一、與金屬切削相比，復(fù)合材料的加工提出了獨(dú)特的挑戰(zhàn)。增韌纖維的磨蝕性使刀具壽命縮短。與金屬切屑不同，塑料基質(zhì)帶走的熱量很少，而溫度過(guò)高可能會(huì)使基質(zhì)熔化。復(fù)合材料輕易分層剝離，加工產(chǎn)生的毛刺和纖維表明鉆削的孔或銑削的邊沿質(zhì)量很差。
二、與金屬切削相比，復(fù)合材料的加工提出了獨(dú)特的挑戰(zhàn)。增韌纖維的磨蝕性使刀具壽命縮短。與金屬切屑不同，塑料基質(zhì)帶走的熱量很少，而溫度過(guò)高可能會(huì)使基質(zhì)熔化。復(fù)合材料輕易分層剝離，加工產(chǎn)生的毛刺和纖維表明鉆削的孔或銑削的邊沿質(zhì)量很差。
其他挑戰(zhàn)還包括對(duì)由復(fù)合材料與鈦合金(或鋁合金)組成的壓合疊層材料進(jìn)行加工和鉆削。研發(fā)出可一次完成對(duì)這種疊層材料鉆孔加工的刀具特別困難。設(shè)計(jì)復(fù)合材料切削刀具的常用策略包括采用非涂層硬質(zhì)合金刀具、CVD金剛石涂層刀具、以PCD作為刀刃或刀頭的焊接刀具等。傳統(tǒng)的PCD刀具是通過(guò)將金剛石晶體燒結(jié)嵌進(jìn)金屬基體制成，刀具的切削部分被切割成所需外形，并焊接(或燒結(jié))在硬質(zhì)合金刀柄上。傳統(tǒng)的PCD刀具在刀具幾何外形上受到一定局限，不過(guò)現(xiàn)在已有一些公司可以提供具有更復(fù)雜幾何外形的整體燒結(jié)式PCD刀具。
設(shè)計(jì)復(fù)合材料加工刀具時(shí)，需要使切削力最小化，尤其在鉆削加工中，避免材料分層剝離極為重要?？霞{公司高級(jí)工程師Karthik Sampath解釋說(shuō)，“分層剝離通常發(fā)生在刀具鉆出工件時(shí)，此時(shí)軸向推力會(huì)對(duì)下表面的疊層施加壓力。分層剝離也輕易產(chǎn)生在刀具鉆進(jìn)工件上表面時(shí)?！北M管材料的分層剝離與軸向推力有關(guān)，但肯納公司以為，纖維的位置不同以及材料中存在孔隙也會(huì)造成分層剝離。加工金屬材料時(shí)，切屑的剪切和成形可以是均勻一致的，而復(fù)合材料的加工則有所不同，它需要切斷纖維，同時(shí)還要對(duì)基質(zhì)材料進(jìn)行剪切。
為了以最小的刀具磨損實(shí)現(xiàn)無(wú)毛刺切削，肯納公司對(duì)刀具的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。Sampath指出，“我們的試驗(yàn)正明，鉆削復(fù)合材料時(shí)需要采用大的螺旋角、大的后角和大的齒隙角，以使刀具較輕易切進(jìn)工件?！庇绕湫枰匾暻邢魅泻蠼堑脑O(shè)計(jì)。在一次分別采用10°、20°和36°后角的對(duì)比切削試驗(yàn)中，隨著刀具后角的增大，被加工孔的質(zhì)量明顯改善。刀具的鋒利度也至關(guān)重要，“我們的試驗(yàn)結(jié)果表明，刀具在涂層前具有鋒利的切削刃(刀尖圓弧半徑≤10μm)，就可以獲得最佳加工效果”。
在刀具材料方面，肯納公司推薦采用整體燒結(jié)式PCD鉆頭和低鈷鋼金剛石涂層鉆頭。據(jù)Sampath 介紹，與未涂層的硬質(zhì)合金鉆頭相比，金剛石涂層鉆頭的壽命可以進(jìn)步10倍；在某些情況下，金剛石涂層鉆頭可比PCD鉆頭的壽命進(jìn)步50%。“為了獲得最好的耐磨性和最佳切削性能，我們推薦采用厚度為12μm 金剛石涂層。較薄的涂層可能導(dǎo)致切削刃崩刃，而更厚的涂層需要增加額外的本錢，性價(jià)比較差?！笨霞{公司為加工復(fù)合材料，開(kāi)發(fā)了B531和B532系列鉆頭。
