摘要：工业合成纤维和天然纤维在现代制造业、航空航天、汽车和纺织工程中发挥着不可或缺的作用。然而，先进工业纤维的优异机械性能在切割过程中带来了显著挑战，因为脆性、高拉伸强度和粘弹性纤维的断裂行为与传统固体材料完全不同。目前，关于纤维与切割工具在自由形态下的复杂运动耦合机制尚未充分研究；缺乏一个统一的框架来理解纤维切割的机理；难以将不同类型纤维的微观断裂物理特性与其宏观切割性能有效联系起来。此外，关于切割工具与纤维之间的动态相互作用、跨尺度切割特性以及工具磨损机制的研究还不够系统，非接触式切割方法也尚未成为系统研究的对象。通过系统综述，本文确定了三类难以切割的工业纤维，并总结了它们在基本材料特性上的差异。讨论了纤维在自由形态和固定形态下的静态、运动学和动态特性，以及在不同加载条件下的断裂机制。最后，本文还总结了切割工具磨损特性、几何参数和材料类型对切割性能的影响，并列举了非接触式切割方法。基于以上分析，提出了三个关键的研究方向，以填补现有文献中的知识空白。这篇跨学科综述涵盖了力学、材料科学和纺织工程之间的相互作用，为提高切割工业纤维的效率和延长工具寿命提供了理论基础和研究方向。
1. 引言
自古以来，天然纤维和人造纤维就被广泛用于人类生活和工业。生活经验告诉我们，与金属相比，切割长纤维相对容易，且在制造过程中似乎不会引起太多麻烦。然而，由于现代纺织和化学技术的进步，人造纤维和天然纤维的性能日益优异。现在，各种改性纤维被广泛应用于工业、国防和医疗领域。例如，合成工业纤维被用作电缆[1]和汽车零部件[2]，高性能纤维常用于复合材料[3,4,5]或极端环境[6,7]的增强材料，而天然工业纤维则作为可持续和环保的替代品，应用于汽车[8]、航空航天[9]、建筑[10]、包装[11]和纺织[12]领域。一方面，这些先进纤维提供了更好的性能和可靠性；另一方面，它们也给制造过程带来了重大挑战。作为高度可变形的软材料，纤维根据其材料特性表现出不同的行为：它们可以是脆性的（如碳化硅纤维、玻璃纤维和碳纤维），坚韧的（如亚麻、大麻、苎麻和黄麻），甚至是粘弹性的（如超高分子量聚乙烯纤维）。这些材料特性使得它们的切割过程与固体材料的断裂机制有显著差异，这是从微观角度影响切割的主要因素。由于本文关注工业应用中工业人造纤维和天然纤维带来的制造挑战，因此从宏观角度来看，切割工具与纤维之间的相互作用是第二个关键影响因素。
为了全面理解现有的纤维切割知识，以实现基于纤维的产品的高效生产同时保持其优异的物理化学性能，本文重点关注那些难以切割的纤维及其需要极高切割质量的切割过程。作为难以切割的纤维，选择了那些能够承受组件载荷的纤维，如玻璃纤维、碳纤维、亚麻、大麻、苎麻和超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维。由于工业生产过程的不同，纤维切割通常有两种形式：一种是在将纤维制造成其他产品之前的切割，此时纤维主要处于自然状态或受拉状态，具有可变的变形能力；另一种是在将纤维制成纤维增强复合材料之后的切割，此时纤维嵌入基体中并被预先浸渍。基于上述工业生产过程，有多种方法可以将长纤维转化为短纤维。只要达到预期的切割结果，这些方法都属于本文讨论的范围。因此，以下几种方法在本文中都可以视为切割过程：切割、斩切、剪切、断裂和切断。
本文涵盖了纤维的材料特性、微观尺度上的断裂机制、宏观尺度上的切割和斩切机制，以及不同尺度下的纤维切割制造和加工技术。此外，还讨论了复合材料中的纤维断裂问题。表1展示了不同纤维的关键特性和应用领域。
