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摘要：
       復(fù)合材料零部件可以轉(zhuǎn)載在金屬切削機(jī)床上進(jìn)行加工，也可以采用與切削金屬零件類似的刀具。然而，一旦刀具切削刃切入復(fù)合材料工件，就能揭示出與金屬切削的本質(zhì)區(qū)別——二者的材料去除機(jī)理完全不一樣。
       金屬切削加工的材料去除機(jī)理是塑性變形。工件材料比刀具材料軟，在刀具切削刃上會(huì)形成切屑流。而在切削加工復(fù)合材料時(shí)并不會(huì)產(chǎn)生真正意義上的切屑。工件材料并不是被剪切去除，切削刃的作用是切碎堅(jiān)硬的碳纖維。在此過程中，切削刃要承受劇烈的磨蝕，這可能會(huì)導(dǎo)致其快速磨損。
       在金屬切削加工中，刀具的幾何形狀決定其切削性能，刀具材料決定其使用壽命。復(fù)合材料的切削加工也同樣如此。在加工復(fù)合材料時(shí)，刀具材料也會(huì)成為其切削性能的一個(gè)決定因素。復(fù)合材料可能會(huì)造成刀具快速磨損，從而使刀具幾何形狀迅速改變——除非切削刃材料能夠抵御復(fù)合材料的磨蝕，足以保持其幾何形狀和鋒利性。鉆削加工復(fù)合材料時(shí)，一種常見的現(xiàn)象就是，可能加工出的前兩個(gè)孔都具有良好的鉆出孔口質(zhì)量，但很快就會(huì)在第三個(gè)孔出現(xiàn)分層、開裂或其他孔口缺陷，這是因?yàn)榈毒叩哪p導(dǎo)致其幾何形狀再也無法保持干凈整齊的切削。
關(guān)鍵詞：金剛石刀具,復(fù)合材料,切削加工
引言
       波音787是世界上第一種主要由碳纖維復(fù)合材料制成的大型商用客機(jī)：復(fù)合材料占到這種飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量的50%和飛機(jī)體積的大約80%。與之相比，波音777型客機(jī)所用復(fù)合材料的重量?jī)H占11%。波音公司正在實(shí)現(xiàn)一個(gè)重大承諾：用復(fù)合材料取代金屬材料。航空公司從中獲得的經(jīng)濟(jì)效益可以解釋這樣做的原因。如何切削加工復(fù)合材料對(duì)于一架飛機(jī)而言，初始購機(jī)成本在其最終總成本中并不占大頭。飛機(jī)的維修成本和燃油成本加起來占到其運(yùn)行總成本的大部分。而使用復(fù)合材料可以顯著降低這兩方面的成本。與金屬材料相比，航空復(fù)合材料本身具有更好的抗疲勞性和耐腐蝕性，從而在波音787的整個(gè)服役期間能節(jié)省高達(dá)3,000－4,000萬美元的維修費(fèi)用。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)還提供了更大的強(qiáng)度/重量比，有利于節(jié)省燃油成本。據(jù)估計(jì)，與飛行里程相同的波音767(一種較小的客機(jī))相比，一架波音787每年節(jié)省的燃油費(fèi)用可達(dá)500萬美元。如何切削加工復(fù)合材料通過采用復(fù)合材料而在維修和燃油成本上節(jié)省的費(fèi)用，以及在其他方面節(jié)省的各種成本，加起來差不多已經(jīng)接近這架飛機(jī)的價(jià)格。也就是說，可以這樣理解：如果這架飛機(jī)是用復(fù)合材料制成的，那你幾乎就是免費(fèi)獲得了這架飛機(jī)。

       軍用直升機(jī)也是最早采用先進(jìn)復(fù)合材料的領(lǐng)域之一。雖然現(xiàn)在商用飛機(jī)使用復(fù)合材料的比例(按重量計(jì))才達(dá)到50%，但某些直升機(jī)的復(fù)合材料用量(按重量計(jì))早已高達(dá)90%。然而，即使在這一市場(chǎng)中，人們也仍然在不斷發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的新用途。例如，波音公司最近就在阿帕奇AH-64軍用直升機(jī)中用CFRP部件取代了金屬部件，這并不是因?yàn)镃FRP的抗疲勞強(qiáng)度、耐腐蝕性等特性，而是因?yàn)樗哂袃?yōu)異的抗沖擊性能。
