西北工业大学罗明教授团队：碳纤维增强树脂基复合材料特种加工综述丨JME文章推荐

引用论文

葛佳, 傅国宇, 邹云鹤, 罗明. 碳纤维增强树脂基复合材料特种加工综述[J]. 机械工程学报, 2025, 61(7): 77-97.

GE Jia, FU Guoyu, ZOU Yunhe, LUO Ming. A Review of Non-conventional Machining of Carbon Fibre Reinforced Plastic Composite[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2025, 61(7): 77-97.

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碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon fiber reinforced plastic，CFRP)具有高比强度、高比模量、可设计性强、耐腐蚀耐疲劳等优良特性，在航空航天、交通运输、风电能源及医疗等领域广泛应用。然而，其各向异性、非均质性、层间强度低和温度敏感性增加了加工难度，传统机械加工方法存在刀具磨损严重、加工表面质量及尺寸精度难以控制等问题，易产生分层、毛刺、纤维脱粘和表面空洞等加工缺陷，严重降低碳纤维增强树脂基复合材料构件的服役性能和可靠性。针对上述挑战，特种加工技术逐步受到研究和应用。西北工业大学罗明教授团队针对激光束加工、电火花加工、水射流加工和超声振动加工四个最为广泛应用的特种加工技术展开综述，详细介绍各个特种加工技术的优势与存在的挑战，对缺陷形成机理进行分析，并总结缺陷抑制方法，最后归纳各特种加工技术的适用场景并得出结论展望未来研究。综述表明：与传统机械加工相比，特种加工在微细结构、高精度、复杂形状工件加工方面展现出独特优势；但是其材料去除率显著低于传统机械加工，因此在大批量加工中仍难以完全替代传统机械加工。未来研究应着重探索特种加工工艺优化、特种与传统加工的复合工艺、专用化与智能化装备开发等方面，同时关注电子束、离子束等其他特种加工工艺的潜力。特种加工技术将对提升先进复合材料加工的精度与效率有着重要意义，将推动高性能材料朝着更广泛的应用场景迈进 。该团队的研究成果以题为《碳纤维增强树脂基复合材料特种加工综述》发表在《机械工程学报》2025年第7期。

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行业现状

碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）因具有高比强度、高比模量、良好的可设计性和耐疲劳性能，在航空航天领域得到广泛应用。然而，其各向异性和非均质结构特征、层间强度低及温度敏感性，使传统机械加工面临刀具磨损严重、加工质量与精度难以控制等问题，易产生分层、毛刺和孔隙等缺陷。为解决上述难题，特种加工技术逐渐受到关注。本文综述了激光束加工、电火花加工、水射流加工和超声振动加工等典型特种加工方法，分析其技术特点、存在问题及未来发展方向。

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研究难点或瓶颈

尽管特种加工技术相较于传统机械加工在碳纤维增强树脂基复合材料加工中展现出显著优势，但其应用过程中仍面临诸多问题与挑战，各类特种加工方法均存在一定局限性。例如，激光加工易产生加工表面锥度，并可能由于热影响区的存在引发分层、开裂、基体烧蚀及材料去除不均匀等缺陷；电火花加工和电化学加工则受制于碳纤维增强树脂基复合材料导电性不足，加工效率和加工质量难以进一步提升；水射流加工过程中也易出现毛刺、分层及表面锥度等问题。

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展望

针对碳纤维增强树脂基复合材料特种加工过程中存在的缺陷与技术瓶颈，未来研究需从特种加工工艺机理、复合工艺及装备智能化等方面协同推进。

在特种加工工艺方面，应深入研究激光加工中表面锥度与热影响区缺陷的形成机制，结合机器学习与物理模型提升工艺参数预测与优化能力；针对电火花加工受限于材料导电性的问题，可通过材料改性/表面涂层等手段提升其可加工性；水射流加工需进一步优化加工参数与磨料特性以抑制分层和坡口缺陷；超声振动加工则应重点关注多维振动轨迹的损伤抑制机理及高精度振动控制技术。

