随着全球航空业的快速发展,无论是强调飞行性能的军机,还是强调安全、经济、环保、舒适的民机,更轻、更强的复合材料化飞机结构已经成为大势所趋,在过去几十年里碳纤维增强复合材料(CFRP)快速发展成为航空结构件的主流材料。CFRP材料与传统单相金属材料的切削加工过程有着明显的区别,使得切削加工领域必须面对新的挑战,这主要是由于CFRP材料显著的各向异性所造成的。因此,从各向异性的角度重新建立CFRP材料切削过程的解释理论体系,对我国航空制造业开展高水平、大用量的CFRP材料应用具有重要意义。首先,研究高强、高硬增强相长碳纤维的切削加工断裂行为。以长纤维形式存在于复合材料结构中,是造成碳纤维增强复合材料具有显著各向异性的根本原因。本文应用“减法”原理,单独研究了CFRP材料中的单层材料-碳纤维预浸布料在切削加工中的断裂行为,分析了不同纤维方向下碳纤维切断的切断力变化规律以及宏观断口形貌和微观缺陷形貌,并基于此得到了CFRP单向层合板切削加工时进出口处的表面缺陷形成机理;通过AE聚类分析得到了6种典型断裂信号的AE特征;基于定征试验结果,以AE特征参数中的三个计数量:能量计数、振铃计数、撞击计数为输入建立了CFRP材料切削加工中撕裂缺陷的在线预测控制模型。其次,研究CFRP单向层合板的切削过程力、热变化规律:(1)CFRP单向层合板的切削力变化规律具有显著各向异性,不同纤维方向角条件下的切削比能差异明显,基于此提出了CFRP层合板单层材料周向切削时的切削比能图谱;讨论了不同切削参数条件下,切削力各向异性特征的显著性;优化确定了加工CFRP材料刀具钝圆半径的优化选择范围;分析了平行切削关系、垂直切削关系、顺纤维切削关系、逆纤维切削关系四种方向条件下的CFRP材料切削去除机理,得到了不同方向下的断裂破坏主导机制;基于0°、90°、135°三个基本方向下的切削比能试验结果,推导了CFRP单向层合板的方向性切削比能公式,并建立了考虑了切削速度影响的基于方向性切削比能的CFRP单向层合板二维切削力模型。(2)CFRP单向层合板在切削过程中的温度变化规律也表现出显著的各向异性,不同纤维方向角条件下的切削温度差异明显;CFRP材料是一种加工回弹较为严重的材料,切深抗力水平较高,在切深抗力的影响下工件与刀具后刀面接触摩擦的第三变形区会产生大量切削热,此部分切削热会向工件、刀具后刀面传导造成两者温度的上升,温度的上升幅度与切深抗力成正比;对切削温度影响较大的因素依次为切削速度、切深抗力、刀具磨损程度;讨论了不切削参数和刀具参数条件下,切削温度各向异性的显著性,平行方向比垂直方向更容易受影响产生切削温度的波动;考虑影响更大的第III变形区摩擦热源建立了CFRP单向层合板的二维切削温度预测模型,并引入了方向性切削比能。再次,研究CFRP单向层合板在各向异性显著的力热作用影响下形成的切削加工表面特征,讨论适合描述CFRP单向层合板表面粗糙度轮廓和分层缺陷的表面质量评价方法。分析了平行切削关系、垂直切削关系、顺纤维切削关系、逆纤维切削关系四种方向条件下的CFRP材料切削表面创成机理;针对CFRP单向层合板切削加工中形成的特有粗糙的、带有周期性尖峰谷的表面粗糙度轮廓特征,提出了采用Ra或Rq描述表面基本几何轮廓波动情况,并同时采用Rz描述特有的周期性表面空隙;基于超声扫描显微镜(SAM)观察并分析了分层形成的三维结构缺陷特征,提出了一种三维体积分层因子的分层评价方法。最后,以CFRP单向层合板的钻削制孔加工为应用实例,分析了钻削力、热变化以及制孔缺陷的各向异性规律。基于CFRP单向层合材料在三个材料结构层次上的各向异性(纤维的各向异性、层内的各向异性、层间的各向异性),重新建立了分层、撕裂、毛刺、起毛、烧伤、纤维拔出、纤维断裂等制孔缺陷形成机理的解释体系,定征了这些缺陷各自在制孔中的产生位置和区域。