復(fù)合材料在航空图呢、航天等產(chǎn)業(yè)中得到越來(lái)越多的應(yīng)用。復(fù)合材料的種類很多骗随，基體材料分金屬和非金屬兩大類蛤织，增強(qiáng)材料分纖維和顆粒兩大類。對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行切削加工的難度較大鸿染，一般需采用超硬刀具指蚜。

復(fù)合材料的種類和性能

復(fù)合材料是由兩種或兩種以上的機(jī)械、物理和化學(xué)性質(zhì)完全不同的物質(zhì)涨椒，經(jīng)人工合成制造出多相組成的固體材料摊鸡，從而獲得單一組成材料所不能具備的性能和功能。

現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)所用的復(fù)合材料蚕冬，按基體材料的類型可分為樹脂基免猾、金屬基和陶瓷基這三大類；按增強(qiáng)相的形態(tài)可分為長(zhǎng)纖維囤热、短纖維猎提、晶須、層疊和顆粒增強(qiáng)的復(fù)合材料等旁蔼。

在航空锨苏、航天、汽車容厦、石油化工等產(chǎn)業(yè)中旺民，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料用得較多，主要類型有：

（1）玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Glass Fiber Reinforced Plastic,GFRP）牙茅，主要由SiO2玻璃熔體制成担泥，某些性能接近于鋼，可代替鋼使用佛殉，故又稱“玻璃鋼”。現(xiàn)已成為一種常用的工程結(jié)構(gòu)材料鸡魁∽说基體多為酚醛樹脂或環(huán)氧樹脂蛾沪。

（2）碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastic,CFRP），其性能優(yōu)于玻璃鋼憋址，現(xiàn)已得到廣泛應(yīng)用拗炎。所用基體與“玻璃鋼”相同。

（3）硼纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Boron Fiber Reinforced Plastic,BFRP）霍凛，應(yīng)用起步稍晚李根，性能與CFRP接近〖妇Γ基體為樹脂房轿。

（4）芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Kevlar Fiber Reinforced Plastic,KFRP），其增強(qiáng)纖維為芳香族聚酰胺纖維所森，又稱“芳綸纖維”囱持。它的基體也是樹脂，性能亦佳焕济。

常用纖維增強(qiáng)材料及其他增強(qiáng)材料的機(jī)械纷妆、物理性能見表1。

各種復(fù)合材料及鋼晴弃、硬鋁的機(jī)械掩幢、物理性能見表2。

上述纖維增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料（FRP）上鞠，多用于航空和其他方面的結(jié)構(gòu)件际邻，可代替鋁合金和鈦合金，甚至部分鋼材旗国，由于它們的機(jī)械性能好枯怖，且能減輕構(gòu)件的重量。

此外蝉速，還有顆粒增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料掘楔，如SiCp/Al的耐磨性強(qiáng)，可用于耐磨件牍侧，對(duì)其加工很困難骚美。

復(fù)合材料的應(yīng)用

由于復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度高，彈性模量和耐熱性較好座叙，重量輕刮诅，韌性、減振能力和抗疲憊性能特佳契叔，故首先在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上得到廣泛應(yīng)用舟窥。可使飛機(jī)重量減輕，加速快削仲，轉(zhuǎn)彎變向靈活娘瞻，飛行高度高，航程加長(zhǎng)不恭，節(jié)省燃料叶雹。后來(lái)，在汽車换吧、船舶折晦、紡織機(jī)械、化工設(shè)備沾瓦、建筑和體育器材上也得到了廣泛應(yīng)用满着。

近年來(lái)，在民用飛機(jī)B757暴拄、B767漓滔、B777、A300乖篷、A340上响驴，復(fù)合材料用量已占飛機(jī)全部用料的11%～20%。商用飛機(jī)B787上大量使用CFRP撕蔼，已占飛機(jī)體積的11%豁鲤，占結(jié)構(gòu)件重量的50%。B787每年所用的燃料費(fèi)钝摧，比B767減少500萬(wàn)美元跟斜。A380上的機(jī)身、機(jī)翼板裹融，用大量的復(fù)合材料制造绪论。武裝直升飛機(jī)AH-60、NH-90幽卜、V-22卷俱、RAH-66上，從整流罩并淳、地板百郊、壁板等次承力結(jié)構(gòu)到旋翼框架等主承力結(jié)構(gòu)上都使用復(fù)合材料，且高達(dá)飛機(jī)重量的50%[3-4]啰林。

