復(fù)合材料加工技術(shù)在機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)課程中的教學(xué)嘗試
——以湖南科技大學(xué)為例

蘇 飛 ，鄧朝暉 ，曹 麗 ，孫富建

（1.湖南科技大學(xué)智能制造研究院，湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大學(xué) 教務(wù)處，湖南 湘潭 411201）

隨著科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，新型高性能的復(fù)合材料不斷出現(xiàn)。《新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展指南》明確指出，十三五期間，要進(jìn)一步鞏固擴(kuò)大我國(guó)前沿新材料領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)，高性能復(fù)合材料即在新材料6大門類之列[1]。復(fù)合材料憑借高強(qiáng)度、高硬度、輕質(zhì)、耐腐蝕、耐高溫等優(yōu)異性能，在當(dāng)前航空航天領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，在未來(lái)各領(lǐng)域中具有廣闊的運(yùn)用前景[2]。

隨著新技術(shù)、新產(chǎn)品、新業(yè)態(tài)和新模式蓬勃興起，美、德、中三國(guó)先后對(duì)國(guó)家制造業(yè)的發(fā)展分別做出“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”、“工業(yè)4.0”和“中國(guó)制造2025”等積極規(guī)劃，強(qiáng)調(diào)信息技術(shù)與制造業(yè)的深度融合，加劇國(guó)際間的人才競(jìng)爭(zhēng)。工程教育與產(chǎn)業(yè)發(fā)展緊密相聯(lián)，相互支撐，當(dāng)前形勢(shì)對(duì)工程教育的改革和發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn)。為此，近兩年，教育部推出“新工科”計(jì)劃，積極響應(yīng)我國(guó)“互聯(lián)網(wǎng)+”、“中國(guó)制造 2025”、“一帶一路”等國(guó)家重大戰(zhàn)略[3]。

機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)課程是機(jī)械類專業(yè)（包括材料成型及控制工程、機(jī)械電子工程、機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化）重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程之一，該課程的主要目的在于使學(xué)生掌握機(jī)械制造技術(shù)的基本理論、基本知識(shí)與基本技能，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決機(jī)械制造工程問(wèn)題的基本能力[4]，了解機(jī)械制造領(lǐng)域的最新成就和發(fā)展趨勢(shì)，為從事機(jī)械制造現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)工作及科學(xué)研究工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。課程內(nèi)容涵蓋切削加工基本要素和基本規(guī)律、加工工藝規(guī)程制定、加工精度、表面質(zhì)量、裝配工藝規(guī)程制定等內(nèi)容。所采用的教材為胡忠舉等主編的《機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)》（中南大學(xué)出版社，2011年）。該課程的內(nèi)容豐富、理論性和實(shí)踐性強(qiáng)，屬于典型的傳統(tǒng)工科課程。該課程的教學(xué)對(duì)學(xué)生今后從事相關(guān)制造行業(yè)能力提升的影響深遠(yuǎn)，然而，該課程的教學(xué)內(nèi)容基本針對(duì)傳統(tǒng)的均質(zhì)金屬材料，但復(fù)合材料的加工與傳統(tǒng)材料加工相差甚遠(yuǎn)。為應(yīng)對(duì)或呼應(yīng)“新工科”新形勢(shì)，遵從“項(xiàng)目導(dǎo)向”的教學(xué)方法，為增強(qiáng)學(xué)生對(duì)制造業(yè)發(fā)展趨勢(shì)的了解和提高學(xué)生對(duì)本課程的學(xué)習(xí)興趣，以培養(yǎng)復(fù)合型、綜合型人才為宗旨，筆者認(rèn)為可以針對(duì)當(dāng)前新材料應(yīng)用現(xiàn)狀及其加工制造過(guò)程，在本課程的教學(xué)過(guò)程中對(duì)復(fù)合材料加工中常出現(xiàn)的問(wèn)題、切削原理等進(jìn)行必要的、適當(dāng)?shù)慕榻B和補(bǔ)充，擴(kuò)展學(xué)生對(duì)機(jī)械制造知識(shí)的了解。

1　復(fù)合材料的應(yīng)用趨勢(shì)

隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展的突飛猛進(jìn)，新一代飛機(jī)逐漸以“輕質(zhì)化、長(zhǎng)壽命、高可靠、高效能、高隱身、高突防、低成本”為發(fā)展目標(biāo)，而先進(jìn)復(fù)合材料具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、可設(shè)計(jì)、抗疲勞、耐腐蝕、耐摩擦，以及易于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)/功能一體化等優(yōu)點(diǎn)[5]。先進(jìn)復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，成為繼鋁合金、鈦合金、合金鋼之后的四大航空結(jié)構(gòu)材料之一[6]。以碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Carbon Fiber-Reinforced Plastic，簡(jiǎn)稱CFRP）為例，該種材料已在逐步成為大型、寬體客機(jī)的首選結(jié)構(gòu)材料，主要用于機(jī)翼主梁、翼身結(jié)合處等關(guān)鍵承力部位，大大減輕結(jié)構(gòu)重量，提高飛機(jī)性能，表1[5]為部分飛機(jī)中使用CFRP材料的情況。在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的制造過(guò)程中，通常需要進(jìn)行大量的機(jī)械加工，例如，一架F-16戰(zhàn)斗機(jī)需要加工24萬(wàn)個(gè)連接孔，一架波音747需要加工300多萬(wàn)個(gè)連接孔[7]。然而，由于CFRP由纖維和樹脂基體復(fù)合而成，層間連接強(qiáng)度差、硬度高等，在機(jī)械加工中常出現(xiàn)纖維拔出、基體破損、分層、毛刺、撕裂等加工缺陷。對(duì)于該種材料加工質(zhì)量的評(píng)價(jià)不能簡(jiǎn)單沿用金屬材料加工質(zhì)量和加工精度的評(píng)價(jià)體系。

表1　航空領(lǐng)域CFRP材料的使用情況[5]

2　復(fù)合材料的切削機(jī)理

對(duì)于金屬材料的切削，可以將切削區(qū)域分成三個(gè)變形區(qū)：剪切變形區(qū)（第Ⅰ變形區(qū)）、刀具-切屑接觸區(qū)（第Ⅱ變形區(qū)）和刀具-已加工表面接觸區(qū)（第Ⅲ變形區(qū)）。金屬材料的去除本質(zhì)過(guò)程是金屬材料受擠壓不斷發(fā)生滑移變形的過(guò)程。切削過(guò)程中，隨著切削溫度的變化在前刀面上形成堅(jiān)硬的金屬堆積物-積削瘤。積削瘤的形成與切削速度存在密切關(guān)系，針對(duì)不同金屬材料可以將切削速度劃分3個(gè)區(qū)域：低速區(qū)、中速區(qū)（又分積削瘤增大和積削瘤減小區(qū)）、高速區(qū)，在低、高速區(qū)積削瘤不易形成。此外，金屬材料的切屑形態(tài)隨工況、材料類型的不同而不同，大體分為帶狀、節(jié)狀、粒狀和崩碎狀。為確保已加工表面的質(zhì)量，對(duì)于不同形狀的切屑還需進(jìn)行必要的斷屑處理。

復(fù)合材料主要是由兩種以上或者兩種不同性質(zhì)的特殊材料，經(jīng)化學(xué)或者物理處理后，復(fù)合形成具有全新特性和性能的新型材料。以碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料為例，該種材料以纖維為增強(qiáng)體，以樹脂等為基體，兩相材料屬性相差迥異。其中，通用型碳纖維強(qiáng)度和模量分別在1 000 MPa和100 GPa左右，高性能型碳纖維又可分為高強(qiáng)型（強(qiáng)度和模量分別在2 000 MPa和250 GPa左右）和高模型（模量在300 GPa以上），用量最大的是聚丙烯腈PAN基碳纖維。樹脂基體以環(huán)氧樹脂基體為例，環(huán)氧固化物一般能耐80℃～100℃的溫度，其固化收縮率小，一般為1%～2%，當(dāng)溫度達(dá)到200℃～300℃時(shí)，固化后的環(huán)氧樹脂不再進(jìn)入粘流態(tài)，而是逐漸發(fā)生熱解反應(yīng)，出現(xiàn)燒蝕現(xiàn)象，在300℃附近材料熱失重加速。因此，CFRP的切削機(jī)理與均質(zhì)金屬材料完全不同，其切削過(guò)程中表現(xiàn)出明顯的各向異性行為，而且環(huán)氧樹脂基體為薄弱環(huán)節(jié)，切削過(guò)程中切削區(qū)的最高溫度不能高于300℃[8].對(duì)于纖維復(fù)合材料的切削機(jī)理，以CFRP為例，當(dāng)前，學(xué)術(shù)界較為公認(rèn)的切削機(jī)理如圖1所示。以CFRP為例，其切削主要以碳纖維受擠壓、剪切、彎曲和拉伸后直接發(fā)生脆性斷裂而形成切屑[5，9-10]的切削機(jī)理為主，且與纖維取向存在密切關(guān)系：切削方向與纖維軸向一致（θ=0°/180°）時(shí)為層剝離斷裂機(jī)理，如圖 1（a）所示；切削方向與纖維軸向呈銳角（0°<θ<90°）時(shí)為擠壓剪切斷裂機(jī)理，如圖1（b）所示；切削方向與纖維軸向呈鈍角（90°<θ<180°）時(shí)為彎曲斷裂機(jī)理，如圖1（c）所示，該種切削機(jī)理下，纖維斷裂點(diǎn)在刀具下方，切削表面極易形成“凹坑”，切屑易成塊狀。此外，CFRP材料的切屑基本為粉末狀，切削過(guò)程不存在積削瘤。

