“工業母機—復合材料加工”專題 | 大連理工大學王福吉教授團隊：復合材料薄壁構件銑削顫振研究綜述

專題文章（一）

作者簡介

王福吉

大連理工大學

特聘教授、博導

• 國家級領軍人才、科技部創新領軍人才、教育部新世紀優秀人才等

• 參與獲國家技術發明獎一等獎、國家科技進步獎一等獎（創新團隊獎）、教育部技術發明獎一等獎，牽頭獲遼寧省科技進步獎二等獎、大連市科技進步獎一等獎等多項獎勵

• 長期從事復合材料零件加工、復合材料增材制造、加工過程檢測與控制等方面的研究工作

作者簡介

付 饒

大連理工大學

特聘教授、博導

• 國家級青年人才、大連理工大學“星海青千”人才等

• 牽頭獲遼寧省技術發明一等獎、機械工業技術發明一等獎等多項獎勵

• 長期從事高性能復合材料構件高質高效切削加工理論、關鍵技術與裝備的研究等方面的研究工作

作者簡介

鄧 俊

大連交通大學

講師、碩導

• 大連市“青年才俊”

• 長期從事復合材料及其薄壁構件切削加工等方面的研究工作

鄧俊, 王福吉, 蔡春剛, 林永權, 付饒. 復合材料薄壁構件銑削顫振研究綜述[J]. 制造技術與機床, 2026(5): 7-22. DOI: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2026.05.001

鄧俊①②③ 王福吉② 蔡春剛③ 林永權② 付饒②

（①大連交通大學機械工程學院

②大連理工大學機械工程學院

③科德數控股份有限公司）

研究背景

碳纖維增強樹脂基復合材料（carbon fiber reinforced polymer, CFRP）因其具有高比強度、高比剛度、耐腐蝕、抗疲勞等優異性能，被廣泛應用于航空航天、新能源汽車、軌道交通、風電裝備及高端醫療器械等領域。全球CFRP市場需求持續增長，由2008年的約5.6萬噸增長至2025年的約30.58萬噸。隨著高端裝備減重增效要求的不斷提高，CFRP構件正逐步邁向大型薄壁曲面化的新階段。與此同時，CFRP薄壁曲面構件的大量應用也對高質量、高效率和高可靠性的精密加工技術提出了更高要求。然而CFRP薄壁曲面構件由于其自身的剛性欠缺，在加工過程中動態特性復雜多變，極易產生顫振現象，從而降低了CFRP薄壁構件加工表面質量，嚴重影響構件的裝配精度及服役性能。因此，銑削顫振機理分析及其抑制技術研究已成為CFRP高質量加工領域的重要研究課題。

基于此，分別從CFRP薄壁構件銑削顫振產生機理、銑削力預測、構件動力學參數辨識及顫振抑制方法等方面系統論述了國內外對CFRP銑削顫振的研究進展，詳細對比分析了各原理、模型及方法的優缺點，并對CFRP薄壁構件銑削顫振的后續研究方向進行了歸納，為CFRP薄壁構件高質量加工技術研究提供理論參考和技術支撐。

研究內容

（1）CFRP銑削顫振機理

一般將顫振分為摩擦型顫振、振型耦合型顫振和再生型顫振3種。通過研究發現再生型顫振是CFRP銑削振動的主要形式，并且切削過程受纖維切削角度及切削層數影響，顫振產生機制更加復雜。顫振影響因素可以系統地歸納為機床因素、工件因素、刀具因素以及切削用量因素等。

（2）薄壁CFRP銑削力模型

銑削力的預測方法和途徑大致可以分為基于試驗的經驗模型、基于物理模型的有限元法和解析模型3種。解析法主要包括平均力法、瞬時力法和優化法3種。目前，針對CFPR瞬時切削時材料與球頭銑刀的復雜作用關系，建立的慮及纖維切削角及鋪層方向的CFRP宏觀瞬時銑削力預測模型最大誤差小于18.4%，有效提高了CFRP銑削力預測的準確性。

（3）薄壁件銑削動力學參數辨識

傳統方法通過錘擊模態實驗、頻響函數測試和有限元分析獲得工件的固有頻率、阻尼比、模態剛度等參數。然而，隨著銑削過程中材料不斷被去除，工件質量、剛度和模態特性會持續變化，使動力學參數呈現明顯的時變特征。目前，針對CFRP薄壁工件表面銑削過程，考慮工件各向異性及層疊特性的材料特點，開發能夠快速且準確地獲取工件時變動力學參數的策略，對于提升銑削加工穩定域的計算精度，具有重要的研究意義和價值。