例如一架哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)捉为，飛機(jī)大部分均用復(fù)合材料制造。如鸡焰，貨艙門用CFRP制造焚趴，體積很大，長(zhǎng)為18.2m，寬為4.6m什往；氣瓶用KFRP制造扳缕；防熱瓦用CMC制造；框架用C/A1制造别威；發(fā)動(dòng)機(jī)架用B/Ti制造；發(fā)動(dòng)機(jī)噴管用C/C制造驴剔。樹脂省古、金屬和陶瓷這3種基體的復(fù)合材料都使用上了[4]。

纖維加強(qiáng)復(fù)合材料的切削加工

復(fù)合材料的應(yīng)用如此之廣丧失，對(duì)其部分產(chǎn)品或構(gòu)件需要進(jìn)行切削加工豺妓。因此，應(yīng)熟悉和把握復(fù)合材料切削加工的規(guī)律布讹，正確選擇刀具材料和切削用量琳拭，才能保證加工質(zhì)量和較高的加工效率。一般情況下描验，樹脂基的復(fù)合材料較易切削白嘁，金屬基的稍難，陶瓷基的更難帘染；纖維加強(qiáng)的復(fù)合材料較易切削嘀吨，顆粒加強(qiáng)的很難切削。筆者針對(duì)有代表性的纖維增強(qiáng)和顆粒增強(qiáng)的復(fù)合材料耕疟，用不同的刀具進(jìn)行了切削試驗(yàn)淮晓，得到了一些切削數(shù)據(jù)，為復(fù)合材料的切削加工提供了實(shí)踐基礎(chǔ)上互。

1 低速切削GFRP材料

試驗(yàn)選用一種酚醛樹脂基玻璃纖維加強(qiáng)的復(fù)合材料GFRP睹揍，用硬質(zhì)合金K10刀具及兩種超硬刀具（人造金剛石PCD和立方氮化硼PCBN）進(jìn)行車削。

·切削用量為：

切削深度ap=0.3mm匀冈，進(jìn)給量f=0.1mm/r责某，切削速度υ=80m/min。

·刀具幾何參數(shù)為：

K10刀具：γ0=0°既感，α0=8°坤搂，Kr=45°，λs=-4°挂悲，rε=1mm戒蟆。

PCD,PCBN刀具：γ0=0°，

α0=8°揖赴，γ01=-15°馆匿，bγ=0.2mm,

Kr=45°，λs=0°，rε=0.5mm渐北，干切阿逃。

所得刀具磨損曲線見圖1。

由圖1可知赃蛛，對(duì)GFRP加工有一定難度恃锉。用硬質(zhì)合金K10刀具進(jìn)行車削時(shí)，切削時(shí)間達(dá)30min時(shí)呕臂，刀具后刀面磨損量約為0.2mm破托。PCBN刀具切削50min時(shí)，磨損量約為0.16mm歧蒋。PCD刀具耐用度最長(zhǎng)土砂，切削60min以上時(shí)，磨損量才達(dá)0.05mm谜洽。因此加工GFRP時(shí)糕加，用PCD刀具最好。

筆者還用CVD涂層金鋼石刀具和C3N4涂層超硬刀具囱叼，對(duì)GFRP進(jìn)行過(guò)切削試驗(yàn)烂多，效果接近PCD刀具。

加工樹脂基的纖維加強(qiáng)復(fù)合材料恢核，還有一些共同特點(diǎn)為：

（1）由于復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)低（僅及中碳鋼的1/5～1/10）闻街，故切削溫度高，基體輕易軟化或燒焦忠宙；

（2）切削力比加工鋼材時(shí)小架讳，但切深抗力Fp和進(jìn)給抗力Ff常大于主切削力Fc；

（3）纖維排列方向?qū)η邢髁图庸け砻娲植诙扔休^大影響杀打，一般對(duì)纖維順切時(shí)文饱，切削力大，但表面粗糙度薪杜埂融吓；

（4）因纖維的硬度較高，故對(duì)刀具切削刃具有擦傷作用歹嘹，且在后刀面能形成溝槽磨損箩绍。

（5）因金剛石刀具的硬度很高，且切削刃能夠磨得很鋒利尺上，有利于切斷纖維材蛛，故切削效果最好。

2 高速切削GFRP材料

再用PCD金剛石刀具車削GFRP怎抛。仍用αp=0.3mm卑吭，f=0.1mm/r芽淡；

切削速度分3檔，υ=150～315m/min豆赏，并干切挣菲。取刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn)為VB=0.05mm，得到T-υ曲線如圖2所示（此圖為對(duì)數(shù)坐標(biāo)掷邦，故T和υ的數(shù)值不均勻分布）白胀。

