大连理工大学康仁科教授团队：碳纤维增强陶瓷基复合材料超声振动辅助铣削加工技术的研究进展丨JME文章推荐

学术 2024-11-22 18:03 北京

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引用论文

董志刚, 王中旺, 冉乙川, 鲍岩, 康仁科. 碳纤维增强陶瓷基复合材料超声振动辅助铣削加工技术的研究进展[J]. 机械工程学报, 2024, 60(9): 26-56.

DONG Zhigang, WANG Zhongwang, RAN Yichuan, BAO Yan, KANG Renke. Advances in Ultrasonic Vibration-assisted Milling of Carbon Fiber Reinforced Ceramic Matrix Composites[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2024, 60(9): 26-56.

http://www‍.cjmenet.com.cn/CN/10.3901/JME.2‍0‍24‍.0‍9.‍02‍6

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碳纤维增强陶瓷基复合材料(C_f/SiC复合材料)具有良好的化学和热稳定性、高比强度、耐高温以及低密度等优点，被广泛应用于航空航天、高速列车以及核能等领域。目前陶瓷基复合材料构件普遍采用近净成形技术制备，但仍需进行二次加工以满足最终装配的尺寸精度和几何公差。然而，由于C_f/SiC复合材料具有各向异性和多相非均质的材料特性，其高效低损伤加工需求备受关注。大连理工大学康仁科教授团队系统地综述了文献报道的Cf/SiC复合材料超声振动辅助铣削加工技术相关研究进展。首先概述了陶瓷基复合材料传统机械加工以及特种能场辅助加工技术的研究现状。其次，从陶瓷基复合材料超声振动辅助铣削加工过程中直角切削试验和有限元仿真两方面总结了材料去除机理和超声作用机制；介绍了陶瓷基复合材料超声振动辅助铣削中切削力建模的方法和陶瓷基复合材料加工表面损伤及其剩余强度方面的研究。最后，分析了陶瓷基复合材料超声振动辅助铣削加工的发展趋势以及展望未来研究方向。他们的研究成果以题为《碳纤维增强陶瓷基复合材料超声振动辅助铣削加工技术的研究进展》发表在《机械工程学报》2024年第9期。

行业现状

聚焦碳纤维增强陶瓷基复合材料（C_f/SiC）的超声振动辅助铣削加工技术，系统总结了传统机械加工与特种能场复合加工技术的研究现状与发展趋势，结合直角切削实验、有限元仿真和力学建模，深入剖析了材料去除机理及铣削力建模方法，提出提升加工质量与效率的创新方案。文章围绕高超音速飞行器、航空发动机热端部件及热防护系统等领域的实际需求，强调陶瓷基复合材料作为下一代高温结构材料的关键应用潜力，通过引入超声振动、激光和电火花等非传统加工技术，解决加工过程中刀具磨损、表面质量和损伤控制等核心问题，并通过对国内外研究现状的对比，指出目前技术在工程应用中的局限与改进方向。最后，文章展望了未来在加工损伤控制、材料性能保留率和工艺优化等方面的研究方向，为推动陶瓷基复合材料从实验室研究向工程应用转化提供理论支持与实践参考。

图1 概述了国外以及国内的高超音速飞行器研究现状

图2 本文结构框架

论文亮点

陶瓷基复合材料传统机械加工和特种能场辅助加工技术现状

✦

1. 传统机械加工

关键技术突破：

刀具与工艺优化：

磨削深度、纤维取向对表面质量的控制；
利用MQL（微量润滑）润滑技术有效减少磨削力，提高表面完整性；
PCD（多晶金刚石）刀具的应用显著优化了脆性断裂和纤维拔出的加工问题。
国内外学者通过大量实验探索了不同刀具设计和工艺参数对陶瓷基复合材料加工的影响
针对传统机械加工的“难加工”特性（如高硬度、脆性和各向异性），研究提出调整切削速度和切削深度以实现加工效率与表面质量之间的平衡。

材料去除机制探索：

碳纤维增强陶瓷基复合材料（C_f/SiC）的去除形式主要包括基体裂纹、纤维断裂和界面脱粘等，国内学者量化了纤维取向与裂纹分布对材料损伤形式的影响，为提高加工精度提供了理论支持。
基于不同加工方法（磨削、铣削、钻削等）在材料表面产生的微观形貌差异，揭示了影响表面损伤和微观裂纹扩展的主要控制因素。