Emuge公司銑削產(chǎn)品經(jīng)理Stephen Jean也同意，設(shè)計(jì)能使切削壓力最小化的刀具．幾何外形對(duì)于復(fù)合材料的無(wú)毛刺切削至關(guān)重要，“我們的立銑刀具有獨(dú)特的外形，與傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金立銑刀相比，更像是一把螺紋銑刀。該銑刀包含兩個(gè)分離的鋸齒狀切削刃，一個(gè)刀刃向上切削，另一個(gè)刀刃向下切削。刀刃旋轉(zhuǎn)時(shí)，其效果類似于剪刀的剪切運(yùn)動(dòng)，可高效銑削基質(zhì)材料，同時(shí)剪切纖維，并能避免磨損效應(yīng)?！盓muge公司也為加工復(fù)合材料提供PCD立銑刀和刀片，以及各種CVD金剛石涂層硬質(zhì)合金刀片及立銑刀。
Laeh Diamond公司為切削復(fù)合材料開(kāi)發(fā)了多種鉆頭、立銑刀和刀頭。該公司加工工程師Jason Lindsey介紹說(shuō)，該公司只生產(chǎn)采用PCD焊接刀片和CVD金剛石涂層的刀具。據(jù)稱，他們的切削試驗(yàn)顯示，CVD金剛石涂層刀具的壽命比普通硬質(zhì)合金刀具延長(zhǎng)了20倍以上?！瓣P(guān)鍵在于刀具必須有足夠大的表面積，以便將PCD刀片焊接在上面。因此，對(duì)于直徑小于4mm的鉆頭，我們推薦采用CVD金剛石涂層；對(duì)于直徑大于4mm的鉆頭，我們推薦焊接PCD鉆尖?！盤(pán)CD刀具除了具有較長(zhǎng)的壽命以外，還能對(duì)刀片進(jìn)行重磨和調(diào)整后重復(fù)使用。
Z型立銑刀是Lach公司設(shè)計(jì)的復(fù)合材料加工刀具的一個(gè)實(shí)例。該銑刀設(shè)計(jì)用于周邊粗銑加工，其特點(diǎn)是PCD刀頭的分布具有變化的剪切角，可控制切削力。該公司開(kāi)發(fā)的刀具包括插銑用和非插銑用刀具。Lindsey解釋說(shuō)，在圍繞復(fù)合材料進(jìn)行周邊銑削時(shí)，這種設(shè)計(jì)可使較薄的、不穩(wěn)定的碳纖維基層避免快速上下振動(dòng)。為了獲得最佳切削效果，推薦的切削速度為2200～3000fpm(670～914m/min)。Lach公司還生產(chǎn)其他4種用于切削復(fù)合材料的刀具：用于精銑加工內(nèi)外輪廓的M型立銑刀；為周邊銑削凱夫拉爾纖維材料而設(shè)計(jì)的P型正前角雙槽立銑刀；用于周邊半精銑加工的C 型雙槽立銑刀；以及用于蒙皮面板加工的WA型雙槽立銑刀。WA型銑刀的上下往復(fù)式剪切可以抵消切削力，降低切削壓力，從而避免復(fù)合材料分層剝離。
刀具供給商通常是將復(fù)合材料加工刀具作為定制產(chǎn)品而不是標(biāo)準(zhǔn)目錄產(chǎn)品來(lái)設(shè)計(jì)。目前，山特維克可樂(lè)滿公司的所有復(fù)合材制擊口工刀具都是定制開(kāi)發(fā)的。該公司加工治理經(jīng)理Francis Richt表示，在如今的市場(chǎng)上，主導(dǎo)切削數(shù)據(jù)的要素包括工件質(zhì)量、表面要求、加工本錢以及材料成分。在航空制造領(lǐng)域，復(fù)合材料的廣泛使用、加工機(jī)床的多樣性，使復(fù)合材料的切削條件苛刻，并需要專門定制刀具。Richt先生也同意，對(duì)疊層材料進(jìn)行一次完成的鉆削加工特別富有挑戰(zhàn)性。
最近，山特維克可樂(lè)滿公司推出了用于鉆削加工復(fù)合材料的CorooDrill R854。這種鉆頭用細(xì)顆粒硬質(zhì)合金制造，并采用了金剛石涂層，其幾何結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可減小軸向切削力。視加工要求和加工材料的不同，該公司還可提供硬質(zhì)合金鉆頭和PCD鉆頭。對(duì)于碳纖維復(fù)合材料(CFRP)的表面加工、邊沿加工和修整加工，該公司不僅供給刀具，而且還提供加工解決方案，包括各種焊接式或可轉(zhuǎn)位式銑削刀具。銑削工藝和刀具解決方案右沂良大程度上取決于機(jī)床的類型，即加工時(shí)采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)機(jī)床(PKM)、數(shù)控機(jī)床還是機(jī)器人。
