與金屬切削相比撮弧，復(fù)合材料的加工提出了獨(dú)特的挑戰(zhàn)饲做。增韌纖維的磨蝕性使刀具壽命縮短飒箭。與金屬切屑不同狼电，塑料基質(zhì)帶走的熱量很少，而溫度過高可能會使基質(zhì)熔化弦蹂。復(fù)合材料容易分層剝離惯篇，加工產(chǎn)生的毛刺和纖維表明鉆削的孔或銑削的邊緣質(zhì)量很差反俱。

　　其他挑戰(zhàn)還包括對由復(fù)合材料與鈦合金(或鋁合金)組成的壓合疊層材料進(jìn)行加工和鉆削忱厨。研發(fā)出可一次完成對這種疊層材料鉆孔加工的刀具特別困難辱囤。設(shè)計復(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金剛石涂層刀具鲤瞪、以PCD作為刀刃或刀頭的焊接刀具等牢介。傳統(tǒng)的PCD刀具是通過將金剛石晶體燒結(jié)嵌入金屬基體制成，刀具的切削部分被切割成所需形狀揉拯，并焊接(或燒結(jié))在硬質(zhì)合金刀柄上泳厌。傳統(tǒng)的PCD刀具在刀具幾何形狀上受到一定局限，不過現(xiàn)在已有一些公司可以提供具有更復(fù)雜幾何形狀的整體燒結(jié)式PCD刀具液斩。

　　設(shè)計復(fù)合材料加工刀具時起驱，需要使切削力最小化，尤其在鉆削加工中谤赛，避免材料分層剝離極為重要鹊获。肯納公司高級工程師KarthikSampath解釋說，“分層剝離通常發(fā)生在刀具鉆出工件時追城，此時軸向推力會對下表面的疊層施加壓力刹碾。分層剝離也容易產(chǎn)生在刀具鉆入工件上表面時∽”盡管材料的分層剝離與軸向推力有關(guān)迷帜，但肯納公司認(rèn)為，纖維的位置不同以及材料中存在孔隙也會造成分層剝離色洞。加工金屬材料時戏锹，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火诸，它需要切斷纖維锦针，同時還要對基質(zhì)材料進(jìn)行剪切。

　　為了以最小的刀具磨損實(shí)現(xiàn)無毛刺切削惭蹂，肯納公司對刀具的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計伞插。Sampath指出，“我們的試驗(yàn)正明盾碗，鉆削復(fù)合材料時需要采用大的螺旋角媚污、大的后角和大的齒隙角，以使刀具較容易切入工件廷雅∶蟮啵”尤其需要重視切削刃后角的設(shè)計。在一次分別采用10°唆逻、20°和36°后角的對比切削試驗(yàn)中般供，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)重要栅告，“我們的試驗(yàn)結(jié)果表明睛至，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”域抚。

　　在刀具材料方面治部，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介紹涵蔓，與未涂層的硬質(zhì)合金鉆頭相比沧蛉，金剛石涂層鉆頭的壽命可以提高10倍；在某些情況下滋遗，金剛石涂層鉆頭可比PCD鉆頭的壽命提高50%蟀思。“為了獲得最好的耐磨性和最佳切削性能溉跃，我們推薦采用厚度為12μm金剛石涂層村刨。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成本喊积，性價比較差烹困。”肯納公司為加工復(fù)合材料乾吻，開發(fā)了B531和B532系列鉆頭髓梅。

　　Emuge公司銑削產(chǎn)品經(jīng)理StephenJean也同意，設(shè)計能使切削壓力最小化的刀具．幾何形狀對于復(fù)合材料的無毛刺切削至關(guān)重要绎签，“我們的立銑刀具有獨(dú)特的外形枯饿，與傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金立銑刀相比，更像是一把螺紋銑刀诡必。該銑刀包含兩個分離的鋸齒狀切削刃奢方，一個刀刃向上切削，另一個刀刃向下切削爸舒。刀刃旋轉(zhuǎn)時蟋字，其效果類似于剪刀的剪切運(yùn)動，可高效銑削基質(zhì)材料材又，同時剪切纖維枫须，并能避免磨損效應(yīng)∫┩溃”Emuge公司也為加工復(fù)合材料提供PCD立銑刀和刀片新俗，以及各種CVD金剛石涂層硬質(zhì)合金刀片及立銑刀。

