山高刀具引领复合材料的跨领域应用

2012-09-20 10:26:39

现代常见复合材料根据基体材料不同分为塑料基复合材料（本文仅限讨论塑料基复合材料），金属基复合材料，陶瓷基复合材料等；塑料基复合材料又根据糅合入基体类的不同材料，分为碳纤维，玻璃纤维（俗称玻璃钢），芳纶等材料。更有多种不同材料叠加，如碳纤维+铝合金，碳纤维+蜂窝材料，玻璃纤维+钛合金等材料。

复合材料可以根据强度设计要求，设计不同的纤维编织方向，选择单方向提高材料强度，分为平织，斜纹织，缎纹织等各种纤维铺设方向方法。同时，塑料基复合材料，又可以根据基体分为热塑性复合材料和热固性复合材料；热塑性材料会在高温下融化为液体，并且在低于融化温度后变为固体。这个过程可以被不断重复，类似小的方冰块。热固性材料特性不同。足够的热量会产生化学反应，称为“交联”，材料会永远变形。热固即为，随热而固。交联后，热固材料不会融化。过高温度，热固材料会烧焦，物理特性会降低。

剪切，切屑流经过切削面切削区有良好的散热粉碎，切削刃使基体破碎切削区的散热较少

复合材料与金属相比，具有以下特点：

◎ 减少重量；

◎ 减少零部件数量，更高强度和刚性；

◎ 更好耐冲击性，更好耐疲劳性，更好隔热和隔音性，更好防振和噪音衰减性，无电流腐蚀性；

◎ 控制纤维方向，确定材料不同方向特性；

◎ 生产复杂形状产品。

由于复合材料由两种或者多种材料糅合在一起，而且纤维的铺设方向，分层不同，所以对加工提出了更高的挑战，在加工过程中容易产生以下问题：刀具快速磨损，毛刺过大，材料分层，剩余纤维未切除，加工过热等问题。

复合材料加工与金属加工机理有着本质的不同，金属加工时被加工材料比切削刀具更软，切削过程中被加工材料沿着剪切面形成连续的塑形变形，从而形成连续的，锯齿状的断续的切屑变形。而复合材料加工，本身为一系列脆性破坏过程，切削刃的撞击使得坚硬的纤维粉碎，形成粉末状或者毛刷状的碎屑。

由于复合材料的高耐磨性，刀具通常采用金刚石涂层或者PCD（聚晶金刚石）刀具切削。同时，复合材料加工过程中，需要锋利的切削刃，将纤维切除。金刚石涂层可以显著提高刀具寿命，但是金刚石涂层在涂层前需要刃口处理，方便涂层附着，同时金刚石涂层本身有一定厚度，所以会造成金刚石涂层刀具较不锋利，通常刃口圆角约为20um。PCD刀具直接刃磨而成刃口，所以可以比较锋利，通常刃口圆角约为10um。

两种刀具的选择通常根据客户生产规模来定，如果是小批量，多品种产品加工，可以采用金刚石涂层刀具；如果是大批量定型产品，追求效率，可以采用PCD刀具。加工常见碳纤维复合材料，金刚石涂层刀具铣削线速度约为200~400m/min，而PCD刀具铣削线速度可以达到400~800m/min。

复合材料广泛应用于航空航天，能源（风电叶片），汽车，运动器材，医疗，游艇等行业，主要目的为材料的高强度和低密度。如常见的碳纤维，强度接近高强度钢，而密度为2.4g/cm3，比铝合金密度还低；芳纶材料密度更低至1.3~1.4g/cm3。山高刀具提供完整的加工复合材料铣刀和钻头，分为两个系列，金刚石涂层和PCD铣刀，全部为标准产品推向市场。

金刚石涂层铣刀工分为5种：

◎ 小螺旋角铣刀：减小轴向切削力，减少毛刺，可以应用于所有塑料基复合材料，并可以很好加工高含硅铝合金；

◎ 小螺旋角球头铣刀：主要用于加工材料成形，如航空起落架型面加工；

◎ 左旋右旋铣刀：将材料至于螺旋角交叉处，完全抵消加工过程中的轴向切削力，从而实现最好的加工表面质量，主要用于军工行业；

◎ 菠萝铣刀：采用更多的左旋齿，将材料下压，提供工装刚性，获得较好表面质量，主要用于加工碳纤维复合材料；

◎ 蜂窝材料专用铣刀：锯齿状切削刃设计，锋利刃口，轻快切除，防止压倒蜂窝，主要用于加工，纸蜂窝板，铝蜂窝板和钛合金蜂窝板。PCD铣刀分为3种：

◎ 0度刃倾角PCD铣刀：适用于绝大多少应用的各种复合材料（包括塑料基复合材料，金属基复合材料和陶瓷基复合材料）；

◎ 正3度刃倾角PCD铣刀：加工过程中将材料下压，从而得到最好的上表面表面质量；

◎ 负3度刃倾角PCD铣刀：加工过程中将材料上推，从而得到最好的上表面表面质量。

金刚石涂层钻头分为2种：

◎ C1钻尖设计：由两个顶点角形成，减小轴向切削力，防止分层，用于加工出口为复合材料的材料；

◎ C2钻尖设计：由180度平面顶点角和小钻尖形成，较好的断屑和排屑设计，保证孔的质量。适用于加工出口为金属材料的叠加复合材料，如碳纤维+铝合金等材料。