AMAMCO公司是另一個(gè)看好復(fù)合材料發(fā)展遠(yuǎn)景的定制刀具供給商，該公司設(shè)計(jì)的刀具是對(duì)這一日益擴(kuò)大市場(chǎng)的回應(yīng)。據(jù)AMAMCO公司經(jīng)理Andrew Gulpin介紹，該公司的復(fù)合材料鉆頭具有非常小的鉆尖，并逐漸變粗到主直徑。當(dāng)小鉆尖鉆進(jìn)工件時(shí)，實(shí)際上在復(fù)合材料中產(chǎn)生了一種碎裂效應(yīng)；當(dāng)錐形鉆尖繼續(xù)加工鉆出該孔時(shí)，又對(duì)碎裂處進(jìn)行了光整清理。通過(guò)這兩種動(dòng)作，就能獲得無(wú)分層、無(wú)碎裂的無(wú)毛刺(光潔)孔。該公司還提供用于鉆削由碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和鋁合金(或鈦合金)構(gòu)成的疊層材料的刀具。Gulpin以為，沒(méi)有一種刀具設(shè)計(jì)能夠滿足疊層中所有類型材料的加工要求，為了保證孔的加工質(zhì)量，就只有犧牲刀具壽命。他指出，未涂層刀具通常最適合加工壓合疊層材料。
三、目前，AMAMCO公司使用的唯逐一種涂層是由Diamond Tool Cutters公司提供的DiaTiger涂層。Diamond Tool Cutters公司總裁Roger Bollier以為，金剛石涂層用于復(fù)合材料加工時(shí)性能卓越。金剛石導(dǎo)熱性能優(yōu)異，同時(shí)具有化學(xué)隋性，在切削高溫下不會(huì)與復(fù)合材料中使用的樹(shù)脂發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。此外，它還具有極低的摩擦系數(shù)。金剛石涂層工藝通常采用粒度較大的聚晶結(jié)構(gòu)與1μm厚的納米金剛石結(jié)構(gòu)交替涂層，而不是采用單一的金剛石涂層。這種交替涂層可以阻止裂紋從涂層表面向基體內(nèi)擴(kuò)展，而這種裂紋擴(kuò)展正是涂層失效的首要原因。晶粒較大的聚晶涂層中的裂紋趨于向垂直于表面的方向生長(zhǎng)，而納米晶體涂層中的裂紋趨于沿45°方向延伸。交替涂層通過(guò)不斷改變裂紋從一層到另一層的擴(kuò)展角，從而抑制裂紋擴(kuò)展。頂層的納米金剛石涂層(晶粒直徑僅為0.01μm)可以提供光滑的表面。
Bollier介紹了應(yīng)用于圓形刀具和刀片的涂層，其基體局限于含鉆量6%的硬質(zhì)合金基體。DiaTiger CVD涂層刀具在發(fā)生磨損后一般不能重磨，盡管Bollier也指出了鉆頭被重磨鉆尖的實(shí)例。Bollier指出，“隨著航空制造業(yè)朝著復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)化大規(guī)模加工的方向發(fā)展，金剛石涂層的應(yīng)用正被越來(lái)越多地接受。我們目前關(guān)注的重點(diǎn)是縮短涂層蝴冗積時(shí)間?，F(xiàn)在沉積厚度為12μm 的涂層通常需耗時(shí)20～60小時(shí)，縮短沉積時(shí)間將使金剛石涂層更具吸引力?！?/div>