       直升機(jī)后部的水平尾翼通常用鋁合金制成。這種鋁合金部件有時(shí)會(huì)被阿帕奇直升機(jī)發(fā)射導(dǎo)彈時(shí)產(chǎn)生的噴射流所損壞，這種噴射流會(huì)以大約每秒2,000英尺的速度向后高速?zèng)_擊水平尾翼。而復(fù)合材料部件能更好地抵御這種沖擊。此外，這種新的復(fù)合材料尾翼重量更輕，制造成本也更低，可謂“一舉幾得”。

       下面是加工碳纖維復(fù)合材料(CFRP)時(shí)可能需要考慮的一些要點(diǎn)。
       （1）刀具材料
       硬質(zhì)合金刀具可以用于加工復(fù)合材料，但由于壽命較短，在加工過程中往往需要頻繁換刀。
金剛石刀具可能具有更長(zhǎng)的使用壽命。加工CFRP時(shí)，可選擇的金剛石工具包括電鍍金剛石磨粒的修磨棒、CVD金剛石涂層刀具或整體式PCD刀片。
       為加工復(fù)合材料而專門開發(fā)的一種不同尋常的刀具是“整體燒結(jié)”金剛石刀具，該刀具是將金剛石材料填充在硬質(zhì)合金刀柄上專門設(shè)計(jì)和加工出的狹槽中，直接燒結(jié)成型。
(2)刀具幾何形狀
       至少在一個(gè)方面，復(fù)合材料的“粉碎”去除機(jī)理與金屬材料的“變形”去除機(jī)理有相似之處：正如在金屬切削中一樣，切削能量也會(huì)轉(zhuǎn)化為熱量。
       CFRP的散熱特別困難，因?yàn)榧庸r(shí)不會(huì)產(chǎn)生能帶走熱量的切屑，加之復(fù)合材料的導(dǎo)熱性很差。由此造成的熱量積聚使基體材料面臨融化或以其他方式受損的危險(xiǎn)。冷卻液可能也于事無補(bǔ)，因?yàn)橛行?fù)合材料零件的加工不允許使用冷卻液。因此，只能通過合理選用刀具和走刀路徑來抑制切削熱。
       一般來說，尖銳的刀具切削角是減少切削熱的關(guān)鍵要素之一。銑削和鉆孔復(fù)合材料的刀具通常都采用大正前角，以最大限度地減少發(fā)熱量，實(shí)現(xiàn)快速、鋒利、整潔的切削。這些刀具也具有較大的后角，足以防止刀具切削刃在走刀時(shí)與工件摩擦發(fā)熱。

       雖然復(fù)合材料零部件需要進(jìn)行的加工可能比較簡(jiǎn)單——往往只需要鉆削和修邊，但用于支承這些零部件的夾具本身可能具有相當(dāng)高的設(shè)計(jì)要求。事實(shí)上，加工復(fù)合材料零部件用的夾具可能需要不菲的工程投資(圖3)。為了實(shí)現(xiàn)潔凈切削，保證工件不磨損起毛、不分層剝離，就要求工件定位可靠、夾持牢固，不會(huì)發(fā)生振動(dòng)。復(fù)合材料加工(尤其是薄壁件的加工)通常需要使用與工件外形精密貼合的真空吸附夾具(圖4)。選擇機(jī)械夾緊裝置的加工車間則通常會(huì)使用減振墊。

(4)加工機(jī)床
       復(fù)合材料航空零部件的輪廓形狀一般需要用五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床加工。有些以前加工金屬零部件的車間可能會(huì)使用自己原有的五軸機(jī)床。不過，加工復(fù)合材料(至少是加工CFRP)時(shí)，通常并不需要加工金屬材料時(shí)那樣大的機(jī)床功率和扭矩。事實(shí)上，在一些通常無法勝任金屬零件加工的輕型CNC鏤銑床上，往往能夠有效地加工CFRP和其他復(fù)合材料。
2 復(fù)合材料的銑削加工
       General Tool公司正在見證復(fù)合材料加工需求的不斷增長(zhǎng)。該公司擁有240名員工和大約40臺(tái)CNC數(shù)控金屬切削機(jī)床。迄今為止，該公司的加工車間已設(shè)法將其復(fù)合材料加工限制在其中3臺(tái)機(jī)床上。之所以要對(duì)加工復(fù)合材料的機(jī)床加以限制，部分是因?yàn)榍邢鲝?fù)合材料(主要是CFRP)時(shí)產(chǎn)生的粉塵很難管理。不過，Wilkerson先生表示，復(fù)合材料的加工需求正變得越來越大，他認(rèn)為3臺(tái)機(jī)床將很難長(zhǎng)期滿足這種加工需求。