（4）薄壁件銑削顫振抑制方法

薄壁件的加工顫振的抑制方法主要包括：調整切削參數，如適當降低主軸轉速、調整進給量和切削寬度，以及優化刀具角度，以避開共振點，減少切削過程中的振動；改善機床及刀具的夾持方式，提高加工系統的剛性，如使用彈性系數較高的刀柄或加入動態減振器，以吸收沖擊能量；優化刀具設計，如使用鋒利的刀片、減小刀尖圓弧半徑、選擇合適的刀具角度等，以降低切削力，從而減少振動；采用加工過程中的監控技術，如對加工過程進行實時監測，及時識別顫振的發生，進而尋思調整工藝參數以更有效地控制切削過程中的振動。這些方法已在實際應用中被證明是有效的，并廣泛應用于各種機械加工領域。

結論與未來

隨著CFRP薄壁構件在高端裝備領域的應用逐漸增多，銑削顫振已然成為限制其精密加工性能提升的關鍵瓶頸。現有研究圍繞顫振演化機理、銑削力建模、動力學參數辨識與顫振抑制技術展開系統性探究，其中再生型顫振為現階段研究重點；形成經驗建模、有限元仿真與解析建模三類銑削力預測方法；借助模態試驗與數值仿真實現工藝系統動力學參數的實時獲取，并從切削參數優化、輔助支撐裝夾、減振刀具構型設計、加工過程在線監測等維度建立完備的顫振抑制體系。后續研究將聚焦多形式顫振耦合作用機理，開發新加工裝備和工具，并推動可持續發展與環保的CFRP加工抑振技術的工程化應用。

近年團隊發表文章

[1] Pengcheng Ju, Rao Fu, Gang Wei, Fuji Wang*, Xiaohang Hu, Yuntong Sun, Dekun Yin, Peng Wang. Novel milling cutter structure for high-quality milling of CF/PEEK composites via enhanced shear cutting[J]. Composites Part B: Engineering, 2026, 315: 113465.

[2] Fuji Wang, Changlin Du, Shiwei Zhang, Liang Zhao, Jiachang Tian, Rao Fu*. Effects and optimization of temporary fastening parameters on drilling deformation of thin-walled CFRP/Ti stacks[J]. Thin-Walled Structures, 2026, 225: 114840.

[3] Xiaohang Hu, Fuji Wang, Gang Wei, Pengcheng Ju, Rao fu, Zhenyuan Jia. Micromechanical deformation mechanism and modeling of CF/PEEK cutting[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2026, 320: 111648.

[4] Changlin Du, Rao Fu*, Wenhao Zhai, Jinlong Liu, Guanping Cui, Meng Zhao, Fuji Wang. Impact variation of workpiece stiffness on drilling of CFRP/Ti thin stacks[J]. Journal of Manufacturing Processes, 2025, 141: 627-637.

[5] Fuji Wang，Pengcheng Ju, Gang Wei, Xiaohang Hu ,Rao Fu*. Tool wear behavior and machining performance under the influence of chip adhesion when drilling CF/PEEK[J]. Wear, 2025, 574: 206091.

[6] Fuji Wang, Xiaohang Hu, Rao fu*, Lianheng Ge, Pengcheng Ju, Zhenyuan Jia. Theoretical analysis of cutting mechanisms for CF/epoxy and CF/PEEK considering their elasto-plastic properties[J]. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2025, 196: 109007.

[7] Gang Wei, Rao Fu*, Pengcheng Ju, Xiaohang Hu, Zhenyuan Jia, Fuji Wang, Norbert Geier. Cutting temperature prediction for carbon fiber-reinforced thermoplastic composites considering anisotropic-plastic features[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2025, 303: 110668.

[8] Jun Deng, Fuji Wang, Rao Fu*, Yongquan Lin, Qingsong He, Xing Ma . Prediction of time-varying dynamics and chatter stability analysis for surface milling of thin-walled curved CFRP workpiece[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2023, 322: 118186.

[9] Deng J, Wang F, Lin Y, et al. An unequal pitch ball-end milling cutter with micro-groove structure for suppressing CFRP milling chatter based on coordinated regulation of time delay effect and milling force[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2025, 137(3): 1437-1456.

[10] 付饒,翟文浩,張世維,等. 基于實驗-仿真協同分析的CFRP鉆削多尺度粉塵彌散機制研究[J]. 機械工程學報, 2025, 61.

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