2. 纤维的材料特性
材料的独特特性导致了完全不同的切割机制。因此，彻底理解材料特性对于解决切割过程中出现的问题至关重要。目前，在工业应用中难以切割的常用纤维可分为三类：脆性纤维、高拉伸强度天然纤维和粘弹性纤维。
(1) 脆性纤维
脆性纤维是一种广泛使用的材料类型，其特点是断裂前的应变很小、硬度很高且塑性变形很小。这种脆性源于其固有的分子和微观结构——通常具有抵抗位错运动的强共价或离子键网络，这与塑性的主要机制相反。因此，这些材料（包括玻璃、碳、碳化硅（SiC）和各种陶瓷纤维）一旦超过弹性极限就会迅速失效。脆性纤维的这种机械性能旨在避免表面和内部缺陷。对于纤维切割而言，这意味着减少断裂表面的不均匀性。根据格里菲斯脆性断裂理论[15,16,17]，微观表面缺陷和内部空洞是潜在的应力集中点，大大降低了纤维的有效强度，远低于其理论粘聚强度，这就是所谓的“最弱环节”原理。这就是为什么脆性纤维的拉伸强度具有较大变异性的原因[18]。
(2) 高拉伸强度天然纤维
高拉伸强度天然纤维是一类具有高拉伸强度、断裂韧性、抗疲劳性和尺寸稳定性的关键材料。其中最著名的例子包括亚麻、大麻、苎麻和黄麻等韧皮纤维，以及剑麻和菠萝叶纤维等叶纤维。它们出色的机械性能源于其分层的微观结构和高纤维素含量。拉伸强度是多个相关因素的共同作用结果，包括纤维素含量、结晶度、微纤丝角度、植物年龄、生长环境以及特定的提取和后处理方法。其中，纤维素含量尤为重要，它由强而硬的纤维素微纤丝组成，作为主要的承载增强成分。苎麻纤维在常见天然韧皮纤维中具有最高的拉伸强度，超过1000 MPa[19]，纤维素含量约为70%至90%[20,21]。亚麻纤维也是另一种顶级天然纤维，其拉伸强度在800–1100 MPa范围内[22,23]。其高强度也得益于其高纤维素含量（约60–80%[24,25,26]）和有利的微纤丝取向，能够有效传递施加的载荷[27]。从上述分析可以看出，这些纤维的高拉伸强度给切割带来了困难。
(3) 粘弹性纤维
粘弹性纤维是一类重要的聚合物材料，在变形时表现出粘性（类似流体）和弹性（类似固体）的特性。这种双重性质受到时间、温度和应变率的影响，使其应用范围从生物医学支架扩展到先进复合材料和智能纺织品。粘弹性纤维的机械行为源于其分子结构——具体来说，是聚合物链之间的移动性、缠结和可逆的物理交联（如氢键、疏水域）。这些结构特征使得能量通过内部摩擦耗散，同时保持形状恢复的能力，这是粘弹性的典型特征。不同条件下的流变模型（如Maxwell模型和Kelvin–Voigt模型）是理解粘弹性纤维基础力学的基础[28,29]。这些模型基于弹簧和阻尼器串联组合来描述粘弹性流体的瞬态弹性、应力松弛和不可逆流动。然而，Kelvin–Voigt固体模型无法模拟真实的固体特性。因此，更复杂的模型（如标准线性固体模型[SLS][30,31]或广义线性粘弹性模型[32,33]）结合了这些元素，以再现纤维建模中观察到的完整瞬态响应谱。尽管这些方法仍在线性框架内解决问题，但在复杂载荷条件下，特别是在切割过程中，纤维会经历高应力和剧烈载荷变化，常常表现出非线性粘弹性特性，即材料的应力-应变关系是非线性的。因此，开发了一系列非线性粘弹性模型。典型的非线性模型包括幂律模型[34]、双曲正切模型[35,36]（图1）、Kaye–Bernstein（K-B）模型[37,38]等。