碳纤维增强树脂基复合材料（以下简称碳纤维复合材料）轻质、高强，对于“一克重就是一克金”的航空、航天、交通等领域高端装备减重增效，具有非同寻常的意义。

然而由于碳纤维复合材料细观呈多相混合态、宏观层叠、各向异性，加工中在力、热的作用下，与金属等各向同性均质材料相比，碳纤维增强树脂基复合材料的失效行为及去除机理迥异，传统加工理论和技术难以实现高性能要求的碳纤维复合材料构件高质高效加工，严重制约了碳纤维复合材料的推广与应用。

“高性能碳纤维复合材料构件高质高效加工技术与装备”科研成果，从源头上解决了碳纤维复合材料在加工中出现的具有挑战性的难题，即加工中极易产生损伤、且随机不可控，构件性能难以精确计算，构件的高性能要求难以保证等问题，实现了碳纤维复合材料构件加工基础理论的源头创新，将我国碳纤维复合材料构件加工技术推进到国际先进水平。

首先，在碳纤维复合材料切削原理研究方面取得重大突破，揭示了碳纤维复合材料加工去除机理和加工损伤产生机制，建立了适合碳纤维复合材料加工的新切削理论体系。

该理论体系阐明了导致碳纤维复合材料构件出现毛刺、撕裂和分层等加工损伤的根本原因；通过材料、力学、机械多学科交叉研究，揭示加工过程中细观纤维断裂、树脂及界面开裂直至宏观成屑的演化过程，建立了切削力和切削过程动态仿真模型，为加工工具和加工工艺的创新设计提供了理论支撑。

其次，在碳纤维复合材料加工损伤抑制原理上，实现多项原创性发明，并研制出制孔、铣削等系列加工工具。

提出了微刃力小化抑制损伤原理，实现加工过程的“微元去除”；通过巧妙设计工具以及切削运动的配合，发明了“反向剪切”原理，实现表层纤维有效切断。基于“微元去除”和“反向剪切”原理，先后发明三类9个系列的制孔、铣削等加工刀具，加工损伤由原来的厘米、毫米量级减至0.1毫米内，加工理论与技术进入国际领先水平。刀具寿命高于进口刀具的2-7倍，价格仅为1/6-1/4。“微元去除、反向剪切”等系列技术获多项发明专利。

第三，关于加工损伤抑制工艺，揭示出碳纤维复合材料切削质量随温度的变化规律，发明了负压逆向冷却和具有自风冷排屑功能的系列加工工艺。

创建了典型构件加工工艺数据库。他们大胆尝试工艺创新，发明了在位随行加工方法、低应力柔性工装和随动除尘装置，研发出13台套数控加工工艺装备，填补了国内空白，成为我国航空航天多个重点型号复合材料关键构件加工的唯一装备。

第四，碳纤维复合材料加工切削理论的建立，实现了碳纤维复合材料加工损伤的有效抑制，解决了碳纤维复合材料机械加工中损伤易发且随机不可控的难题，为加工损伤控制和构件性能可预测、可计算以及高性能制造奠定了基础，为碳纤维复合材料在高端装备中的应用，提升高端装备的性能提供了前提和保证。该科研成果在航天一院、三院、中航工业和商飞等企业被推广应用。

某新型航天装备舱段、某航天装备超长窄缝结构关键构件、某航天器舱段异型盲窗、某飞行器构件异型深腔，某航空装备机翼结构中的大厚板边缘轮廓及超大孔，某重型飞机调节板，某系列直升机旋翼及尾端，大型客机平尾钛合金/复材叠层验证件和机身筒段复材/铝叠层验证件，高铁复材车身试验件等；以上关键构件加工难题的成功解决，为国家重大装备、重点型号研制、定型及批量生产作出重要贡献，对提升高端装备性能和核心竞争力具有重要推动作用。

此外，研发团队在精密测试方向上取得了令人瞩目的成绩。研究成果成功应用在“嫦娥落月”火箭发动机推力矢量测量上；开发了一系列火箭发动机推力测试的系列装置。

完成某型航空装备载荷投放风洞试验技术研究。克服了高速气流、空间狭小、照度灰暗、电磁干扰大等恶劣环境限制，实现了风洞试验载荷投放过程中，舱门打开、载荷投放、载荷初始位姿及空间运动过程的各种参数的测试，成功研发了测试装置，圆满完成任务。

