1.6　先进复合材料的切削加工特点

先进复合材料因具有轻质、高比强度、高比模量等优良特性在许多领域已取代金属材料获得广泛的应用。在过去几十年里，复合材料已大量应用于航天、航空和造船等工业， 而且这种趋势仍在继续。这些材料成型后大都需要机械加工来获得所需的尺寸精度，但由于复合材料具有硬度高、强度大、导热性差、各向异性以及离散性等特点，属于难加工材料。

纤维增强树脂基复合材料的加工有一定难度，但难度尚不大，硬颗粒增强金属基复合材料的切削加工难度很大。主要问题是刀具急剧磨损和切出的表面质量差。绝大多数金属材料是均质和各向同性的， 而复合材料往往是非均质和各向异性的。因此， 复合材料应力与变形之间的关系比传统材料复杂得多，基体与增强体之间的协同效应对复合材料受力后的行为有重大影响。虽然复合材料的基体一般都是普通材料， 但是复合材料的增强体通常都是高强度或高硬度的材料。因此， 复合材料中的增强体是基体塑性变形的障碍， 这使得复合材料的切削变形机制不同于普通金属材料， 如何提高刀具的使用寿命和获得优良的切削表面成为加工复合材料的挑战性问题。

迄今， 车、铣、刨、钻、铰、磨等多种传统工艺方法和放电、激光、电化学、磨料流等特种工艺方法都已被尝试用于复合材料零件成型加工。由于复合材料基体和增强体性能的差异， 使得不论是应用传统工艺方法还是特种工艺方法， 所加工的复合材料表面都显著地不同于普通均质材料表面， 复合材料的已加工表面包含大量的加工所致的缺陷是其鲜明的特征。

复合材料的已加工表面包含大量的加工所致缺陷， 增强体的特性和取向分布、刀具条件是决定复合材料已加工表面形貌的主要因素。对长纤维增强的复合材料， 已加工表面上既有突出的纤维，也有失去纤维而留下的凹槽和孔洞， 缺陷的类型和分布与加工方向密切相关。对短纤维或晶须增强的复合材料， 在机械加工中增强体被拔出或脱落的现象比长纤维增强体时更常见。颗粒增强复合材料的已加工表面存在凹坑、碎颗粒、犁沟、基体涂抹等多种缺陷， 增强颗粒粒度大小对复合材料的已加工表面形貌影响非常大。

复合材料表面层在加工中经受了切削高温，已加工表面包含大量加工所致缺陷， 故表面硬度甚至低于未加工材料。加工中被切削表面的皮下层材料经历了比较大的塑性变形， 而其温度低于表面， 加工所致缺陷也少， 所以此层材料通常发生显著的加工硬化。此层以下材料加工后硬度变化不大。含有细小增强体的复合材料加工硬化效应更显著。

切削热和基体塑性变形是复合材料加工后宏观残余应力的原因。由于增强体与基体的热膨胀系数、弹性模量相差悬殊， 微观上复合材料切削变形区的应力状态很复杂， 界面协同效应制约着增强体与基体之间的变形和恢复。加工后复合材料表层究竟残留拉应力还是压应力取决于复合材料的具体结构和实际加工条件两方面。理论上， 凡使切削温度升高的因素都增大在已加工表面残余拉应力的倾向。实践上， 加工后复合材料表面常残余压应力， 或表面加工缺陷使大部分热应力和弹性恢复应力均被释放。