“工业母机—复合材料加工”专题 | 高性能热塑性复合材料型面铣削性能研究

专题文章（八）

袁信满, 宋戈, 胡晓杭, 鞠鹏程, 周文昌, 杜强. 高性能热塑性复合材料型面铣削性能研究[J]. 制造技术与机床, 2026(5): 72-80. DOI: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2026.05.008

袁信满①② 宋戈① 胡晓杭②

鞠鹏程② 周文昌① 杜强①

（①成都飞机工业（集团）有限责任公司

②大连理工大学高性能精密制造全国重点实验室）

研究背景

新一代碳纤维增强高性能热塑性复合材料（CFRTP）凭借高比强度、优异耐冲击性、可回收性及高效生产特性等优势，为现代工业领域的轻量化设计提供了关键支撑。CFRTP在航空航天、国防军工、交通运输、生物医药等高端装备领域的应用潜力逐步凸显，已成为当前国际复合材料领域的研究的热点方向。其中，碳纤维增强聚醚醚酮（CF/PEEK）复合材料作为 CFRTP 体系中综合性能最为优异的代表之一，因其在力学性能、热稳定性等方面的突出表现，引发了学者们对其的广泛关注。虽然CF/PEEK零件可采用近净成形工艺制造，但为满足尺寸和装配需求，必须进行面型铣削等二次加工。由于CF/PEEK具有层状结构和各向异性，加之热塑性基体表现出高韧性和热敏性，在加工过程中极易出现切屑黏附，从而诱发多种复杂的加工损伤。这些损伤会使工件的加工精度难以得到有效保证，从而限制了CF/PEEK的进一步应用。

基于此，开展了针对CF/PEEK复合材料型面铣削性能的系统研究。通过实验与分析，系统揭示了不同纤维取向、进给量及刀具前倾角条件下切削力、切削温度及表面质量的演变规律。在此基础上，进一步探讨了冷却对CF/PEEK型面铣削加工性能的影响。本研究加深了对CF/PEEK型面铣削加工特性的理解，为其高性能制造工艺的优化提供了支撑。

研究内容

（1）CF/PEEK型面铣削力热演变规律

在CF/PEEK复合材料的面铣削加工中，切削力与切削温度随进给速度的提升呈现显著的正相关性。这一现象源于进给速度增加导致每齿切削厚度增大，进而使刀具在材料切除过程中需克服更大的变形抗力；同时，更高的切削力做功转化为热能耗散，促使切削温度进一步升高。纤维取向对铣削力的影响显著，当纤维取向为135°时，铣削力达到峰值，其根本原因在于该取向下纤维断裂模式发生转变：纤维并非由刀尖直接剪切断裂，而是受前刀面挤压导致弯曲-拉伸复合断裂，此过程需消耗更高的能量。相应地，135°取向下的切削温度亦为最高，反映出能量耗散与热生成的耦合效应。前倾角对Fx和 Fy影响较弱，其主要作用体现在Fz上。对于 0°、45°和 90°纤维取向，Fz随着前倾角的增加呈下降趋势；而在135°纤维取向下，Fz 反而有所增加，根源在于随着前倾角的增大，刀具侧刃在材料中的切削速度增大，加剧了纤维的挤压变形程度。值得注意的是，随着前倾角的增大，铣削温度整体呈下降趋势。对于0°、45°和 90°纤维取向，温度降低主要归因于铣削力减小，从而切削热生成减少。对于135°纤维取向，尽管铣削力增加会导致切削热上升，但随着刀具倾斜程度增加，刀具底刃部分区域与已加工表面的接触面积减小，从而降低了摩擦热的产生，最终使铣削温度有所降低。这一发现为CF/PEEK高效低损伤加工提供了工艺优化新思路。

（2）CF/PEEK型面铣削表面完整性分析

表面粗糙度随进给速度的增大而增加，这主要归因于每齿材料去除厚度增大，从而加剧加工损伤；此外，进给速度提高还会导致铣削力增大，引发加工振动增强，加剧表面粗糙度度的恶化。不同纤维取向下的表面粗糙度存在明显差异。其中，0°纤维取向的表面粗糙度最高，这是因为材料去除并非通过切削刃直接切削，而是通过前刀面挤压待切除材料，并在最终加工表面发生界面剥离。加工表面呈现纤维横截面，由于纤维横向强度较低，在刀刃圆弧及后刀面挤压下易产生横向裂纹，同时纤维横截面呈圆弧状，微观尺度上形成凹凸不平，导致粗糙度较高。相比之下，45°纤维取向主要通过切削刃剪切材料而失效，加工表面相对平整；90°纤维取向下，纤维主要受切削刃挤压作用断裂，由于断裂难度增加，其表面粗糙度略高于45°纤维取向。对于135°纤维取向，材料在前刀面挤压下发生弯曲断裂，但其表面粗糙度与45°纤维取向相近，这可能是由于135°纤维取向下铣削温度最高，树脂涂覆现象更为严重，从而降低了表面粗糙度。

（3）冷却策略对CF/PEEK加工性能的影响

切削液冷却在铣削过程中具有显著的热调控作用。一方面，流体冲击可有效排出切屑，减少热量在切削区的积聚，降低切削温度；另一方面，液体传热介质通过增强对流换热进一步带走热量。此外，切削液中的润滑成分可减小刀具与工件间的摩擦，从而进一步降低温度。与干式切削相比，切削液显著降低了表面粗糙度，根因在于铣削温度降低使材料的强度和模量增强，纤维受约束力增加，断裂前弯曲变形及面下损伤减小；同时，切削液的流动有利于切屑排出，使切削刃更有效地去除材料，从而改善表面质量；综合对比，切削液冷却在0°和90°纤维取向下的表面粗糙度平均降低了0.933 μm和0.653 μm。

结语

本研究旨在填补高性能热塑性复合材料型面铣削性能研究的空白，首次系统地开展了针对CF/PEEK复合材料型面铣削性能的研究，并针对加工质量较差的纤维切削角工况，探讨了冷却对加工质量提升影响。主要结论如下：铣削力、铣削温度及表面粗糙度均随进给速度的增大而升高。不同纤维取向下，135°取向产生的铣削力和铣削温度最高，0°取向表面质量最差，其次为90°取向。随着前倾角的增大，0°、45°和90°纤维取向的铣削力逐渐减小，而135°纤维取向的铣削力则呈上升趋势。铣削温度随前倾角增大而降低。表面粗糙度则表现出先降低后升高的变化规律，在本文研究范围内，前倾角为20°时可获得较优的加工表面质量。切削液冷却能够显著降低铣削温度。尽管铣削力略有上升，但仍可明显改善热塑性复合材料的加工质量，在0°和90°纤维取向下，表面粗糙度平均降低值分别为0.933 μm和0.653 μm。

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