圖1　CFRP材料的切削機(jī)理

3　復(fù)合材料加工刀具技術(shù)

刀具材料的選用和刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)對(duì)提高加工質(zhì)量、加工效率、刀具壽命等意義重大。在機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)課程第一章中，學(xué)生已經(jīng)了解到金屬加工中常用的刀具材料及其相關(guān)的材料屬性，比如，高速鋼、硬質(zhì)合金、超硬刀具材料（陶瓷、金剛石、立方氮化硼）等。刀具材料選用原則通常所選刀具材料的硬度應(yīng)高于工件材料，且刀具材料應(yīng)具備良好的耐磨性、較高的強(qiáng)度和韌性、較好的耐熱性，以及較好的工藝性能和經(jīng)濟(jì)性等。以CFRP材料為例，纖維增強(qiáng)材料硬度高，切削纖維增強(qiáng)復(fù)合材料時(shí)纖維對(duì)刀具的刻劃很嚴(yán)重，刀具的磨損很快，因此，需選擇硬度較高和具備良好耐磨性、耐熱性的刀具材料。目前，CFRP材料的加工中，常采用的刀具材料有硬質(zhì)合金（以YG6X為主）、金剛石（以聚晶金剛石PCD為主）和涂層刀具（以金剛石涂層為主）等。硬質(zhì)合金材料大部分以WC為基體，包括 WC-Co（YG 類）、WC-TiC-Co（YT 類）、WC-TaC（NbC）-Co（YA 類）和 WC-TiC-TaC（NbC）-Co（YW類）；金剛石材料有天然和人造金剛石之分，硬度高達(dá)10000HV，能刃磨出鋒利的刀刃；涂層材料能具備增強(qiáng)刃部切削性能的功效。在CFRP加工中，硬質(zhì)合金刀具的耐磨性能低于金剛石和涂層刀具。在此過(guò)程中，可以適當(dāng)展示各種刀具材料所加工的效果，并適當(dāng)?shù)姆治霾煌庸ばЧ脑颉Ｍㄟ^(guò)CFRP刀具材料的選用可以進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生對(duì)刀具材料及其相關(guān)性能的認(rèn)識(shí)，激發(fā)學(xué)生利用知識(shí)解決加工中實(shí)際問(wèn)題的能力，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

此外，可以適當(dāng)?shù)亟o學(xué)生講解當(dāng)前復(fù)合材料加工的刀具結(jié)構(gòu)類型，以及相關(guān)類型的加工效果及其原因。以CFRP材料的加工為例，通常的加工方式有鉆削制孔和銑削加工，因此，以鉆削和銑削為例，介紹當(dāng)前CFRP加工中的專用刀具。比如鉆削制孔，有金剛石套料鉆、雙峰鉆、階梯鉆、匕首鉆、多刃尖鉆等[2，11]。還比如銑削加工中，有“魚鱗”鏤銑刀、人字形正反螺旋刃、玉米粒銑刀等新型專用銑刀，這些新型銑刀的設(shè)計(jì)理念基本一致，即利用正反螺旋刃對(duì)纖維的擠壓來(lái)達(dá)到切除毛刺的目的，其中鏤銑刀還借鑒了增多切削刃以達(dá)到“磨”的思路[2，12]。相關(guān)的刀具結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　CFRP典型的鉆、銑專用刀具

4　復(fù)合材料加工工藝技術(shù)