碳纤维行业行业科普达人苏格拉伟博士，就该技术做了详细来解读贾振元教授的这项发明成果，了解这项技术发明的来龙去脉。

既然是技术发明，那一定是一项解决了某种问题的新的解决方案。所以今天的解读从两方面展开，先说说解决了什么问题，再说说贾振元教授的解题方案。

碳纤维复合材料不用做过多介绍，既然关注了这个公众号，必然会有一些了解。我们做碳纤维复合材料部件，肯定要涉及很多打孔、切削、铣削等加工工艺。但是碳纤维复合材料是由碳纤维和树脂组成，与金属材料相比，复合材料加工复杂得多，因为其内部的碳纤维和树脂加工特性明显不一样，尤其是层间强度明显低于其他方向。

这就带来几个问题，首先当刀具切削力大于层间强度的时候，很容易顶开最外边基层材料，产生撕裂损伤。也就是碳纤维复合材料一层一层叠起来，像书本一样。当切削或者钻孔到最后几层厚度的时候，有可能就会把最后的几层撕裂，看起来就像下图这个样子。

其次第二个问题，碳纤维强度高，刀具难以切断，很容易造成表面毛刺现象，降低了工件结构完整性和增大了装配误差。

最后一个问题，刀具和碳纤维复合材料摩擦生热，肯定使接触面温度过高，可能会造成基体树脂的软化、烧蚀，从而带来结构损伤。而且切削产生的碎屑不容易排出。

试题已经准备好了，就看大连理工大学的贾振元教授如何解答。我们没有更多的资料来了解这项技术发明的完整情况，不过从大连理工官网发布的消息和贾振元教授申请的专利，我们可以得到这项技术的大概轮廓。

首先针对碳纤维复合材料表层撕裂和纤维毛刺问题，贾振元教授提出了“微元去除”和“反向剪切”相结合的方案，我们分别了解一下。

所谓“微元去除”，就是减小刀具单刃切削量，来降低切削过程的分层和撕裂损伤的可能。也就是贾教授认为切削过程发生分层和撕裂，是因为切得太猛了。步子迈的大，容易扯着蛋。应该小步快跑，减小切削。像考古似的，先用挖掘机、然后用铁锹、最后用小毛刷，才不容易损坏文物。

所谓“反向剪切”，就是表面几层材料撕裂，是因为切削方向有刀具向外顶，而外部没有力约束着最外边几层的材料，所以会发生撕裂。解决之道就是，最外边几层利用刀具从反方向的切削，来防止撕裂行为的发生。

所以，贾振元教授解决撕裂损伤和剥层的技术方案就是：首先利用一系列的公式计算碳纤维复合材料可能会在切削到什么程度的时候会发生撕裂现象，然后先利用“微元去除”的办法小步快跑的进行切削，到达计算的容易发生撕裂的程度，翻转刀具，从反向进行加工，防止撕裂产生。

以上技术方案记录在公开号为：CN201610975600的专利公开文件中。

对于切削过程容易产生温度过高和切屑不容易排出的问题，贾振元教授提出的方案是“负压逆向冷却”和“自风冷排屑”方案。先上一个示意图：

同样，这是一个贾振元教授申请的专利文件的附图。多余的解释不说了，最主要的有两个亮点。一是在钻头外部加了一个罩子，这个罩子与复合材料表面形成一个密闭的空腔，然后在在编号为11的小口进行抽真空。

第二个亮点就是钻头尖部有一个小孔，我怕大家看不到，专门做了备注。这个小孔是一个气孔，加工的时候，气体从这里吹出，然后从上面说的11口排出去，这个过程不但把切削过程产生的热量带走，也吹走了切屑。

这还没完，上边不是说最外边几层材料没有支撑嘛。加工的时候，容易发生撕裂。贾振元教授的这个方案钻头尖部这个小孔可以在还剩下最后几层材料的时候，改吹起为吸气，利用钻头外边的这个罩子里面形成的真空，外部大气压会压着最外边几层材料向内，从而防止发生撕裂损伤。

以上技术方案记录在专利号为：CN201610392258的专利授权文件中。

是不是发现解决方案也没什么特别高大上的地方？其实在贾振元教授的专利文件中，列举了大量的公式和原理来进行说明，可以看出还是做了大量的理论研究的。加工问题算是复合材料里面的一个小众问题了，能获得国家技术发明一等奖，说明不怕问题小，就怕不较真。任何一个小问题，或许也可以产生巨大的研究成果。

来源：严说一点

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