加工性能优化：

利用实验数据分析表明，提高切削速度可以显著改善表面质量，但切削深度的增加可能导致加工表面劣化。
探究了不同工艺参数对切削力、切削温度和表面粗糙度的影响规律，构建了加工参数与性能指标的关联模型。

图3 传统机械加工技术的研究内容及现状

2. 特种能场辅助加工

跨领域技术融合：

磨料水射流加工：

通过数值模拟与实验结合，研究了射流压力、进给速度等参数对加工表面层分层、开裂和崩边的影响，为优化水射流工艺提供了理论基础。
开发新型三维编织复合材料水射流铣削技术，显著提升了深宽比和加工精度。

激光加工：

高重复频率飞秒激光技术被用于加工复杂曲面，突破了传统激光加工热影响区大的局限性。
创新性提出“气体辅助激光水射流加工”技术，通过螺旋气体辅助模式提高了表面质量和制孔深度，达到了无重铸层、低热积累效果。

电火花加工：

采用高间隙电压和低占空比策略，大幅度提高陶瓷基复合材料的去除率，同时显著降低刀具磨损率，适应高硬度复合材料的精密加工需求。

超声振动技术的创新突破：

旋转超声辅助加工（RUM）：

与传统机械加工相比，超声辅助加工能将切削力降低23%，扭矩降低47.6%，并有效减少纤维拔出、表面凹坑等缺陷。
提出了旋转超声铣削的纤维切削角度周期变化模型，揭示了纤维断裂机制与表面形貌的内在关系。

多模式超声技术应用：

超声辅助铣削（UVAM）技术通过高频振动有效减少刀具磨损，显著降低加工温度，特别适用于加工复杂形状和高性能需求的陶瓷基复合材料。
创新性应用超声螺旋磨削制孔工艺，实现了陶瓷基复合材料装配孔更高的加工效率和表面精度。

技术整合与可持续性：

相比其他特种能场辅助加工方法（如激光或水射流），超声振动技术的高效、低损伤特性具有突出的工程适用性，同时便于与数控机床等现有设备集成，推广价值显著。
针对水射流加工的磨料浪费和环境污染问题，研究提出了改进型回收与再利用工艺，兼顾了环保与经济性。

图4 特种能场辅助加工技术的研究内容及现状

陶瓷基复合材料超声振动辅助铣削材料去除机理的研究现状

✦

1. 直角切削试验方面

研究纤维方向对材料去除机理的影响：不同纤维方向（纵向、横向、法向）在不同切削深度下表现出明显的去除机理差异，例如剪切行为主导或裂纹萌生导致损伤。
切屑形成机制的关键因素：切削深度和纤维取向显著影响切屑形貌，且切屑生成机制如脱粘-弯曲、切断-剪切直接关系到表面/亚表面损伤程度。
树脂基复合材料实验分析：UD-CFRP和CFRP材料的实验揭示了纤维方向与切削方式的关系，为材料加工优化提供了重要参考。

图5 不同纤维方向上 C/C 复合材料切削去除机理

2. 有限元仿真方面

超声振幅与纤维切削角度的协同作用：研究了超声振动参数对加工质量的影响，发现合理控制超声参数可以有效抑制裂纹与脱粘，提高加工效果。
单道与多道切削策略的对比：仿真研究表明多道切削可有效改善纤维断裂行为，提高表面和亚表面的完整性。
纤维方向和切削角度对加工行为的影响：通过仿真深入探讨不同条件下纤维断裂与损伤机制，揭示了材料去除行为的核心影响因素。

图6 C_f/SiC 复合材料超声振动辅助直角切削有限元仿真

3. C_f/SiC复合材料超声作用下的材料去除机制分析

超声振动对纤维断裂行为的调控作用：高频低振幅振动改变了纤维剪切应力分布，使剪切断裂模式占主导地位。
基于微观力学建模的表面形成机制研究：研究发现振幅变化可导致碳纤维局部断裂和表面质量差异。
纤维断裂模式与切削深度的相关性：研究揭示了从微脆性断裂到宏观脆性断裂的转变规律，并通过实验验证超声振动对表面质量的改善效果。

