銑削加工工藝050

第4章CFRP螺旋銑削工藝及切削力特性研究056
4.1螺旋銑削工藝特性研究056
4.1.1螺旋銑削加工原理056
4.1.2螺旋銑削切削力特性實驗研究058
4.2CFRP螺旋銑削工藝參數對加工性能的影響規律060
4.2.1切削參數對軸向力的影響060
4.2.2刀具尺寸對刀具磨損的影響規律062
4.2.3銑鉆比對加工效果的影響066
4.3螺旋銑削刀具運動特性及切屑特征研究069
4.3.1螺旋銑削刀具運動學分析069
4.3.2螺旋銑削切屑特征分析070
4.4螺旋銑削切削力建模075
4.4.1螺旋銑削切削力模型的建立075
4.4.2切削力系數的辨識079
4.4.3切削力系數辨識結果及模型驗證082

第5章CFRP螺旋銑削切削溫度場預測研究085
5.1CFRP螺旋銑削加工溫度對加工質量的影響085
5.2CFRP螺旋銑削加工溫度特性研究088
5.2.1CFRP螺旋銑削加工溫度的測量089
5.2.2CFRP切削參數對切削溫度的影響091
5.2.3銑鉆比對CFRP螺旋銑削溫度的影響093
5.3加工過程溫度場預測模型研究094
5.3.1CFRP螺旋銑削切削熱源建模094
5.3.2CFRP螺旋銑削加工溫度場模型097
5.3.3移動熱源模型100
5.3.4模型驗證101

第6章CFRP螺旋制孔低損傷加工新型刀具設計研究105
6.1CFRP低損傷螺旋制孔新型刀具105
6.1.1CFRP螺旋銑削出口損傷形成過程分析106
6.1.2CFRP低損傷螺旋制孔原理108
6.1.3刀具結構設計111
6.1.4CFRP低損傷螺旋制孔新型刀具幾何模型117
6.2低損傷螺旋制孔新型刀具切削力特性研究120
6.2.1低損傷螺旋制孔新型刀具切削力時變模型120
6.2.2低損傷螺旋制孔新型刀具切削力模型驗證122
6.2.3低損傷螺旋制孔新型刀具切削力特性分析124
6.3低損傷螺旋制孔新型刀具加工溫度場預測模型127
6.3.1低損傷螺旋制孔新型刀具切削力熱通量計算127
6.3.2低損傷螺旋制孔新型刀具切削力加工溫度場預測127
6.3.3加工溫度對比132

第7章新型刀具加工性能及高效抑損加工策略研究134
7.1新型刀具加工質量檢測與分析134
7.1.1出入口質量分析134
7.1.2加工損傷去除過程137
7.1.3孔壁加工質量分析138
7.2刀具加工性能對比141
7.3CFRP螺旋制孔高效抑損加工策略研究145
7.3.1CFRP螺旋制孔高效抑損加工原理及控制策略145
7.3.2CFRP螺旋制孔高效抑損加工策略有效性驗證149

第8章結論及展望156
8.1主要結論156
8.2未來展望158

參考文獻159