“工業母機—復合材料加工”專題 | 高性能熱塑性復合材料型面銑削性能研究

專題文章（八）

袁信滿, 宋戈, 胡曉杭, 鞠鵬程, 周文昌, 杜強. 高性能熱塑性復合材料型面銑削性能研究[J]. 制造技術與機床, 2026(5): 72-80. DOI: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2026.05.008

袁信滿①② 宋戈① 胡曉杭②

鞠鵬程② 周文昌① 杜強①

（①成都飛機工業（集團）有限責任公司

②大連理工大學高性能精密制造全國重點實驗室）

研究背景

新一代碳纖維增強高性能熱塑性復合材料（CFRTP）憑借高比強度、優異耐沖擊性、可回收性及高效生產特性等優勢，為現代工業領域的輕量化設計提供了關鍵支撐。CFRTP在航空航天、國防軍工、交通運輸、生物醫藥等高端裝備領域的應用潛力逐步凸顯，已成為當前國際復合材料領域的研究的熱點方向。其中，碳纖維增強聚醚醚酮（CF/PEEK）復合材料作為 CFRTP 體系中綜合性能最為優異的代表之一，因其在力學性能、熱穩定性等方面的突出表現，引發了學者們對其的廣泛關注。雖然CF/PEEK零件可采用近凈成形工藝制造，但為滿足尺寸和裝配需求，必須進行面型銑削等二次加工。由于CF/PEEK具有層狀結構和各向異性，加之熱塑性基體表現出高韌性和熱敏性，在加工過程中極易出現切屑黏附，從而誘發多種復雜的加工損傷。這些損傷會使工件的加工精度難以得到有效保證，從而限制了CF/PEEK的進一步應用。

基于此，開展了針對CF/PEEK復合材料型面銑削性能的系統研究。通過實驗與分析，系統揭示了不同纖維取向、進給量及刀具前傾角條件下切削力、切削溫度及表面質量的演變規律。在此基礎上，進一步探討了冷卻對CF/PEEK型面銑削加工性能的影響。本研究加深了對CF/PEEK型面銑削加工特性的理解，為其高性能制造工藝的優化提供了支撐。

研究內容

（1）CF/PEEK型面銑削力熱演變規律

在CF/PEEK復合材料的面銑削加工中，切削力與切削溫度隨進給速度的提升呈現顯著的正相關性。這一現象源于進給速度增加導致每齒切削厚度增大，進而使刀具在材料切除過程中需克服更大的變形抗力；同時，更高的切削力做功轉化為熱能耗散，促使切削溫度進一步升高。纖維取向對銑削力的影響顯著，當纖維取向為135°時，銑削力達到峰值，其根本原因在于該取向下纖維斷裂模式發生轉變：纖維并非由刀尖直接剪切斷裂，而是受前刀面擠壓導致彎曲-拉伸復合斷裂，此過程需消耗更高的能量。相應地，135°取向下的切削溫度亦為最高，反映出能量耗散與熱生成的耦合效應。前傾角對Fx和 Fy影響較弱，其主要作用體現在Fz上。對于 0°、45°和 90°纖維取向，Fz隨著前傾角的增加呈下降趨勢；而在135°纖維取向下，Fz 反而有所增加，根源在于隨著前傾角的增大，刀具側刃在材料中的切削速度增大，加劇了纖維的擠壓變形程度。值得注意的是，隨著前傾角的增大，銑削溫度整體呈下降趨勢。對于0°、45°和 90°纖維取向，溫度降低主要歸因于銑削力減小，從而切削熱生成減少。對于135°纖維取向，盡管銑削力增加會導致切削熱上升，但隨著刀具傾斜程度增加，刀具底刃部分區域與已加工表面的接觸面積減小，從而降低了摩擦熱的產生，最終使銑削溫度有所降低。這一發現為CF/PEEK高效低損傷加工提供了工藝優化新思路。

（2）CF/PEEK型面銑削表面完整性分析

表面粗糙度隨進給速度的增大而增加，這主要歸因于每齒材料去除厚度增大，從而加劇加工損傷；此外，進給速度提高還會導致銑削力增大，引發加工振動增強，加劇表面粗糙度度的惡化。不同纖維取向下的表面粗糙度存在明顯差異。其中，0°纖維取向的表面粗糙度最高，這是因為材料去除并非通過切削刃直接切削，而是通過前刀面擠壓待切除材料，并在最終加工表面發生界面剝離。加工表面呈現纖維橫截面，由于纖維橫向強度較低，在刀刃圓弧及后刀面擠壓下易產生橫向裂紋，同時纖維橫截面呈圓弧狀，微觀尺度上形成凹凸不平，導致粗糙度較高。相比之下，45°纖維取向主要通過切削刃剪切材料而失效，加工表面相對平整；90°纖維取向下，纖維主要受切削刃擠壓作用斷裂，由于斷裂難度增加，其表面粗糙度略高于45°纖維取向。對于135°纖維取向，材料在前刀面擠壓下發生彎曲斷裂，但其表面粗糙度與45°纖維取向相近，這可能是由于135°纖維取向下銑削溫度最高，樹脂涂覆現象更為嚴重，從而降低了表面粗糙度。

（3）冷卻策略對CF/PEEK加工性能的影響

切削液冷卻在銑削過程中具有顯著的熱調控作用。一方面，流體沖擊可有效排出切屑，減少熱量在切削區的積聚，降低切削溫度；另一方面，液體傳熱介質通過增強對流換熱進一步帶走熱量。此外，切削液中的潤滑成分可減小刀具與工件間的摩擦，從而進一步降低溫度。與干式切削相比，切削液顯著降低了表面粗糙度，根因在于銑削溫度降低使材料的強度和模量增強，纖維受約束力增加，斷裂前彎曲變形及面下損傷減小；同時，切削液的流動有利于切屑排出，使切削刃更有效地去除材料，從而改善表面質量；綜合對比，切削液冷卻在0°和90°纖維取向下的表面粗糙度平均降低了0.933 μm和0.653 μm。

結語

本研究旨在填補高性能熱塑性復合材料型面銑削性能研究的空白，首次系統地開展了針對CF/PEEK復合材料型面銑削性能的研究，并針對加工質量較差的纖維切削角工況，探討了冷卻對加工質量提升影響。主要結論如下：銑削力、銑削溫度及表面粗糙度均隨進給速度的增大而升高。不同纖維取向下，135°取向產生的銑削力和銑削溫度最高，0°取向表面質量最差，其次為90°取向。隨著前傾角的增大，0°、45°和90°纖維取向的銑削力逐漸減小，而135°纖維取向的銑削力則呈上升趨勢。銑削溫度隨前傾角增大而降低。表面粗糙度則表現出先降低后升高的變化規律，在本文研究范圍內，前傾角為20°時可獲得較優的加工表面質量。切削液冷卻能夠顯著降低銑削溫度。盡管銑削力略有上升，但仍可明顯改善熱塑性復合材料的加工質量，在0°和90°纖維取向下，表面粗糙度平均降低值分別為0.933 μm和0.653 μm。

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