图7 超声振动辅助切削纬纱、经纱的表面形成机制示意及不同振幅下加工表面 SEM 图

图8 不同纤维取向切削时碳纤维断裂机制转变的示意及典型加工表面形貌图

陶瓷基复合材料超声振动辅助铣削的铣削力方面的研究

✦

超声振动辅助铣削技术的应用与发展

超声振动辅助铣削在硬脆材料加工中起到了关键作用，有助于降低铣削力、提高表面质量和刀具寿命。
当前研究重点在于优化超声辅助铣削的工艺参数，包括预测铣削力和建立切削力模型。

铣削力预测模型的多样化

铣削力预测模型分为三类：经验模型、有限元模型和瞬时铣削力模型。
经验模型通过实验数据建立回归公式，适用于预测切削参数。
瞬时铣削力模型则基于微切削单元的矢量和，更精准地预测切削力。

图9 陶瓷基复合材料铣削时切削力预测的随机模型分析方法的说明

陶瓷基复合材料超声振动辅助铣削加工损伤及剩余强度研究

✦

加工损伤产生的机制：

表面与亚表面损伤特征：陶瓷基复合材料超声振动辅助铣削过程中，表面损伤表现为纤维断裂、拔出、沟槽、基体裂纹等，亚表面则出现凹坑和裂纹等形式。
超声振动的抑制效应：超声振动通过产生侧向裂纹抑制径向裂纹扩展，从而显著减少亚表面损伤。
损伤机制的细致研究：例如，通过高速深磨研究发现基体晶粒的剥落引发裂纹源，揭示了裂纹扩展的临界长度对加工损伤的影响。

亚表面加工损伤检测技术方面：

多样化检测手段：

破坏性方法：包括氢氟酸刻蚀法、截面显微观测法、磁流变抛光法等，尽管精确但可能引入新损伤。
非破坏性方法：如X射线衍射法、工业CT技术、拉曼光谱法等，尽管成本高但对检测过程无损。

材料特性的挑战：因陶瓷基复合材料的各向异性及孔隙率高等特点，检测损伤需要提出组合式检测方法以平衡效率与准确性。

陶瓷基复合材料机械加工后剩余强度方面的研究：

疲劳强化效果研究：

旋转超声铣削技术可有效降低加工损伤，改善表面质量并保留较高的残余抗拉强度，证明其在抑制界面裂纹和提高强度保留率上的潜力。

加工参数的影响：研究表明，切削速度、进给量及加工方向对材料强度的影响显著，例如低进给速度虽然提高表面质量，但可能导致较低的弯曲强度。
优化加工工艺的方向：当前研究重点在于探索加工参数对表面质量和剩余强度的综合影响，以提升陶瓷基复合材料的疲劳寿命和力学性能。

图10 平面内、外加工对 2D C/C-SiC 复合材料弯曲强度以及旋转超声铣削 C/SiC 复合材料拉伸强度和疲劳性能的影响

图11 表面完整性对碳化硅颗粒增强铝基复合材料疲劳性能的影响研究

结论

C_f/SiC复合材料凭借其优异的材料特性和机械性能在航空发动机、热防护系统、制动系统、空间光学反射镜以及核防护等领域被广泛应用。而C_f/SiC复合材料的材料特性导致其加工具有一定挑战性，存在刀具磨损严重、切削力较大以及易发生脆性断裂等难题。C_f/SiC复合材料现有的加工方法主要有传统机械加工方法（切削、铣削、钻削和磨削等）以及特种能场辅助加工方法（激光、超声、电火花等能场辅助加工），其中超声振动辅助加工技术加工效率高、能有效降低切削力和切削温度，具有较高的应用前景和推广价值。

目前C_f/SiC复合材料超声振动辅助铣削加工中常用直角切削试验、有限元仿真等方法对其切屑形成机制和材料去除机理进行研究分析，发现在不同的纤维取向和切削深度下，材料去除机理有明显的不同；沿纤维纵向和横向切削时材料主要以界面裂纹的萌生和扩展方式去除，而沿纤维法向切削时纤维以弯曲断裂方式脆性去除。

超声振动辅助铣削可以通过改变超声振幅来提高加工表面质量，促进纤维以微脆性断裂方式去除。超声辅助铣削中高频、低振幅振动使摩擦力通过纤维轴向截面到径向截面偏转，增加了纤维剪切应力，材料主要以剪切断裂形式去除。此外，超声振动还能抑制了界面裂纹，阻碍了纤维裂纹的扩展。然而目前铣削力预测模型主要有经验公式和瞬时铣削力模型等，缺少考虑陶瓷基复合材料纤维随机分布、切削机理以及超声振动等因素，亟需研究编织结构以及界面失效机制对切削力的影响规律。