图1展示了静态工作应变下超塑性、滞后和粘弹性复杂模量（应力与应变变化之比）[36]，为切割过程中的动态应变提供了基础知识。其中，幂律模型假设应力与应变之间的关系遵循幂律函数；双曲正切模型使用双曲正切函数来描述大变形下的应力与应变之间的非线性关系。后续发展还包括时间依赖的Burgers模型[39]，用于描述材料粘弹性行为随时间的变化；温度依赖的热机械大变形响应模型[40,41]，结合了线性和非线性弹簧与阻尼器，考虑了剪切变稀、高温下的热软化以及变形和载荷率的非线性依赖性；应变依赖的有限可伸长非线性弹性—Peterlin（FENE-P）模型[42]修改了变形程度（应变）对应力的影响。
3. 纤维切割机制
上述三类纤维都被认为是难以切割的纤维。然而，从材料科学的角度来看，它们难以加工的原因各不相同。在传统机械加工领域，我们通常使用“可加工性”一词来描述材料的加工难度。将这一概念应用于纤维切割时，我们更倾向于使用“可切割性”来描述。以下部分将继续分析从材料科学的角度来看，可切割性如何影响工具和加工质量。
3.1. 纤维切割过程的静态、运动学和动力学分析
切割过程中纤维的受力状态是影响纤维断裂模式的主要因素。分析切割过程中的纤维受力并不困难，但简单地将纤维视为刚体来处理并不利于理解非脆性材料的切割机制。因此，分析大变形纤维的受力状态的难点主要在于定义不同类型纤维的弹塑性状态和变形特性，以及将材料本身的应力-应变特性与受力关系结合起来。
(1) 自由形态下的纤维
自由形态下的纤维切割是指纤维没有完全定位和夹紧，通常只在两端固定或受到一定的预拉伸。影响切割过程中纤维受力状态的主要因素包括刀具运动模式、刀具角度、纤维张紧方法、支撑物的存在以及支撑材料的硬度和强度。在圆形切割器上安装多个均匀分布的刀片可以有效提高切割效率。图2中的模型模拟了刺切或切割纤维织物的过程，这取决于刀片切割角度、刀片锋利度、摩擦系数、纤维材料、样品上的法向力值、切割角度和切割速度[43]。纤维被固定在两端，并使用静态重量进行预张紧，通过分析切割过程中纤维的变形来研究等效应力和纱线剪切应力的变化，图3展示了切割刀片穿过纤维纱线的过程[44]。当圆形切割器上的刀片切割织物时，织物会受到拉力、剪切力和压缩力的作用，这些力会影响其结构和性能[45]。在正常切割（角度θ = 0）的情况下，N的值等于T，M的值等于0。然而，当刀片倾斜时，力的一个分量会促使纱线沿着刀片边缘滑动。纱线在刀片边缘的相对位置由织物的物理特性及其设计决定，如图4所示。织物的刚性越高，M的值越大，切割难度也越大。图2. 纤维纱线剪切机制[43]。图3. 切割刀片穿过纤维纱线的过程。(a,b) 切割刀片边缘在刀片架旋转时的轨迹；(c) 切割力学[44]。图4. 切割过程中作用在刀片上的力[45]。Fp：切割力。Fc：纱线切割力。Ff1：刀片与接触纱线之间的摩擦力。Ff2：刀片表面与接触纱线之间的摩擦力。T：由于切割作用在织物上的张力。N1、N2和N3：由于纱线在刀片表面受压而产生的法向力。M：由于切割作用导致织物瞬时变形而产生的力矩。bi：刀片的瞬时宽度。切割角度是一个可控因素，可以改变纤维的受力状态。JB Mayo Jr.研究了切割角度对不同高性能纤维切割阻力的影响，发现随着切割角度的增加，有机纤维和无机纤维的切割阻力都会降低[46]。HS Shin发现所有纤维的切割阻力都强烈依赖于切割角度[47]；切割能量和断裂起始应变随着切割角度、刀片锋利度和纱线预张力的减小而减小[48]。