　　LaehDiamond公司為切削復(fù)合材料開發(fā)了多種鉆頭崇旺、立銑刀和刀頭都鸳。該公司加工工程師JasonLindsey介紹說难踱，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)稱猪楣，他們的切削試驗(yàn)顯示刷络，CVD金剛石涂層刀具的壽命比普通硬質(zhì)合金刀具延長了20倍以上÷颂睿“關(guān)鍵在于刀具必須有足夠大的表面積锌烫，以便將PCD刀片焊接在上面。因此认扼，對于直徑小于4mm的鉆頭，我們推薦采用CVD金剛石涂層重贺；對于直徑大于4mm的鉆頭骑祟，我們推薦焊接PCD鉆尖∑希”PCD刀具除了具有較長的壽命以外次企，還能對刀片進(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)計的復(fù)合材料加工刀具的一個實(shí)例潜圃。該銑刀設(shè)計用于周邊粗銑加工缸棵，其特點(diǎn)是PCD刀頭的分布具有變化的剪切角，可控制切削力谭期。該公司開發(fā)的刀具包括插銑用和非插銑用刀具堵第。Lindsey解釋說，在圍繞復(fù)合材料進(jìn)行周邊銑削時隧出，這種設(shè)計可使較薄的踏志、不穩(wěn)定的碳纖維基層避免快速上下振動。為了獲得最佳切削效果胀瞪，推薦的切削速度為2200～3000fpm(670～914m/min)针余。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)計的P型正前角雙槽立銑刀领明；用于周邊半精銑加工的C型雙槽立銑刀标宪；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袋凶，降低切削壓力励普，從而避免復(fù)合材料分層剝離。

　　刀具供應(yīng)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)品來設(shè)計怨瑰。目前示奉，山特維克可樂滿公司的所有復(fù)合材制擊口工刀具都是定制開發(fā)的。該公司加工管理經(jīng)理FrancisRicht表示惨琼，在如今的市場上皇铝，主導(dǎo)切削數(shù)據(jù)的要素包括工件質(zhì)量页函、表面要求、加工成本以及材料成分锡胡。在航空制造領(lǐng)域漾肩，復(fù)合材料的廣泛使用、加工機(jī)床的多樣性什猖，使復(fù)合材料的切削條件苛刻舆吮，并需要專門定制刀具。Richt先生也同意庐舟，對疊層材料進(jìn)行一次完成的鉆削加工特別富有挑戰(zhàn)性欣除。

　　最近，山特維克可樂滿公司推出了用于鉆削加工復(fù)合材料的CorooDrillR854挪略。這種鉆頭用細(xì)顆粒硬質(zhì)合金制造历帚，并采用了金剛石涂層，其幾何結(jié)構(gòu)的設(shè)計可減小軸向切削力杠娱。視加工要求和加工材料的不同挽牢，該公司還可提供硬質(zhì)合金鉆頭和PCD鉆頭。對于碳纖維復(fù)合材料(CFRP)的表面加工摊求、邊緣加工和修整加工禽拔，該公司不僅供應(yīng)刀具，而且還提供加工解決方案室叉，包括各種焊接式或可轉(zhuǎn)位式銑削刀具睹栖。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，即加工時采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)機(jī)床(PKM)太惠、數(shù)控機(jī)床還是機(jī)器人钮药。

　　AMAMCO公司是另一個看好復(fù)合材料發(fā)展前景的定制刀具供應(yīng)商，該公司設(shè)計的刀具是對這一日益擴(kuò)大市場的回應(yīng)逼读。據(jù)AMAMCO公司經(jīng)理AndrewGulpin介紹尺果，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青先。當(dāng)小鉆尖鉆入工件時捌秩，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)加工鉆出該孔時委鸯，又對碎裂處進(jìn)行了光整清理脓大。通過這兩種動作，就能獲得無分層菲国、無碎裂的無毛刺(光潔)孔过桌。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認(rèn)為射屿，沒有一種刀具設(shè)計能夠滿足疊層中所有類型材料的加工要求诚摹，為了保證孔的加工質(zhì)量哺肘，就只有犧牲刀具壽命。他指出渗稍，未涂層刀具通常最適合加工壓合疊層材料佩迟。

　　目前，AMAMCO公司使用的唯一一種涂層是由DiamondToolCutters公司提供的DiaTiger涂層竿屹。DiamondToolCutters公司總裁RogerBollier認(rèn)為报强，金剛石涂層用于復(fù)合材料加工時性能卓越。金剛石導(dǎo)熱性能優(yōu)異拱燃，同時具有化學(xué)隋性秉溉，在切削高溫下不會與復(fù)合材料中使用的樹脂發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。此外扼雏，它還具有極低的摩擦系數(shù)坚嗜。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诗充。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诱建。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蝴蜓，而納米晶體涂層中的裂紋趨于沿45°方向延伸。交替涂層通過不斷改變裂紋從一層到另一層的擴(kuò)展角武骆，從而抑制裂紋擴(kuò)展榛舍。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硝锨，其基體局限于含鉆量6%的硬質(zhì)合金基體耽慌。DiaTigerCVD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)例储佣。Bollier指出辅任，“隨著航空制造業(yè)朝著復(fù)合材料工業(yè)化大規(guī)模加工的方向發(fā)展，金剛石涂層的應(yīng)用正被越來越多地接受位蓉。我們目前關(guān)注的重點(diǎn)是縮短涂層蝴冗積時間×⒙現(xiàn)在沉積厚度為12μm的涂層通常需耗時20～60小時，縮短沉積時間將使金剛石涂層更具吸引力冶媚〈洗粒”