歐士機(jī)公司(OSG Tap and Die)也為復(fù)合材料的加工定制設(shè)計(jì)刀具。該公司制造用于加工復(fù)合材料的鉆頭、立銑刀、銑刀刀頭和鉸刀等。該公司高級(jí)加工工程師Tod Petrik介紹說(shuō)，每一種復(fù)合材料的加工可能都不相同，因此必須調(diào)整刀具設(shè)計(jì)以獲得最佳性能。目前，OSG可提供未涂層硬質(zhì)合金刀具、PCD焊接刀具和金剛石涂層刀具。“為用戶定制刀具使我們能自由地為獲得最佳性能而調(diào)整刀具設(shè)計(jì)。舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)用戶的生產(chǎn)需求發(fā)生變化時(shí)，為了持續(xù)進(jìn)步用戶的生產(chǎn)率，我們?cè)诙潭處讉€(gè)月內(nèi)將鉆頭設(shè)計(jì)修改了三次。而對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品，要在兩個(gè)月內(nèi)修改三次設(shè)計(jì)是很困難的?！蓖ㄟ^(guò)控制鉆尖設(shè)計(jì)、螺旋角、徑向前角和鉆頭橫刃厚度，可以實(shí)現(xiàn)特定的加工約束，“例如，為了控制工件下表面孔的出口處的分層剝離，我們經(jīng)常需要改變鉆頭的螺旋角。用于安裝緊固件的孔通常需要倒棱，因此用戶并不擔(dān)心孔的進(jìn)口處的質(zhì)量。通過(guò)與正確的物理設(shè)計(jì)特征相結(jié)合，在那些通常輕易發(fā)生分層剝離的部位，我們可以保持刀具的推力小于30N?！?/div>
Petrik說(shuō)，“我們更看好CVD金剛石涂層硬質(zhì)合金刀具，由于借助CVD工藝，可以對(duì)各種復(fù)雜多變的刀具幾何外形進(jìn)行涂層，與鑲PCD刀尖的刀具相比，我們可以有更大的設(shè)計(jì)自由度。”但他也表示，假如加工需要，他們也會(huì)供給PCD刀具。該公司更青睞CVD涂層的原因之一是OSG擁有自己專有的CVD工藝。利用這種低本錢涂層工藝，可以對(duì)磨損的刀具進(jìn)行重新涂層，而不是扔掉，即刀具可以重磨和再使用。
PCD能否用于制造具有復(fù)雜幾何外形的刀具？Mega Diamond 公司產(chǎn)品設(shè)計(jì)經(jīng)理Scott Horman指出，將PCD應(yīng)用于切削刀具的傳統(tǒng)方式是對(duì)沉積的PCD復(fù)合片進(jìn)行切割并將其焊接到刀具上。這種方式不僅局限了切削刃的幾何外形設(shè)計(jì)，而且由于焊接點(diǎn)靠近溫度很高的切削表面，輕易導(dǎo)致刀具失效。一個(gè)解決方案是：首先加工出硬質(zhì)合金銑刀和鉆頭的刀坯，在刀坯上成形加工出復(fù)雜幾何外形或切出凹槽，然后將金剛石粉末填進(jìn)這些凹槽中并燒結(jié)成PCD 。經(jīng)過(guò)開(kāi)槽和刃磨，就可以用這些混合材料刀坯制造出具有復(fù)雜幾何尺寸的刀具。與傳統(tǒng)的PCD焊接刀具相比，這種整體燒結(jié)式PCD刀具的焊接點(diǎn)闊別切削表面，因此減少了因焊接點(diǎn)失效而引起的刀具失效。MegaDiamond公司將經(jīng)過(guò)半精加工的刀坯提供給合作企業(yè)，然后由他們進(jìn)行刀具開(kāi)槽和刃磨，獲得刀具的終極幾何外形。
四、從機(jī)床的角度來(lái)看，切削復(fù)合材料具有一定上風(fēng)。“你可以用比切削金屬(尤其是鈦合金)以及(在某種程度上)鋼或鑄鐵時(shí)快得多的表面速度進(jìn)行切削。加工復(fù)合材料時(shí)，我們以最大主軸速度運(yùn)行，可達(dá)數(shù)千英尺/每分鐘，與加工鈦合金時(shí)的200～500fpm(61～152m/min)相比，相差懸殊?！盡AG Cincinnati公司的加工經(jīng)理Mike Sess如是說(shuō)。他也以為，鉆削復(fù)合材料時(shí)，“鉆出”是個(gè)題目，“有時(shí)我們?cè)趶?fù)合材料背面加一個(gè)墊層，當(dāng)復(fù)合材料被鉆通時(shí)，可以對(duì)材料起到支撐作用”。為了保護(hù)刀具免受磨損和高溫影響，Sess推薦采用PCD焊接刀具(看來(lái)他不是CVD金剛石涂層的愛(ài)好者)。