相應(yīng)的泰勒（Taylor）方程為：υ=855/T0.454。

由此可見耙饰，PCD刀具可以對(duì)GFRP進(jìn)行高速切削纹笼，當(dāng)切削速度高于200m/min時(shí)，刀具耐用度仍可在20min以上卫殷。

顆粒加強(qiáng)復(fù)合材料的切削加工

試驗(yàn)選用鋁合金基、SiC顆粒增強(qiáng)的復(fù)合材料MMC培幽，用硬質(zhì)合金K15刀具及兩種超硬刀具（PCD和PCBN）進(jìn)行車削嗡沈。

MMC的3種類型分別為：

·1型：SiCp/ZL109，SiC顆粒粒度為40～50μm绎编，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%;

·2型：SiCp/ZL109蔑串，SiC顆粒粒度為34μm，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%;

·3型：SiCp/ZL109演穗，SiC顆粒粒度為28μm柱涕，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%。

（1）切削用量為：ap=0.3mm,f=0.1mm/r,　υ=75m/min,干切垛墙。

（2）刀具幾何參數(shù)為：

K15刀具：γ0=0°籍钱，α0=8°，γ01=-10°携喳，bγ=0.2mm种慕，kr=45°，λs=-4°巍糯，γε=0.5mm啸驯。

PCD，PCBN刀具：γ0=0°祟峦，α0=8°罚斗，γ01=-15°，bγ=0.2mm宅楞，kr=45°针姿，λs=0°，γε=0.5mm咱筛。

用PCD車削3種類型的SiCp/ZL109搓幌，所得刀具磨損曲線見圖3杆故。

由圖3可見，1型復(fù)合材料比較難加工溉愁，比2型和3型的切削時(shí)間要長(zhǎng)得多处铛。這是由于1型材料的SiC顆粒大（為40～50μm），故刀具磨損快拐揭。并且SiC的硬度很高撤蟆，達(dá)HV3000～3500,SiC顆粒對(duì)刀具切削刃既有刮擦作用，又有沖擊作用愧陈，使切削刃較快地發(fā)生磨損或破損登凿。可以推出煮啡，顆粒的硬度越高隘匙，顆粒尺寸越大，顆粒數(shù)目越多馁祈，則刀具磨損越快恕臣。

筆者用上述3種刀具材料（K15,PCD,PCBN）車削3型SiC顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料，刀具磨損曲線如圖4所示银薪。切削用量和刀具幾何參數(shù)同前文所述靴亩。可見PCD刀具性能最好夫石；PCBN刀具不如PCD伪睬，但尚可使用；硬質(zhì)合金刀具K15最差鸭僧，不堪使用口溃。

再用P-CBN刀具車削3型復(fù)合材料，改變3檔切削速度领迈，υ=40～160m/min彻磁，αp與f同前。取刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn)為VB=0.3mm狸捅，干切衷蜓。

得到T-υ曲線如圖5所示（T和υ為不均勻分布，是對(duì)數(shù)坐標(biāo)）尘喝。相應(yīng)的泰勒（Taylor）方程為：

υ=372/T0.554磁浇。

由此可見，PCBN可用于加工SiC顆粒增強(qiáng)的復(fù)合材料朽褪，但PCD刀具更佳置吓。

顯然，切削速度進(jìn)步缔赠，則顆粒對(duì)刀具的沖擊次數(shù)多衍锚，沖擊動(dòng)能大友题，則刀具的磨損加快。只有兩種超硬材料的刀具能夠切削SiC顆粒增強(qiáng)的復(fù)合材料戴质，其他刀具材料（如硬質(zhì)合金面镣、陶瓷等）都不能勝任。

結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)氏腐，復(fù)合材料迅速發(fā)展甩宣，廣泛應(yīng)用于航空、航天及其他產(chǎn)業(yè)冻哈。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料用得最多杯削，顆粒增強(qiáng)的次之。經(jīng)筆者試驗(yàn)證實(shí)优隔，纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的切削加工有一定難度褐泊，但難度尚不太大；硬顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的切削加工難度很大棋少。在刀具材料的選擇上响友，最好用PCD金剛石，其次為PCBN蚯氯。

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