Jinling Gao[49]指出，切割角度的增加可能是能量耗散减少的原因，并展示了不同纤维在动态正常切割下的断裂机制，如图5所示。图5. 不同纤维在动态正常切割下的断裂机制。(a) Kevlar® KM2 Plus（杜邦公司，美国特拉华州威尔明顿）；(b) Dyneema® SK76（DSM Dyneema公司，荷兰乌蒙德）；(c) S-2 Glass（AGY控股公司，美国南卡罗来纳州艾肯）。刻度尺为500纳米[49]。在切割过程中，支撑物的变形程度与纤维的变形程度密切相关。当切割脆性纤维时，如果使用柔软的支撑物，可以简化为支撑物变形而纤维保持不变；如果使用坚硬的支撑物，则可以简化为支撑物保持不变而纤维变形[50]。图6显示了在柔软和坚硬支撑物下切割脆性纤维的差异。碳纤维束的切割过程并不是简单地将每个单丝的断裂叠加起来，在这种情况下，坚硬的支撑物导致纤维束边缘的脆性纤维滑向较低层，纤维的滑动现象和中间断裂行为使得纤维的变形和应力更加复杂[51]。此外，有支撑和无支撑切割对纤维的受力状态和变形的影响也有显著差异。在无支撑切割中，单根碳纤维的断裂是由拉伸效应引起的，而在柔性支撑切割中则是由弯曲效应引起的[52]。对于大量可变形的UHMWPE纤维的切割，量化纤维断裂表面的膨胀（有弹性支撑时）或伸长（无支撑时）可以是切割过程中塑性变形的主要指标[53]。图6. 单根碳纤维与固定约束接触的示意图[50]。(a) 刚性固定切割；(b) 柔性固定切割。(2) 固定形式的纤维当纤维以不同的长度和角度嵌入预浸料或基体中成为复合材料的一部分时，它们的受力状态是固定的。根据纤维的长度，这种形式分为两类。第一类是均匀分散在基体中的短纤维。短纤维的受力状态是可变的，仅在需要评估复合材料加工质量时才会观察到。影响因素包括纤维表面的摩擦系数、纤维与基体之间的润湿性、纤维本身的可切割性、纤维的受力状态以及加工方法等。Chaolong Fu[54]发现，两种不同的力学机制——拉伸>挤压和挤压>拉伸——以不同的方式决定了复合材料中短纤维的断裂模式。如图7所示，当挤压>拉伸时，复合材料中的短纤维会发生剪切断裂；而当拉伸>挤压时，则会发生拉伸断裂。M. Khafidh[55]研究了二氧化硅和短切芳纶纤维增强弹性体中的裂纹传播，发现与滑动表面平行的纤维会被拉出。图7. (A) 短纤维增强材料的受力分析；(B) 剩留在孔壁上的纤维受力分析；(C) 挤压>拉伸；(D) 拉伸>挤压[54]。第二类是长纤维以固定的排列和方向嵌入基体中。除了上述散布纤维增强复合材料的影响因素外，长纤维的影响因素还与纤维的方向密切相关。已经进行了大量关于纤维方向影响的运动学和静态/动态分析，从不同纤维方向的初始切割类型分析[56]到常规/倾斜钻孔中的切屑载荷评估以及钻头与纤维方向之间的相互作用[57]（图8），以及纤维方向对切割影响的数值和仿真建模[58,59]。Dong-Gyu Kim[60]注意到了复合材料中纤维的变形问题，然后将纤维和基体建模为梁，讨论了切割力、纤维变形、未切割纤维的比例和表面粗糙度之间的相互依赖关系。图8. 长纤维增强复合材料切割刃处的切屑载荷和切割力[57]。(a) 切割刃处的切屑载荷。(b) 带有几何参数（如前角）的切割刃处切割力的表示。总体而言，非自由配置中短纤维和长纤维的切割行为受到纤维-基体界面相互作用和加工方法的控制。然而，这两个研究领域之间存在显著差异。由于短纤维是随机分布的并且受到随机应力的作用，研究主要集中在观察它们的断裂模式；而长纤维由于其排列是固定的，纤维方向成为一个关键的影响变量。