他以為，還有一些需要留意的題目，“我們發(fā)現(xiàn)，有時(shí)在刀具釬焊接頭處，復(fù)合材料中的纖維會(huì)被剔出；或者，假如在干切削狀態(tài)下運(yùn)行，有時(shí)熱量可能會(huì)使得焊接處熔化。”在后一種情況下，使用冷卻液會(huì)有幫助。不過(guò)，有些復(fù)合材料可能會(huì)與冷卻液(特別是油基冷卻液)發(fā)生反應(yīng)而造成污染殘留，或者需要用戶在加工后進(jìn)行其它操縱以清洗工件。
由于過(guò)大的切削推力和摩擦?xí)?dǎo)致材料分層剝離，那么能否利用不同的切削加工概念來(lái)解決某些題目呢？考慮一下帶螺旋插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)的偏心式鉆削技術(shù)。由瑞典Novator公司開(kāi)發(fā)和擁有專利的偏心式鉆削裝置有一個(gè)獨(dú)立的主軸，它使鉆頭在繞自身軸線旋轉(zhuǎn)的同時(shí)還能圍繞其中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)?？霞{公司的Sampath 介紹說(shuō)，該公司開(kāi)發(fā)了一系列具有專有幾何外形設(shè)計(jì)、基體材料和涂層的刀具，為Novator的偏心式鉆削裝置配套。與麻花鉆相比，肯納刀具的多槽設(shè)計(jì)可以減小軸向壓力。
MAG Cincinnati公司的Sess以為，螺旋插補(bǔ)對(duì)于復(fù)合材料加工是一種很呼的切削策略?！霸谖覀兊男⌒蜋C(jī)床上，我們實(shí)際上可以通過(guò)螺旋插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)來(lái)進(jìn)步復(fù)合材料加工效率。但在我們的大型機(jī)床上，我們更愿意直接在機(jī)床主軸上安裝Novator偏心式鉆削裝置，我們能惻故到這一點(diǎn)。”
五、通過(guò)調(diào)整偏移量，可用一個(gè)具有特定直徑的刀具往鉆削不同直徑的孔，這意味著可以大大減少刀具庫(kù)存。
目前該產(chǎn)品可分為兩個(gè)系列：①計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)偏心式鉆削裝置，可通過(guò)編程設(shè)定不同的偏積偏心量；②可編程邏輯控制(PLC)偏心式鉆削裝置，可以手動(dòng)調(diào)整偏柳偏心量。
由CNC控制偏移的偏心式鉆削裝置可以采用各種方式確定和優(yōu)化鉆削過(guò)程，這就使各種形式靈活的可控偏心鉆削加工(如用相同直徑和設(shè)置的直槽鉆頭鉆削一個(gè)復(fù)雜外形的孔并完成精加工操縱)成為可能。
六、整體燒結(jié)式PCD鉆頭于1987年獲得專利并應(yīng)用于印刷電路板行業(yè)。從那時(shí)以來(lái)，此類刀具已在醫(yī)療、陶瓷、硬質(zhì)合金坯料、金屬基復(fù)合材料、汽車和航空產(chǎn)業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。
整體燒結(jié)式PCD鉆頭的制造是在硬質(zhì)合金坯料上磨出窄槽，并在槽中填滿金剛石粉末，然后在高溫高壓下通過(guò)PCD燒結(jié)工藝進(jìn)行燒結(jié)，其終極產(chǎn)品即為帶有條紋狀PCD的硬質(zhì)合金刀坯。這種條紋結(jié)構(gòu)可被磨削成切削刀具所需的任意幾何外形，因此，用這種刀坯可磨制出具有PCD切削刃的刀具。
七、整體燒結(jié)式PCD鉆頭的上風(fēng)在于可以形成正角切削幾何外形，也能制成小尺寸鉆頭。普通的PCD鉆頭是將PCD復(fù)合片通過(guò)銀焊焊接到刀體上，這種刀具不具有正角切削幾何外形，而且受到焊接接頭面積的隅制，鉆頭尺寸不可能做得太小。
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