碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)具有比强度、模量高,性能可设计等优点。国内外争相提高该材料在航空航天高端装备主承力构件中的用量,以提高装备结构效率,实现减重。该类构件主要由CFRP制件与金属件组成,为满足连接装配需求,工程中普遍采用铣削、钻削方式完成CFRP制件的切边、制孔等加工。但是该材料细观上呈高强度纤维与低强度树脂、界面的混合态,切断纤维时极易导致树脂或界面的破坏开裂。同时,该材料宏观上呈各向异性、层叠特征,切削中的宏观切屑形成行为多样。树脂、界面(薄弱相)的开裂及扩展极易诱发严重的加工损伤,对现有加工技术提出了严峻挑战。因此,本文结合高端装备研发及批产需求,从切削CFRP的宏、细观过程入手,研究切削CFRP过程中材料的力学行为,并提出相应的加工损伤抑制方法,以指导刀具与工艺的设计,为CFRP的高质高效加工奠定基础,对推动该材料在高端装备中的推广应用意义重大。相关理论研究对丰富复材切削基础理论具有重要的科学意义,本文主要研究内容及结论如下:(1)为从根本上抑制切断纤维时界面的开裂,建立了同时考虑法向、切向约束作用的单纤维切削模型,以及考虑后刀面对被切断纤维挤压作用的单纤维挤压模型,从细观层面研究了刀具切断及挤压纤维的准静态过程,求解出切削力作用下纤维、界面的力学行为,实现了切削CFRP中细观纤维断裂、界面开裂的准确表征,结果表明:在强约束下,纤维易被在与刀刃接触处切断,且断裂前仅局部小变形;采用小切削深度切削,纤维被切断前的弯曲变形及界面开裂的几率小。由此通过抑制细观层面开裂的起始,实现了加工损伤的源头控制。(2)针对切削CFRP中树脂、界面开裂在切削力作用下如何扩展的问题,建立了包含刀刃对纤维切断、后刀面对纤维挤压及前刀面对被切削材料抬挤作用的CFRP切削模型,预测了切削CFRP中的切削力;研制出集“高速直角切削-高速显微观测”功能于一体的复材切削实验装置,验证了理论的正确性;在合理描述材料与刀具间相互作用的基础上,实现了 CFRP切削变形过程的仿真分析,进而结合切削过程的在线显微观测,研究了切削CFRP中的切屑形成及开裂扩展行为,为合理控制开裂在切屑形成中的扩展给出了有益指导。结果表明:切削力预测与实验值吻合较好;切削CFRP中存在开裂-弯断型、切断-剪切滑移型、压曲型、弯折-剪切型及弯断主导型多种切屑形成方式;弯折-剪切型及弯断主导型切屑形成时的树脂、界面易处于张开型载荷下而开裂,并沿纤维向切削平面以下扩展;减小刀具前角、切削深度,使被切削材料所受作用力的方向指入材料内部,且接近于沿纤维轴线方向,可有效抑制此两种切屑形成方式中树脂、界面的开裂扩展。以此,从宏观上控制了开裂在切屑形成中的扩展。(3)基于强约束下纤维更易被切断,且断裂前界面开裂几率小的有益结论。通过建立考虑树脂的应变率相关力学性能的CFRP切削仿真细观模型,实现了不同速度切削CFRP时的细观破坏过程仿真,结合实验,揭示了切削速度对切削CFRP中材料的力学行为,以及刀具性能衰变的影响。结果表明:树脂力学性能的应变率增强,使纤维所受约束作用增强,切削变形区减小,是切削力随切削速度增加而大幅减小的主要原因;采用20μm切削深度及3.0m/s切削速度切削时,多种切屑形成方式下去除单位体积材料所需要的能量小,且水平趋近于一致,树脂、界面的开裂及扩展程度大幅降低。纤维对刀刃的高频冲击是发生疲劳崩刃的原因;未切断纤维对刀刃及后刀面的高频滑擦作用是刀刃钝化的原因;随着切削速度增加,冲击及滑擦作用频率增加,冲击作用增强,刀具性能衰退加剧。该研究为CFRP切削加工中切削速度的合理选取提供了有益参考。最后,针对高性能CFRP加工中增大切削深度以实现高效率与切削深度过大后质量降低之间的矛盾,在上述理论研究基础上,面向企业CFRP典型制件的高质高效加工需求,提出了“弱化张开型载荷”、“局部化切削变形区域”的CFRP加工伤抑制方法,设计出具有多刃微小齿结构的CFRP铣削加工专用铣刀,该刀具在有效抑制加工损伤的同时具有高效切削的能力,铣削进给速度提高至企业工艺的4倍,实现了大厚孔(直径20mm、厚15mm)的保质连续加工,加工质量及效率均满足企业需求。