3.2. 纤维切割断裂机制前面的讨论表明，切割纤维的断裂模式因其不同的运动学和动态状态而表现出显著的变化。(1) 自由形式的纤维对于有机纤维（Kevlar® KM2 Plus纤维）、UHMWPE纤维（Dyneema® SK76纤维）和脆性纤维（S-2 Glass纤维），切割诱导的典型纤维断裂模式包括部分切割后发生拉伸断裂、完全切割以及无穿透的拉伸断裂[49]。然而，高性能纤维的切割总是充满问题和困难；应明确区分由切割引起的损伤和撕裂。在Kevlar纤维的切割实验中，微纤维从纤维核心被拉出并分裂，形成纤维化现象[45]。对于黄麻纤维束的切割，在准静态切割过程中，在断裂之前存在明显的压缩过程，当刀片速度过快时，切割力倾向于转化为冲击力[61]。对于碳纤维的切割，由于不同的几何位置，切割模式表现出不同的情况，包括压缩断裂、弯曲断裂和剪切断裂[62]。加载速率也对脆性纤维的断裂行为起着关键作用。对SiC、玻璃和碳纤维的实验研究表明，它们的断裂形态和强度依赖于应变率。在较高的动态加载速率下，主导的断裂模式可能会发生变化，这与测量的纤维强度的变化直接相关[63]。这种敏感性要求在设计含有脆性纤维增强组件的时必须仔细考虑操作环境。纤维编织结构：纤维编织结构的切割特性会发生显著变化。在切割与高性能纤维和金属丝（H/MCY）集成的纤维/线复合纱线时，施加在该纤维编织结构上的承载/剪切应力会分布到结构的多个部分，图9中的仿真结果证实了H/MCY的承载/剪切应力分布[64]。图9. UHMWPE、金属丝、W-H/MCY和DW-H/MCY材料的抗切割仿真结果。(a) UHMWPE和金属丝的切割仿真结果；(b) UHMWPE和金属丝的局部切割效果；(c) UHMWPE和金属丝的切割DIC结果；(d) W-H/MCY材料的切割DIC结果；(e) W-H/MCY材料的切割DIC结果；(f) W-H/MCY材料的局部切割效果；(g) DW-H/MCY材料的切割DIC结果；(h) DW-H/MCY材料的切割DIC结果；(i) DW-H/MCY材料的局部切割效果[64]。虚线红色圆圈表示各种应力集中点。箭头表示应力减小的方向。切割阻力：为了评估新型纤维的性能，许多研究通过关注纤维的切割阻力特性来观察它们的断裂特性[46,47]。例如，当玻璃纤维的外层涂有聚氨酯丙烯酸酯（PUA）树脂时，不同织物的断裂行为如图10所示，从大的轴向断裂范围变为断裂点处更多的纤维聚集和较少的纤维拔出[65]。Lijuan Wang应用了织物的流变理论来评估UHMWPE纱线的应力-应变关系，并通过纱线的动态响应和与刀片的接触体积来解释纱线的切割失效机制[66]。有机纤维的切割阻力差异可能直接与分子结构有关，这种结构决定了聚合物分子的方向和键合[43]。然而，这些研究仅关注于提高纤维的性能，而没有考虑切割过程中的工具性能和寿命，也很少讨论切割工具与纤维之间的相互作用。图10. (a) GF织物的断裂形态；(b) 不同HEMA浓度的GUCT织物；(c) GS织物；(d) 不同HEMA浓度的GSCT织物[65]。GF和GS织物显示出表面以放射状排列的玻璃纤维（由黄色箭头指示），这影响了穿着舒适度(a,c)。(2) 固定形式的纤维作为复合材料的增强添加剂，固定形式的纤维被广泛研究。这项研究仅总结了这种状态下纤维的切割/断裂机制。纤维方向：相对于切割方向，纤维方向一直被认为是影响切割力的最重要因素。