解讀國家發明一等獎：碳纖維復合材料加工技術
2018-08-13 11:40:33
作者：蘇格拉偉 來源： 碳纖維研習社
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2018年1月8日上午，中共中央、國務院在北京召開國家科學技術獎勵大會，大連理工大學賈振元教授主持的“高性能碳纖維復合材料構件高質高效加工技術與裝備”榮獲國家技術發明一等獎。今天就來解讀賈振元教授的這項發明成果，了解這項技術發明的來龍去脈。
既然是技術發明，那一定是一項解決了某種問題的新的解決方案。所以今天的解讀從兩方面展開，先說說解決了什么問題，再說說賈振元教授的解題方案。
問題的提出
碳纖維復合材料不用做過多介紹，既然關注了這個公眾號，必然會有一些了解。我們做碳纖維復合材料部件，肯定要涉及很多打孔、切削、銑削等加工工藝。但是碳纖維復合材料是由碳纖維和樹脂組成，與金屬材料相比，復合材料加工復雜得多，因為其內部的碳纖維和樹脂加工特性明顯不一樣，尤其是層間強度明顯低于其他方向。
這就帶來幾個問題，首先當刀具切削力大于層間強度的時候，很容易頂開最外邊基層材料，產生撕裂損傷。也就是碳纖維復合材料一層一層疊起來，像書本一樣。當切削或者鉆孔到最后幾層厚度的時候，有可能就會把最后的幾層撕裂，看起來就像下圖這個樣子。
其次第二個問題，碳纖維強度高，刀具難以切斷，很容易造成表面毛刺現象，降低了工件結構完整性和增大了裝配誤差。
最后一個問題，刀具和碳纖維復合材料摩擦生熱，肯定使接觸面溫度過高，可能會造成基體樹脂的軟化、燒蝕，從而帶來結構損傷。而且切削產生的碎屑不容易排出。
解決方案
試題已經準備好了，就看大連理工大學的賈振元教授如何解答。我們沒有更多的資料來了解這項技術發明的完整情況，不過從大連理工官網發布的消息和賈振元教授申請的專利，我們可以得到這項技術的大概輪廓。
首先針對碳纖維復合材料表層撕裂和纖維毛刺問題，賈振元教授提出了“微元去除”和“反向剪切”相結合的方案，我們分別了解一下。
所謂“微元去除”，就是減小刀具單刃切削量，來降低切削過程的分層和撕裂損傷的可能。也就是賈教授認為切削過程發生分層和撕裂，是因為切得太猛了。步子邁的大，容易扯著蛋。應該小步快跑，減小切削。像考古似的，先用挖掘機、然后用鐵鍬、最后用小毛刷，才不容易損壞文物。
所謂“反向剪切”，就是表面幾層材料撕裂，是因為切削方向有刀具向外頂，而外部沒有力約束著最外邊幾層的材料，所以會發生撕裂。解決之道就是，最外邊幾層利用刀具從反方向的切削，來防止撕裂行為的發生。
所以，賈振元教授解決撕裂損傷和剝層的技術方案就是：首先利用一系列的公式計算碳纖維復合材料可能會在切削到什么程度的時候會發生撕裂現象，然后先利用“微元去除”的辦法小步快跑的進行切削，到達計算的容易發生撕裂的程度，翻轉刀具，從反向進行加工，防止撕裂產生。
以上技術方案記錄在公開號為：CN201610975600的專利公開文件中。
對于切削過程容易產生溫度過高和切屑不容易排出的問題，賈振元教授提出的方案是“負壓逆向冷卻”和“自風冷排屑”方案。先上一個示意圖：
同樣，這是一個賈振元教授申請的專利文件的附圖。多余的解釋不說了，最主要的有兩個亮點。一是在鉆頭外部加了一個罩子，這個罩子與復合材料表面形成一個密閉的空腔，然后在在編號為11的小口進行抽真空。
第二個亮點就是鉆頭尖部有一個小孔，我怕大家看不到，專門做了備注。這個小孔是一個氣孔，加工的時候，氣體從這里吹出，然后從上面說的11口排出去，這個過程不但把切削過程產生的熱量帶走，也吹走了切屑。
這還沒完，上邊不是說最外邊幾層材料沒有支撐嘛。加工的時候，容易發生撕裂。賈振元教授的這個方案鉆頭尖部這個小孔可以在還剩下最后幾層材料的時候，改吹起為吸氣，利用鉆頭外邊的這個罩子里面形成的真空，外部大氣壓會壓著最外邊幾層材料向內，從而防止發生撕裂損傷。
以上技術方案記錄在專利號為：CN201610392258的專利授權文件中。
是不是發現解決方案也沒什么特別高大上的地方？其實在賈振元教授的專利文件中，列舉了大量的公式和原理來進行說明，可以看出還是做了大量的理論研究的。加工問題算是復合材料里面的一個小眾問題了，能獲得國家技術發明一等獎，說明不怕問題小，就怕不較真。任何一個小問題，或許也可以產生巨大的研究成果。
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