根据树脂基体的不同，碳纤维增强聚合物复合材料（CFRPs）可分为两类：碳纤维增强塑料复合材料（CFRP）和碳纤维增强热塑性复合材料（CFRTP）[1]。目前，CFRPs在航空航天和新能源汽车等领域具有广泛的应用前景[2]。与传统CFRP相比，CFRTP在抗冲击性、耐损伤性、韧性及环境耐久性方面表现更优。此外，CFRTP还具有可回收性和可重复使用性，符合可持续发展目标，成为高效制造实践的关键推动力[3,4]。其中，以环氧树脂和PEEK为基体的CF/环氧及CF/PEEK复合材料分别代表了热固性和热塑性复合材料。为了满足装配和连接需求，通常需要对制造的CFRPs进行孔加工。尽管CFRTP相比CFRP具有诸多优势，但其基体材料的固有结构差异给孔加工带来了独特挑战。CFRTP中的热塑性聚合物基体由线性、缠结的分子链构成，而CFRP中的热固性聚合物则具有三维化学交联网络。这种根本的材料差异导致CFRTP的孔加工过程面临一系列独特挑战[[5], [6], [7]]。
基体材料的固有结构差异使得CFRTP在孔加工过程中表现出与CFRP不同的加工特性，包括明显的塑性变形倾向，该倾向受温度显著影响。这种特性容易导致难以控制的卷曲切屑、易导致工具堵塞的切屑粘附以及由于材料弹性恢复引起的回弹[8]。此外，CFRTP基体的热敏感性加剧了加工复杂性。当加工温度超过玻璃化转变温度Tg时，热塑性基体从玻璃态（硬而脆）转变为橡胶态（软而韧），从而削弱了纤维-基体结合并引发界面损伤[9]。Ge等人[10]研究了不同孔加工方法（钻孔和螺旋铣削）及不同进给速率对轴向力、加工温度、分层损伤、孔微观结构和切屑形态的影响。Du等人[11]探讨了进给速率对三种不同结构工具加工CF/PEEK复合材料效果的影响，发现进给速率增加会导致切屑连续性降低和孔壁损伤加剧。Feito等人[12]观察到主轴转速对轴向力和扭矩影响较小，但对分层损伤仍有显著影响。Li等人[13]提出并验证了预测单向CFRP钻孔温度的理论模型，发现钻孔温度同时受主轴转速和进给速率影响，在工件出口处，主轴转速对温度升高的贡献大于进给速率。
为了区分CFRP和CFRTP的加工特性，并确定为CFRP开发的质量改进方法是否适用于CFRTP，研究人员对这些材料进行了对比研究[14], [15], [16], [17]。Xu等人[18]比较了碳纤维增强聚酰亚胺（CF/PI）和CF/PEEK的钻孔性能，发现后者在加工过程中表现出更高的切削力、更高的温度、更明显的分层损伤和更快的工具磨损。Zhou等人[19]建立了描述脆性纤维和韧性基体在弱约束下材料去除状态的微切削模型，该模型通过CF/PEEK钻孔实验得到验证，表明孔出口处的次表面损伤深度随进给速率增加而减小。Ge等人[20]实验研究了CF/PEKK和CF/环氧的加工性能，采用NSGA-II和TOPSIS混合优化算法，以切削力、切削温度和分层因子作为评价指标优化钻孔参数。结果表明，在最佳参数下，尽管CF/PEKK的轴向力比CF/环氧高134%，但其孔质量（调整后的分层因子Fda<1.4）更优，孔壁最大温度降低了13.5%。Meng等人[21]实验比较了CF/环氧和CF/PEEK复合材料的钻孔性能，重点关注切屑形成、钻孔温度、轴向力、孔损伤和尺寸精度等方面，发现CF/PEEK在钻孔过程中表现出更高的温度、更大的轴向力和更小的损伤区域。
为进一步提高CFRPs的孔加工质量，研究人员提出了多种创新加工技术。Tanaka等人[22,23]引入了一种斜向轨道铣削方法，实验表明该方法在降低切削力和减少出口缺陷方面优于传统钻孔和螺旋铣削。Wang等人[24,25]提出了一种基于工件台倾斜旋转的倾斜螺旋铣削方法，结果显示该方法的轴向力仅为传统螺旋铣削的约50%，有效消除了零切削速度点并减少了加工引起的分层。Gao等人[26]提出了斜向轨道磨削方法，与螺旋铣削相比，该方法分别降低了约52.2%的轴向力和25.6%的切削温度。Pereszlai等人[27,28]比较了钻孔、螺旋铣削和倾斜螺旋铣削对加工损伤和几何精度（如孔径、圆度误差和未切割纤维）的影响，发现振荡铣削在抑制孔出口毛刺和控制圆度误差方面具有优势。此外，该团队分析了两种复合材料（CFRP和玻璃纤维增强聚合物GFRP）的倾斜螺旋铣削加工特性，揭示了进给速率和倾斜角度等参数对切削力和出口质量的影响。Chen等人[29]对比研究了CFRP的陀螺铣削和螺旋铣削，结果显示陀螺铣削的轴向力比螺旋铣削低约40%，减少了毛刺和撕裂损伤。在另一项研究中，Chen等人[30]使用三种类型的端铣刀（平头、倒角和球头）对CFRP进行了陀螺铣削实验，发现球头铣刀在孔出口产生的撕裂和毛刺缺陷最少。在相同进给参数下，使用球头铣刀时出口温度最低，有效控制了加工损伤。Fukushima等人[31]设计了一种带有自动工具轴倾斜装置的倾斜行星铣床，并通过运动学仿真验证了其可行性。Gao等人[32]证明采用陀螺铣削加工CFRP/钛合金堆叠组件可显著降低轴向力和切削温度，从而提升孔壁表面质量。Wang等人[33]比较了倾斜螺旋铣削和传统螺旋铣削，结果显示在材料去除效率和工具切削速度相同的情况下，倾斜螺旋铣削将分层因子降低了29.1%，减少了轴向推力，从而改善了孔壁表面质量。Wang等人[34]利用能量基方法开发了倾斜螺旋铣削的轴向力预测模型，实验验证表明预测误差在14%以内。研究还证实倾斜螺旋铣削工艺有效提升了孔出口质量，抑制了分层并控制了毛刺形成。
基于以上分析，在CF/PEEK等热塑性复合材料的孔加工过程中，轴向力的突然变化、切削热的积累以及树脂基体的热软化等因素容易导致分层、入口/出口毛刺和孔壁基体涂抹等加工缺陷。作为新兴工艺，陀螺铣削的核心优势在于其独特的运动模式：旋转工具轴相对于孔中心轴保持固定倾斜角度，同时围绕孔中心轴进行圆锥摆锤运动。这种模式实现了渐进式材料去除，有效抑制了工具进入和退出时的轴向力波动。此外，倾斜的工具方向为切屑排出创造了更好的空间，显著提高了切屑去除效率。同时，间歇性的切削特性为切削区域提供了周期性冷却，有助于切削热的散发，从而抑制了热损伤。然而，切削力和热量之间的耦合机制及其对孔壁质量的影响仍缺乏系统研究。因此，为满足CF/PEEK复合材料高质量、低损伤孔加工的需求，本研究建立了陀螺铣削的实验平台，重点研究了加工参数对轴向力、铣削温度和孔质量的影响，揭示了CF/PEEK在陀螺运动下的材料去除机制。