与切割方向平行（0°/180°）或垂直（90°）切割通常比斜角（例如45°、135°）所需的力更小[67,68]。倾斜的纤维取向也会增加表面粗糙度和内部损伤，这通常会导致由于弯曲和剪切成分增加而产生的力增大。然而，某些天然纤维增强复合材料在纤维取向为45°时表现出最佳的加工性能（图11）[69]。这是因为天然纤维通常具有较低的轴向刚度，但其横向柔韧性和与聚合物基体的界面粘结强度相对较低[70,71]。因此，当天然纤维与45°角度的切削工具接触时，它首先会发生弯曲变形，然后在拉伸应力下断裂。这种弯曲-拉伸断裂模式通常需要比0°方向的脆性断裂或90°方向的剪切断裂更低的能量输入。此外，与其他角度相比，45°方向的失效模式可能导致较少的宏观损伤，如纤维拔出、基体撕裂和分层，从而获得更好的表面质量和较低的内部损伤[69]。图11. 切削工具边缘与亚麻纤维微观接触的示意图。(a) 在θ = 45°时；(b) 在θ = 90°时[69]。工艺条件：基于纤维的材料的各向异性和异质性意味着即使工具几何形状和工艺参数发生微小变化，也可能导致切削机制和表面质量的显著差异。较高的正前角通常可以通过更快地改变切屑形成模式来减少切削力[72]，并促进有效的剪切而不是挤压或弯曲[73]，如图12所示，不同切削深度和前角组合对推力的影响。切削速度也有较小但仍然显著的影响——较高的速度可以在一定程度上减少力[74]，但在热和机械耦合的作用下可能会增加工具磨损[75]。进给率通常是继取向之后的最重要的加工参数；较高的进给率会增加力和表面粗糙度[74]。切削深度在主切削力中起着至关重要的作用[76]。该研究考察了加工参数对不同角度固定形式纤维的切削影响，为复合材料中纤维的切削提供了宝贵的见解。图12. 切削深度和工具前角对90°取向样品推力的综合影响[73]。(a) 实验34中，纤维取向为135°，前角为30°，切削深度为150 µm时的切屑形成。(b) 在DOC为100 µm时，纤维取向和工具前角对推力的综合影响。纤维类型：纤维类型确实会影响其断裂机制。高模量纤维（如凯夫拉尔纤维）由于其断裂特性而需要更大的特定切削力[45]。比较短纤维、长纤维或更高体积分数的纤维时，切削阻力显著增加[74]。界面关系：纤维与工具之间的摩擦和界面关系为纤维断裂提供了微观解释。当熔融树脂无法支撑纤维时，树脂和纤维之间的弱界面会促进脱粘/拔出而不是干净切割[77]。在微观力学有限元（FE）模型中，切削力几乎不受切削工具与复合材料相（亚麻纤维和PLA基体）之间微摩擦的影响，但推力却非常敏感[57]。纤维-工具界面处的较高摩擦会增加切削/推力[57]、特定切削能量[78]和接触温度，从而促进分层、未切割纤维和毛刺的形成，尤其是在磨料碳/玻璃纤维复合材料中[79,80]。在切削过程中，切削工具与工件之间的摩擦以及材料的塑性变形会产生大量热量，导致切削区域出现明显的温度梯度[81]。当局部温度升高并超过聚合物基体的玻璃化转变温度时，基体的强度和刚度会急剧下降；这种软化效应直接影响了纤维与基体之间的粘结强度，从而增加了纤维间分层和纤维拔出的可能性[82,83]。表2系统总结了不同条件下不同纤维的切削和断裂机制。表2. 三种纤维类型的切削和断裂机制比较。3.3. 加工过程中纤维切削工具的状态由于复合材料加工过程中切削工具的变化不仅由纤维引起，还受到基体的显著影响，因此超出了本次讨论的范围。目前关于长而细的纤维切割刀片的研究主要集中在切削工具的磨损特性、刀片形状及其几何特性以及工具材料的影响上。