超声振动辅助铣削加工可以抑制加工损伤，其表面损伤主要有纤维断裂、纤维拔出、基体断裂以及界面脱粘等，而亚表面损伤有凹坑和裂纹等。此外，C_f/SiC复合材料加工过程中出现的加工损伤进而会影响材料加工后的剩余强度，虽然超声振动辅助铣削能有效降低加工损伤且加工后表面质量高，但超声参数和加工参数与剩余强度之间的关系仍不明确，剩余强度的映射关系和影响机制待进一步研究。

前景应用

陶瓷基复合材料超声振动辅助铣削加工中如何抑制加工损伤、评价加工质量是一个挑战，为帮助学者们充分了解陶瓷基复合材料超声振动辅助铣削加工技术方面的研究进展，以推动相关研究的进步，概括了未来陶瓷基复合材料加工方面潜在的研究内容和方向，以便为陶瓷基复合材料高质高效加工研究提供理论指导和技术支撑，早日实现高超声速飞行器的热防护系统、航空发动机热端构件以及制动系统等领域关键型号构件的高效低损伤加工。

(1) 深化特种能场辅助加工陶瓷基复合材料的去除机理、损伤形成以及质量评价方法等研究

(2) 研制技术成熟的多能场辅助加工专用装备

(3) 拓展多能场辅助加工技术的研究内容和技术推广应用

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作者及团队介绍

康仁科，教授，博士生导师，机械工程学院学术委员会主任，精密/特种加工与微制造教育部国防重点实验室主任。享受国务院特殊津贴专家，辽宁省“兴辽英才计划”杰出人才，辽宁省高等学校优秀人才，辽宁省杰出科技工作者，大连市尖端及领军人才。国家重点研发计划项目首席，基础加强重点项目首席。

兼任国际磨粒技术学会（International Committee of Abrasive Technology, ICAT）委员，中国机械工程学会极端制造分会副主任、生产工程分会常务委员、微纳米制造技术分会常务委员，中国机械工程学会生产工程分会磨粒加工技术专业委员会副主任、切削加工专业委员会常委委员、精密工程与微纳技术专业委员会常委委员，中国机械工程学会特种加工分会超声加工技术委员会副主任，中国机械工程学会摩擦学分会微纳制造摩擦学专业委员会常务委员，中国机械工业金属切削刀具协会切削先进制造技术研究会常务理事、对外学术交流工作委员会副主任、切削先进制造技术研究会自动化加工技术与系统委员会副主任。《International Journal of Extreme Manufacturing》和《Mechanical Engineering Science》副主编、《International Journal of Abrasive Technology》和《金刚石与磨料磨具工程》编委。

主持国家重点研发计划项目、基础加强计划重点项目、“973计划”项目课题、“863计划”项目课题、国家科技重大专项课题、国家自然科学基金重大研究计划集成项目课题和重点项目，国家自然科学基金重大项目课题、重点项目和面上项目、国防基础科研核科学挑战专题项目、总装预研项目、装发领域基金、教育部联合基金以及企业委托项目等。

研究成果获国家技术发明一等奖1项、国家技术发明二等奖1项、教育部技术发明一等奖2项、教育部科技进步一等奖1项、中国机械工业科学技术一等奖2项，辽宁省科学技术一等奖1项，省部级科技进步二等奖3项。出版专著3部，发表学术论文300多篇。授权国际发明专利6项、中国发明专利200多项。

主创作者团队主要研究方向

团队长期从事航空难加工材料高效加工技术研究工作。在精细陶瓷、激光晶体、光学玻璃和碳纤维增强复合材料等硬脆材料超声辅助磨削理论与技术、芳纶纸蜂窝及铝蜂窝等弱刚性材料超声切削理论与技术、大型复杂曲面测量技术等方面开展了大量研究，并针对不同材料特性开发其专用超声电源、超声刀柄、超声能量传输装置等结构单元，形成完整的超声振动加工系统，同时开发系列化超声工具及复杂曲面面形测量算法，相关研究成果已在航空航天等领域成功应用。

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作者：董志刚

责任编辑：杜蔚杰

责任校对：张强

审核：张强

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