在機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)課程教學(xué)內(nèi)容的第六章，介紹了機(jī)械加工表面質(zhì)量的相關(guān)內(nèi)容。重點(diǎn)講解表面粗糙度及其影響因素，以及控制加工表面質(zhì)量的途徑。比如，講解低速切削塑性金屬材料時(shí)出現(xiàn)的鱗刺形成過(guò)程，分析切削速度、材料性質(zhì)、刀具幾何形狀和材料、刃磨質(zhì)量等對(duì)切削表面粗糙的影響規(guī)律，介紹磨削參數(shù)選用、超精密加工、滾壓等加工工藝。由于復(fù)合材料的切削機(jī)理與均質(zhì)金屬材料完全不同，因此，其切削表面的評(píng)價(jià)不能簡(jiǎn)單沿用均質(zhì)金屬材料的評(píng)價(jià)指標(biāo)。然而，就當(dāng)前的研究現(xiàn)狀而言，還未形成成熟、統(tǒng)一的評(píng)價(jià)方法。而且對(duì)于如何提高復(fù)合材料加工質(zhì)量的工藝技術(shù)研究也在不斷的研究中。目前，對(duì)于復(fù)合材料的加工有激光加工、電火花加工、高壓水射流加工和超聲輔助加工等特種加工。這些加工某些方面能獲得一定優(yōu)勢(shì)，但存在諸多局限性，如激光加工易燒燒蝕復(fù)合材料表面，降低表面加工質(zhì)量；電火花加工需要對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行導(dǎo)電性設(shè)計(jì)，同樣也易導(dǎo)致加工表面被燒焦；高壓水射流加工將導(dǎo)致水流浸入復(fù)合材料內(nèi)部，降低材料性能；超聲波加工導(dǎo)致磨料和工作液浸入復(fù)合材料內(nèi)部，產(chǎn)生層間剝離、分層等[5，13]。此外，特種加工設(shè)備復(fù)制，成本較高。因此，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的切削加工大多采用傳統(tǒng)的金屬材料加工工藝和加工設(shè)備，這種加工工藝設(shè)備簡(jiǎn)單、加工成本低。此外，還有在傳統(tǒng)加工基礎(chǔ)進(jìn)行的工藝改進(jìn)，以CFRP制孔為例，如螺旋銑孔技術(shù)、傾斜擺動(dòng)螺旋制孔技術(shù)、“以磨代鉆、鉆磨結(jié)合”制孔技術(shù)等，但這些制孔技術(shù)仍處在進(jìn)一步試驗(yàn)研究階段。

通過(guò)這些內(nèi)容的講解，開拓學(xué)生的眼界，了解學(xué)科發(fā)展前沿，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，助于學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)。

5　結(jié)束語(yǔ)

機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)課程具有理論性強(qiáng)、實(shí)踐性強(qiáng)等特性，理論知識(shí)與實(shí)踐技能聯(lián)系緊密。隨著近年我國(guó)制造技術(shù)的突飛猛進(jìn)，長(zhǎng)期以來(lái)“填鴨式”的教學(xué)以難以滿足教學(xué)要求，傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容已不能滿足現(xiàn)代制造業(yè)技術(shù)人才的培養(yǎng)，甚至阻礙復(fù)合型、綜合型、創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。目前，該課程的考核主要以閉卷考試為主，考核成績(jī)分平時(shí)成績(jī)和卷面成績(jī)兩部分，分別占30%和70%，考核方式單一，甚至過(guò)于傳統(tǒng)。學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力基本源于獲得學(xué)分，學(xué)習(xí)方式主要以考前突擊學(xué)習(xí)、機(jī)械記憶為主，目的在于應(yīng)付考試。嚴(yán)重阻礙了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力、自主學(xué)習(xí)能力的提升。筆者從小知識(shí)點(diǎn)入手，遵從以項(xiàng)目為導(dǎo)向的教學(xué)方法，在該課程教學(xué)過(guò)程中適當(dāng)?shù)膰L試注入復(fù)合材料加工技術(shù)的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，在教學(xué)過(guò)程中獲得了較好的教學(xué)效果。學(xué)生的到課率、學(xué)習(xí)的積極性、課堂紀(jì)律均得到了較好的提高。增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)該課程的學(xué)習(xí)興趣，拓寬學(xué)生的制造專業(yè)知識(shí)，有助于學(xué)生對(duì)本專業(yè)的深入了解，有助于學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)。

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