同时，特种加工与传统机械加工相结合的复合加工工艺（如激光辅助切削、电火花辅助磨削等），有望兼顾效率与质量，但在复合材料领域仍需加强机理、工具及参数优化研究。此外，面向高精度与复杂结构加工需求，发展专用化、智能化加工装备，通过多传感器监测与自适应控制实现加工过程的智能优化，将是推动复合材料加工技术发展的重要方向。

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代表性图片

图1 碳纤维增强树脂基复合材料特种加工面临的主要挑战及解决方法

作者及团队介绍

罗明，西北工业大学教授、博导、机电学院副院长，国家自然科学基金优青项目负责人、西北工业大学翱翔青年学者，硬质合金全国重点实验室副主任、航空发动机高性能制造工业和信息化部重点实验室主任，兼任中国机械工程学会生产工程分会副主任委员、中国空天动力联合会先进制造及材料技术专委会副主任、中国航发集团科技委专委会委员、中国航空工业集团智能制造创新中心技术委员会委员、中国刀协切削先进技术研究分会副理事长、《机械科学与技术》副主编、《Chinese Journal of Mechanical Engineering》与《硬质合金》编委。主要从事CAD/CAM、复杂零件智能加工、航空复材制造等方面的研究，主持国家科技重大专项、国家自然科学基金重点类项目等10余项；在国内外高水平学术期刊与会议发表论文60余篇，出版中英文学术著作3部，授权国家发明专利50余项，牵头成果获国防科学技术进步奖二等奖1项。

葛佳，西北工业大学学士、英国贝尔法斯特女王大学博士、爱尔兰都柏林大学博士后，研究方向为航空热塑性复合材料加工制造。近五年以第一/通讯作者在Composites Part A/B, Composite Structures等机械制造、复合材料领域著名期刊发表学术论文10余篇，担任《Advances in Manufacturing》等期刊青年编委。

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团队介绍

航空发动机高性能制造团队围绕国家科技发展战略需求，依托全国重点实验室、工信部重点实验室、教育部工程研究中心等4个高水平科研平台，针对制约航空发动机长寿命、高可靠性发展的问题，以航空发动机高性能制造为研究目标，面向航空发动机结构-材料-工艺一体化发展需求，开展基础研究和应用基础研究，建立航空发动机高性能制造理论和方法，突破复杂结构精确成形与制坯、复杂薄壁结构高效精密加工、关键构件抗疲劳制造和制造过程智能控制等重大关键和共性技术，拓展航宇复材构件高性能制造、能场辅助加工、智能装备与系统、仿生检修机器人等前沿方向，形成了自主可控的发动机高性能制造核心技术和协同创新体系，实现了产学研合作、成果转化与型号应用，取得了一批高水平成果。

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近两年团队发表文章

[1] Jia Ge, Zequan Yao, Ming Wu, José Humberto S. Almeida Jr, Yan Jin, Dan Sun. Tackling data scarcity in machine learning-based CFRP drilling performance prediction through a Broad Learning System with Virtual Sample Generation (BLS-VSG). Composites Part B: Engineering, 2025, 305:112701.

[2] Jia Ge, Guoyu Fu, José Humberto S Almeida Jr, Yan Jin, Dan Sun. Thermal effect in CFRP machining: Temperature field characteristics, heat generation mechanism and thermal damage management. Composite Structures, 2025, 356:118845.

[3] Menghua Zhang, Chenwei Shan, Ziwen Xia, Fangchao Jia, Ming Luo. Dynamic mechanical model in grinding C/SiC composites. International Journal of Mechanical Sciences, 2024, 268:109042.

[4] Zequan Yao, Puyu Zhang, Ming Luo. Extreme learning machine oriented surface roughness prediction at continuous cutting positions based on monitored acceleration, Mechanical Systems and Signal Processing, 2024, 219:111633.

[5] Yong Sheng, Geng Zhang, Yingfeng Zhang, Ming Luo, Yifan Pang, Qinan Wang. A multimodal data sensing and feature learning-based self-adaptive hybrid approach for machining quality prediction, Advanced Engineering Informatics, 2024, 59:102324.

作 者：葛 佳

责任编辑：杜蔚杰

责任校对：张 强

审 核：张 彤

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