机械工程学报

作者：宿友亮, 文天皓, 孟志坚, 刘军强, 张波

单位：宁夏大学机械工程学院 银川 750021

关键词：切削CFRP,金刚石刀具,磨损机理,纳观尺度,抑制；

基金：国家自然科学基金(52265058)和宁夏自然科学基金(2022AAC05004)资助项目。

在大尺寸高性能碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon fiber reinforced polymer, CFRP)制件的连续加工中，金刚石类刀具耐磨性不足问题依然突出。纳观层面多类型碳结构间以及微观层面刀刃与纤维间相互作用下的多尺度磨损机理极其复杂，致使针对此类刀具的磨损抑制方法成为先进复材加工领域的难题。因此，首先从纳观层面出发，通过首次建立可实现纳观尺度下金刚石划擦碳纤维过程仿真的分子动力学模型，设计实施了金刚石涂层刀具切削CFRP管的基础试验，探究了切削CFRP中金刚石纳观层面的破坏行为、磨损过程及磨损抑制方法。结果表明：金刚石的纳观磨损主要由碳纤维的机械互锁与界面键共同作用所致，初期磨损以前刀面处的结构畸变、界面键成键等，以及sp3碳结构向sp2碳结构转化为主。快速磨损以前后刀面处的小范围原子团簇剥离(表层碳结构的穿晶破坏)，以及沿<111>晶面开裂所致后刀面处的更大范围原子团簇剥离(近表层碳结构的沿晶破坏)为主。氮氢环境中氢离子易在金刚石表面形成碳-氢键，阻隔金刚石与碳纤维间碳-碳键的形成，以此碳-碳界面键所致的结构转化、破坏程度降低。结合拉曼光谱测定，证实了氮氢环境可从源头上降低金刚石涂层刀具磨损。上述研究可为切削CFRP用金刚石类刀具的磨损抑制提供理论依据与思路借鉴。

来源：2025年第7期

《机械工程学报》期刊编辑部

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