磨损特性：在工具边缘的几个切削位置形成了新月形，这是由于旋转过程中纤维分布不均导致的磨损体积不均造成的。切割碳纤维时的工具磨损模式是前刀面磨损（快速磨损阶段）和切削刃圆化（CER）（稳定磨损阶段）的结合[84,85]。Dong Wu讨论了刀刃锋利度保持与磨损之间的关系，并发现当刀尖下方的接触压力低于某个临界值时，切削机制从切削转变为磨损[86]。图13. 钢制刀片(a)和9Cr18MoV刀片(b)与5Cr15MoV刀片(c)的磨损深度比较，9Cr18MoV刀片的磨损程度更大，可能是因为其碳化物含量更高[86]。刀片形状/几何特性：使用较钝的刀片时，纱线的切削力更大，纱线断裂的起始时间延迟，纱线沿刀片的位移也更长[66]。JB Mayo Jr. [46]发现非常钝的刀片会在纤维中产生张力，这些纤维在随纤维直径变化的轴向应力值下发生断裂。Hyung-Seop Shin [48]测试了刀刃的锋利度，并发现钝刀片会延迟纤维断裂的起始。在微观尺度上，刀片几何特性至关重要。Gabriele Greco提出了一种新的仿生刀片，模仿蜘蛛毒牙上的微锯齿结构，能够机械切割坚韧的纤维，并证明了刀片上微锯齿结构的切削效率[87]。不同的刀片几何变量会影响刀片的锋利度，其中刀片锋利度指数（BSI）对刀尖半径最为敏感；如图14所示，双楔角CAMB刀片的楔角为32°时的应力比单楔角SM刀片的楔角为25°时高约10%[88]。图14. 在2毫米刀片压痕时x方向上的应力σxx：(a) CAMB刀片（最大拉伸应力=95.87 MPa）（由CAMB Machine Knives International制造（型号CMK 152））；(b) SM刀片（最大拉伸应力=105.9 MPa）（由Swann-Morton制造）[88]。工具材料：由于其高硬度，陶瓷刀片预计不会像金属刀片那样容易变钝[48]。虽然陶瓷工具具有高硬度和热稳定性，但其脆性可能会限制在间断切割中的性能，尤其是在非常锋利的刀尖半径下可能导致灾难性的崩裂[89]。基于磨损预测模型设计的先进材料（例如Ti(C7,N3)/TiB2/WC）陶瓷工具材料，旨在优化其微观结构以提高性能[90]。刀片的杨氏模量和合金元素也起着关键作用。较高的杨氏模量在切割有机和无机纤维时可以降低刀刃上的切削应力[43]。含Mo量较高的154CM钢在保持锋利度方面优于440C钢和N690钢，尽管这两种钢的化学成分、碳化物相和HRC硬度相似[91]。非接触式纤维切割方法：此外，非接触式纤维切割方法（如激光[92,93]、水射流[94,95]、紫外线[96,97]切割等）也逐渐变得可用。在这些方法中，切削工具和纤维不会直接接触，它们的相互作用机制与基于接触的加工方法有显著不同。在这些非接触技术中，激光切割是最广泛开发的技术之一。图15展示了非织造织物的激光切割过程[97]。该过程依赖于光子能量的聚焦传递，通过热机制（如熔化、汽化和热解）或高能紫外线光子的光化学键断裂来诱导材料去除[98]。研究表明，不同波长的激光对CFRP加工质量有不同的影响。就CFRP切割而言，连续波（CW）激光效率更高，但会产生更大的热效应，而脉冲激光可以减少热影响区[99,100]。尽管激光加工不会导致工具磨损或切削力，但它可能导致树脂基体和热影响区的烧蚀，而水射流切割虽然环保，但可能会在材料中产生缺陷[101]。水射流切割，特别是磨料水射流（AWJ）切割，利用高速流体动力学和颗粒冲击来分解材料。