       在該加工車間，復(fù)合材料工件的銑削加工相當(dāng)普遍(圖6)。那些尺寸較大、外壁較厚的復(fù)合材料零部件(尤其是噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的外殼)需要進(jìn)行大量的側(cè)銑和面銑加工。孔加工通常也會(huì)涉及到銑削，因?yàn)樵撥囬g為了滿足苛刻的質(zhì)量要求，需要首先鉆削出直徑較小的孔，然后再將其銑削加工到最終直徑尺寸。
       CFRP的銑削加工通常采用電鍍金剛石刀具。典型的粗銑刀用粒度為25目的金剛石顆粒制成，可能會(huì)采用9.5mm的徑向切深。典型的精銑刀用粒度為100－180目的金剛石顆粒制成，其徑向切深可能僅為0.25mm。
       Wilkerson表示，該車間曾經(jīng)確信，為了更好發(fā)揮金剛石刀具的切削性能，就需要提高切削速度，而其最大規(guī)格復(fù)合材料加工機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速僅為5,000r/min。因此，為了將較低的主軸轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為較高的表面切削速度，就需要采用大直徑的電鍍金剛石刀具。但隨著時(shí)間的推移，該車間發(fā)現(xiàn)，電鍍金剛石刀具即使在較低的轉(zhuǎn)速下，也能獲得不錯(cuò)的切削性能。事實(shí)上，低速加工對(duì)抑制切削熱更有利。
       現(xiàn)在，General Tool公司用電鍍金剛石刀具銑削加工復(fù)合材料的經(jīng)驗(yàn)和設(shè)備已轉(zhuǎn)化為一筆可觀的技術(shù)資產(chǎn)，使其在承接復(fù)合材料加工任務(wù)時(shí)處于有利地位。即便是某種特定類型的CFRP銑削加工，可能也與該車間以前曾遇到過的加工任務(wù)有所不同，但該車間知道如何選用合適的刀具和切削參數(shù)，至少可以在有效加工一種新的零件時(shí)有一個(gè)良好的開端。此外，該車間可能已有現(xiàn)成的合適刀具，這是很大的優(yōu)勢(shì)——一個(gè)重要復(fù)合材料加工項(xiàng)目所用的金剛石刀具價(jià)格可能超過1萬美元，而且從頭開始確認(rèn)和訂購這些刀具可能需要長(zhǎng)達(dá)12周的交貨時(shí)間。
       復(fù)合材料的銑削加工可能代價(jià)不菲，但與復(fù)合材料的鉆削加工相比，其加工難度可能并不算大。
3 復(fù)合材料的鉆削加工
       鉆削往往是復(fù)合材料零件加工的真正挑戰(zhàn)。在金屬零件上鉆孔時(shí)，只需去除工件材料并對(duì)孔進(jìn)行清理即可。與此不同的是，在多層結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料上鉆孔時(shí)，鉆頭可能會(huì)推擠各層材料，并在出口一側(cè)造成不可接受的分層剝離、開裂等缺陷。
       Wilkerson認(rèn)為，用標(biāo)準(zhǔn)的金屬切削鉆頭鉆削復(fù)合材料工件，就像鉆削沒有支撐的膠合板一樣，會(huì)將復(fù)合材料工件的鉆出孔口撕裂。因此，鉆削復(fù)合材料通常需要使用量身定制的專用鉆頭。
       由于復(fù)合材料孔加工的技術(shù)要求和潛在挑戰(zhàn)各不相同，因此其鉆削刀具產(chǎn)品也多種多樣。用于CFRP孔加工的刀具設(shè)計(jì)具有以下一些特點(diǎn)：
       (1)采用中心直刃鉆尖設(shè)計(jì)，鉆尖位于刀具中心，使周邊切削刃可以像飛刀那樣進(jìn)行切削。
       (2)鉆鉸刀具有各自獨(dú)立的切削刃，可用一把刀具同時(shí)完成鉆削和鉸削加工。
       (3)采用磨制的八面體鉆尖，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可使鉆尖的副切削角具有自定位功能，并能使刀具磨損分散到更多分離的切削刃上，從而延長(zhǎng)刀具壽命。
       (4)采用雙刃帶結(jié)構(gòu)的定心階梯鉆頭可以提高復(fù)合疊層材料的鉆削精度。
刀具供應(yīng)商肯納金屬公司也開發(fā)了各種復(fù)合材料加工刀具。該公司專門研究CFRP鉆削的研發(fā)工程師Karthik Sampath提供了設(shè)計(jì)更高效復(fù)       合材料孔加工刀具的一些共同要點(diǎn)：