　　歐士機(jī)公司(OSGTapandDie)也為復(fù)合材料的加工定制設(shè)計刀具。該公司制造用于加工復(fù)合材料的鉆頭彭旬、立銑刀缰俊、銑刀刀頭和鉸刀等。該公司高級加工工程師TodPetrik介紹說娩梨，每一種復(fù)合材料的加工可能都不相同沿腰，因此必須調(diào)整刀具設(shè)計以獲得最佳性能览徒。目前，OSG可提供未涂層硬質(zhì)合金刀具矫俺、PCD焊接刀具和金剛石涂層刀具吱殉。“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)計厘托。舉例來說友雳，當(dāng)用戶的生產(chǎn)需求發(fā)生變化時，為了持續(xù)提高用戶的生產(chǎn)率铅匹，我們在短短幾個月內(nèi)將鉆頭設(shè)計修改了三次押赊。而對于標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品，要在兩個月內(nèi)修改三次設(shè)計是很困難的包斑×鹘福”通過控制鉆尖設(shè)計、螺旋角罗丰、徑向前角和鉆頭橫刃厚度神帅，可以實(shí)現(xiàn)特定的加工約束，“例如腊囤，為了控制工件下表面孔的出口處的分層剝離几菲，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韭展，因此用戶并不擔(dān)心孔的入口處的質(zhì)量杉唇。通過與正確的物理設(shè)計特征相結(jié)合，在那些通常容易發(fā)生分層剝離的部位酬裆，我們可以保持刀具的推力小于30N辟侠。”

　　Petrik說葱有，“我們更看好CVD金剛石涂層硬質(zhì)合金刀具眨柑，因?yàn)榻柚鶦VD工藝，可以對各種復(fù)雜多變的刀具幾何形狀進(jìn)行涂層柑耙，與鑲PCD刀尖的刀具相比述茂，我們可以有更大的設(shè)計自由度±啄瘢”但他也表示雇寇，如果加工需要，他們也會供應(yīng)PCD刀具蚌铜。該公司更青睞CVD涂層的原因之一是OSG擁有自己專有的CVD工藝锨侯。利用這種低成本涂層工藝，可以對磨損的刀具進(jìn)行重新涂層冬殃，而不是扔掉囚痴，即刀具可以重磨和再使用叁怪。

　　PCD能否用于制造具有復(fù)雜幾何形狀的刀具？MegaDiamond公司產(chǎn)品設(shè)計經(jīng)理ScottHorman指出深滚，將PCD應(yīng)用于切削刀具的傳統(tǒng)方式是對沉積的PCD復(fù)合片進(jìn)行切割并將其焊接到刀具上奕谭。這種方式不僅局限了切削刃的幾何形狀設(shè)計，而且由于焊接點(diǎn)靠近溫度很高的切削表面痴荐，容易導(dǎo)致刀具失效血柳。一個解決方案是：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)雜幾何形狀或切出凹槽生兆，然后將金剛石粉末填入這些凹槽中并燒結(jié)成PCD难捌。經(jīng)過開槽和刃磨，就可以用這些混合材料刀坯制造出具有復(fù)雜幾何尺寸的刀具鸦难。與傳統(tǒng)的PCD焊接刀具相比垮允，這種整體燒結(jié)式PCD刀具的焊接點(diǎn)遠(yuǎn)離切削表面，因此減少了因焊接點(diǎn)失效而引起的刀具失效水仑。MegaDiamond公司將經(jīng)過半精加工的刀坯提供給合作企業(yè)蒿缎，然后由他們進(jìn)行刀具開槽和刃磨，獲得刀具的最終幾何形狀颂芒。

　　從機(jī)床的角度來看哥笤，切削復(fù)合材料具有一定優(yōu)勢〈剀裕“你可以用比切削金屬(尤其是鈦合金)以及(在某種程度上)鋼或鑄鐵時快得多的表面速度進(jìn)行切削。加工復(fù)合材料時炫胡，我們以最大主軸速度運(yùn)行哈寂，可達(dá)數(shù)千英尺/每分鐘，與加工鈦合金時的200～500fpm(61～152m/min)相比狗城，相差懸殊佑茴。”MAGCincinnati公司的加工經(jīng)理MikeSess如是說蚊楞。他也認(rèn)為键闺，鉆削復(fù)合材料時，“鉆出”是個問題澈驼，“有時我們在復(fù)合材料背面加一個墊層辛燥，當(dāng)復(fù)合材料被鉆通時，可以對材料起到支撐作用”缝其。為了保護(hù)刀具免受磨損和高溫影響挎塌，Sess推薦采用PCD焊接刀具(看來他不是CVD金剛石涂層的愛好者)。

