碳纤维复合材料因其具有高比强度、高比模量、良好的抗疲劳性和抗腐蚀性等优点，目前已广泛应用于航空航天、轨道交通、高端医疗等领域，为了满足这些领域高精装配要求，碳纤维复合材料制件需要进行机械加工以获得良好的加工表面质量。由于碳纤维复合材料有着各向异性、层间强度低、硬度高、导热性差等特点，在切削过程中会产生基体开裂、分层、纤维拔出等缺陷，属于典型的难加工材料。

　　研究人员以单向碳纤维复合材料为研究对象，通过改变不同的纤维方向角度进行铣削试验，从切削力、切口质量和刀具磨损等方面对碳纤维复合材料的加工机理进行分析，为碳纤维复合材料铣削加工表面质量的改善和刀具的优选提供基础。

       试验采用超声辅助五轴加工中心，碳纤维复合材料实验板采用压条压板的方式进行装卡，试验用刀具为硬质合金多刃铣刀。试验采用中模高强碳纤维增韧环氧树脂预浸料单向铺贴制备而成的复合材料试样，铺层共32层，试件厚约6mm。选用4种纤维方向角θ（0°、45°、90°和135°）。

　　不同纤维方向角θ下碳纤维复合材料铣削时的最大切削力F由大到小分别对应的纤维方向角为θ=0°、θ=45°、θ=1359和θ=90°。研究人员分析认为,碳纤维垂直于纤维轴向的剪切强度小于其轴向的拉伸强度,所以当刀具切削纤维时，垂直于纤维切削所需切削办小于平行于纤维拉断纤维所需切削力。当纤维方向角θ依次为0°、45°、135°和90°时,刀具垂直于纤维轴向切削的几率逐渐增大,平行于纤维轴向切削的几率逐渐减小,综合作用下,铣削力F逐渐减小。

　　切削比能是指去除单位体积( 1mm³)材料所消耗的能量，是评价刀具切削性能的重要指标之一。 研究不同纤维方向角θ切削比能由大到小的顺序分别为: θ=0°、0=45°、 8=135°和0=90°。当纤维方向角θ≥90°，其切削性能要优于θ<90°，纤维方向角θ=90°时，其切削性能最优；纤维方向角为0°时，其切削性能最差。

　　当纤维方向角θ=135°时.其已加工表面粗糙度值最大；纤维方向角θ=45°时，其已加工面表面粗糙度值最小。即当切削方向顺着纤维铺层方向时，其切口质量较好,而当切削方向逆着纤维铺层方向时，其切口质量较差。

　　刀具磨损量和切削力是相互作用、相互关联的两个参量。同时可以得知，不同纤维方向角对刀具磨损作用由大到小依次为θ=0°、θ=45°、θ=135°和θ=90°方向。分析认为刀具后刀面磨损主要由回弹的纤维对后刀面的摩擦造成。当纤维方向角为θ=0°时，刀具对纤维层有压迫的切削分力，纤维层产生变形，切削时刀具离开，纤维层恢复形状，对后刀面产生挤压摩擦，而0°纤维的回弹量最大，故该层纤维处刀具的后刀面磨损最大。

　　研究人员由上述试验得出纤维方向角对切削力与刀具磨损程度的影响关系如下：

　　(1)在碳纤维复合材料层合板铣削加工时，纤维方向角θ对切削力和切削比能有一定的影响。当纤维方向角θ≥90 ，其切削性能要优于0<90°时，纤维方向角θ=90°，其切削性能最优；纤维方向角为0°时，其切削性能最差。

　　(2)纤维方向角θ是影响碳纤维复合材料层合板铣削加工表面质量的重要因素。通过对切口形貌及粗糙度的分析，纤维方向角θ=45°时，其已加工表面质量最好；当纤维方向角θ为135°时，其已加工表面质量最差。即当切削方向顺着纤维铺层方向时，其切口质量较好，而当切削方向逆着纤维铺层方向时，其切口质量较差。

　　(3)在碳纤维复合材料层合板铣削加工时，不同纤维方向角θ对刀具磨损作用不一样。磨损量由大到小依次为θ=0°、θ=45°、θ=135°和θ=90°。

       (4)在碳纤维复合材料层合板铣削加工时,应综合考虑纤维方向角对切口质量和刀具寿命影响,尽量使刀具切削方向垂直于纤维方向进行.且避免逆切情况。

       阅读延伸：《碳纤维板在制孔时最容易出现的几种加工缺陷》