       (1)為了減小會(huì)導(dǎo)致分層剝離的切削力，采用正的刀具幾何形狀至關(guān)重要。
       (2)螺旋角、后角和齒隙前角都遵循以下規(guī)律：隨著角度增大，鉆孔質(zhì)量趨于改善。
       (3)減小鉆尖角有利于提高鉆出孔口的質(zhì)量。不過，鉆尖角過小可能會(huì)降低刀具的切削刃強(qiáng)度。對(duì)于加工CFRP的鉆頭，最佳折衷方案似乎是采用90°鉆尖角。與之相比，鉆削金屬材料時(shí)，較典型的鉆尖角為135°(即加工復(fù)合材料的鉆頭“更尖”)。
       Sampath表示，加工CFRP時(shí)，金剛石涂層刀具通常會(huì)比未涂層刀具的使用壽命提高10倍以上。他通過實(shí)驗(yàn)，對(duì)不同厚度(5－16μm)的金剛石涂層進(jìn)行了評(píng)估，結(jié)果表明，涂層厚度為12μm的金剛石涂層刀具具有最佳的壽命/價(jià)格比。
       鉆削復(fù)合材料時(shí)，對(duì)加工質(zhì)量的關(guān)注通常集中在鉆出孔口。但Sampath指出，有時(shí)也需要注意有問題的鉆入孔口缺陷。當(dāng)鉆頭鉆入時(shí)，可能會(huì)使復(fù)合材料最上面的一層扭曲變形。出現(xiàn)這一問題通常表明鉆削進(jìn)給率太小。通過增大進(jìn)給率，往往可以減少入口缺陷——雖然這樣做可能會(huì)使出口缺陷增大。應(yīng)選用能兼顧入口和出口兩側(cè)質(zhì)量的最佳進(jìn)給率。
       General Tool公司的Wilkerson表示，他經(jīng)常選用國(guó)際硬質(zhì)合金公司(International Carbide Corporation)提供的WonderDrill鉆頭來加工一些特定的復(fù)合材料零件。該鉆頭利用正的鉤形刃口將復(fù)合材料中的增強(qiáng)纖維“拉入”切削刃，從而加工出表面光潔的孔。這種外形簡(jiǎn)潔的刀具去掉了所有多余的刀槽，以提高其強(qiáng)度和剛度(圖10)。然而，即便使用這種刀具，General Tool公司通常也不會(huì)依賴鉆削加工來達(dá)到孔的最終尺寸，因?yàn)檫@樣做使缺陷增多的風(fēng)險(xiǎn)極大。為了確保孔的質(zhì)量，該公司通常是先鉆削一個(gè)比最終直徑尺寸小0.50－0.75mm的預(yù)孔，然后再用電鍍金剛石精銑刀以圓弧插補(bǔ)方式銑孔至最終尺寸。
4 用“水刀”加工復(fù)合材料
       美國(guó)賓州的Hydrojet公司有兩臺(tái)福祿公司(Flow International Corporation)生產(chǎn)的磨料水射流(俗稱“水刀”)加工機(jī)床。該公司工程師Jack Seibert表示，作為一個(gè)小型加工車間，他們通過高效加工復(fù)合材料零件，找到了自己的利基市場(chǎng)，而其他規(guī)模較大的飛機(jī)零部件制造商很難以一種成本效益好的方式進(jìn)行這種加工。很多復(fù)合材料零件都需要用磨料水刀進(jìn)行修邊。不過，并非所有零部件都適合水刀切割。因此，該車間最終又增加了一部分銑床，現(xiàn)在它有三臺(tái)哈斯公司(Haas Automation)生產(chǎn)的加工中心和一臺(tái)X軸行程達(dá)4m的大型CNC鏤銑床。
Seibert指出，應(yīng)采用水刀加工還是常規(guī)切削加工，主要取決于零件的幾何尺寸和形狀。大型零件可以首選水刀加工，因?yàn)橛盟肚懈罟ぜr(shí)，不需要使用專門的夾具。但是，用水刀加工一些特殊廓形工件會(huì)出現(xiàn)一個(gè)問題，即用噴射水流切割預(yù)定的加工面時(shí)，可能會(huì)意外切割到工件上其他一些不應(yīng)切割的表面。如果某個(gè)零件的廓形使其本身幾乎能平行對(duì)折，可能就不適合采用水刀切割，而必須在加工中心上切削加工。
       其他一些因素也可能會(huì)影響加工方式的選擇。加工精度就是一個(gè)重要因素。加工中心的精度更高，因此更適合加工公差要求嚴(yán)苛的復(fù)合材料零件。另一個(gè)考慮因素是工件材料。水刀能夠有效加工各種不同類型的復(fù)合材料。例如，凱芙拉纖維是一種極難銑削加工的復(fù)合材料，常常令加工車間頭痛不已，而利用水刀則可以輕松地加工凱芙拉零件。