　　他認(rèn)為内边，還有一些需要注意的問題榴都，“我們發(fā)現(xiàn)待锈，有時在刀具釬焊接頭處，復(fù)合材料中的纖維會被剔出嘴高；或者竿音，如果在干切削狀態(tài)下運(yùn)行，有時熱量可能會使得焊接處熔化拴驮〈核玻”在后一種情況下，使用冷卻液會有幫助琢播。不過铝比，有些復(fù)合材料可能會與冷卻液(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)行其它操作以清洗工件茄颈。

　　由于過大的切削推力和摩擦?xí)?dǎo)致材料分層剝離穷筒，那么能否利用不同的切削加工概念來解決某些問題呢？考慮一下帶螺旋插補(bǔ)運(yùn)動的偏心式鉆削技術(shù)去柿。由瑞典Novator公司開發(fā)和擁有專利的偏心式鉆削裝置有一個獨(dú)立的主軸弦撤，它使鉆頭在繞自身軸線旋轉(zhuǎn)的同時還能圍繞其中心軸轉(zhuǎn)動》眩肯納公司的Sampath介紹說鼠基，該公司開發(fā)了一系列具有專有幾何形狀設(shè)計、基體材料和涂層的刀具铆寓，為Novator的偏心式鉆削裝置配套假怔。與麻花鉆相比，肯納刀具的多槽設(shè)計可以減小軸向壓力陵蜻。

　　MAGCincinnati公司的Sess認(rèn)為怕收，螺旋插補(bǔ)對于復(fù)合材料加工是一種很呼的切削策略∮弑瘢“在我們的小型機(jī)床上片效，我們實(shí)際上可以通過螺旋插補(bǔ)運(yùn)動來提高復(fù)合材料加工效率。但在我們的大型機(jī)床上英古，我們更愿意直接在機(jī)床主軸上安裝Novator偏心式鉆削裝置淀衣，我們能惻故到這一點(diǎn)≌俚鳎”

　　鏈接1：Novator偏心式鉆削技術(shù)

　　Novator公司擁有專利的偏心式鉆削技術(shù)(OrbitalDrilling?)是基于切削刀具在繞其自身軸線旋轉(zhuǎn)的同時膨桥，還圍繞一個中心軸線轉(zhuǎn)動，而該中心軸線與刀具軸線之間存在偏移某残。因此国撵，刀具可以既作軸向運(yùn)動進(jìn)行鉆削或孔加工，同時又作任意橫向運(yùn)動以加工開口或凹腔。

　　通過調(diào)整偏移量介牙，可用一個具有特定直徑的刀具去鉆削不同直徑的孔壮虫，這意味著可以大大減少刀具庫存。

　　目前該產(chǎn)品可分為兩個系列：①計算機(jī)數(shù)控(CNC)偏心式鉆削裝置环础，可通過編程設(shè)定不同的偏積偏心量囚似；②可編程邏輯控制(PLC)偏心式鉆削裝置，可以手動調(diào)整偏柳偏心量岗翔。

　　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)化鉆削過程幌蹈，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復(fù)雜形狀的孔并完成精加工操作)成為可能。

　　鏈接2：整體燒結(jié)式PCD鉆頭

　　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)蹲鱼。從那時以來转迷，此類刀具已在醫(yī)療、陶瓷哲耐、硬質(zhì)合金坯料乞易、金屬基復(fù)合材料、汽車和航空工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用鳞爱。

　　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毕蠢，并在槽中填滿金剛石粉末，然后在高溫高壓下通過PCD燒結(jié)工藝進(jìn)行燒結(jié)便师，其最終產(chǎn)品即為帶有條紋狀PCD的硬質(zhì)合金刀坯雁唁。這種條紋結(jié)構(gòu)可被磨削成切削刀具所需的任意幾何形狀，因此刮粥，用這種刀坯可磨制出具有PCD切削刃的刀具车份。

　　整體燒結(jié)式PCD鉆頭的優(yōu)勢在于可以形成正角切削幾何形狀，也能制成小尺寸鉆頭牡彻。普通的PCD鉆頭是將PCD復(fù)合片通過銀焊焊接到刀體上躬充，這種刀具不具有正角切削幾何形狀，而且受到焊接接頭面積的隅制讨便，鉆頭尺寸不可能做得太小。

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