解读国家发明一等奖：碳纤维复合材料加工技术
2018-08-13 11:40:33
作者：苏格拉伟 来源： 碳纤维研习社
2018年1月8日上午，中共中央、国务院在北京召开国家科学技术奖励大会，大连理工大学贾振元教授主持的“高性能碳纤维复合材料构件高质高效加工技术与装备”荣获国家技术发明一等奖。今天就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。
问题的提出
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。
解决方案
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。
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