这种方法适用于厚层复合材料。然而，不适当的参数（如压力、行进速度或磨料类型和大小）可能导致纤维拔出或基体侵蚀[102]。不幸的是，这些方法在纤维切割领域的应用系统研究尚未进行。图15. 非织造织物激光切割的过程示意图[97]。箭头指示激光束的路径。总之，关于纤维切割工具的研究相对传统，远远落后于当前的工业生产需求。与以往主要关注单个纤维或强调复合材料加工而非纤维本身的综述不同[103,104]，本文总结了天然和人造纤维的切割机制，并指出了这一领域的研究空白。例如，在切割粘弹性材料时，界面属性（如摩擦热、工具表面涂层和表面微观纹理）对材料的粘弹性转变有何影响？材料特性、工具磨损和切屑粘附之间有什么关系，这些因素如何影响工具失效过程？这些问题的难点可以归结为两个方面。首先，在切割过程中，纤维处于自由状态，没有完全定位和夹紧。结合其高度可变形的特性，这导致了一个复杂的运动机制：“工具移动，纤维也移动”，使得难以准确描述纤维与切削工具之间的运动学和动力学关系。其次，人造纤维和天然纤维的切割和断裂特性与传统固体材料不同。由于切割过程中的拉伸和剪切应力，有机纤维的微观分子链可能会发生解缠、共价键断裂和官能团变化。天然纤维可能会经历纤维素互锁和分子键断裂。这些效应甚至可能发生在远离工具-纤维接触区域的区域，称为特征变化传播，导致材料性质的大范围变化和随之而来的切割特性的变化。因此，这两个难点源于工具的宏观行为与纤维材料结构的微观行为之间的相互作用。应建立一种基于方法的工具状态分析，以识别工具和纤维之间的跨尺度关系。4. 结论本文对工业人造纤维和天然纤维的切割机制进行了文献分析。与各种纤维增强复合材料的加工机制相比，关于不同类型纤维的切割机制的研究——包括力分析、纤维断裂机制以及加工过程中纤维切削工具的状态——远远不够深入。现有研究要么专注于单个纤维，要么强调复合材料的加工而非纤维本身。原因有两个方面。一方面，早期的工业纤维并不难加工；另一方面，近年来纤维复合材料的多样性和广泛应用产生了许多制造需求和研究空白，这推动了更深入的研究。然而，随着工业纤维性能的显著提高，在切割过程中出现了重大挑战。当前关于纤维与切削工具相互作用的研究存在显著不足，主要包括以下几点：(1) 由于缺乏对不同类型纤维的弹塑性状态和变形特性的定义，以及材料应力-应变特性与力之间关系的综合考虑，未能充分描述纤维与切削工具在自由形态条件下的复杂运动耦合机制；(2) 缺乏一个将微观纤维断裂与宏观切削性能联系起来的统一理论框架，特别是对于处于自由形态下的粘弹性纤维的非线性切削响应缺乏深入研究；(3) 未能准确描述“刀具移动时纤维也随之移动”的复杂运动机制以及切削过程中纤维特性的变化传播。这些不足严重阻碍了高效精密切削技术的发展，尤其是在工业纤维应用领域。因此，本文指出了这三个研究空白，从而充分体现了该研究的理论和实际价值。本文从纤维切削过程的应力分析入手，继而探讨了切削过程中纤维的断裂机制，最后分析了纤维切削工具的状态，提出应从宏观和微观两个角度来考虑纤维切削过程的关键特性。建议未来的纤维切削研究可以集中在以下几个方面：(1) 建立一个多尺度理论力学模型，综合考虑材料变形、温度及其对材料特性的影响；(2) 通过结合切削工具的宏观行为和纤维材料结构的微观行为来确定材料的断裂特性；(3) 研究纤维切削过程中刀具磨损的发生、演变及其特性，并深入探讨刀具与材料特性的关联；同时从界面力学的宏观视角和分子动力学的微观视角，研究刀具-纤维界面的跨尺度关系。
