用金刚石涂层刀具切削加工复合材料

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　　当前，制造业在大力推进以多功能化、高性能化为主的产品开发;近年来，环保型产品的开发也变得日益必要;同时，产品使用的材料也在逐年变化。在代表制造业的汽车工业、航空工业以及半导体工业，虽然过去主要使用铁系材料作为产品的构件材料，但目前高强度、轻量化的非铁质复合材料的使用量已呈现出增加趋势。使用这些材料的最大目标是：在保持产品强度的同时，又能实现产品的轻量化，从而在使用时能减少能源消耗。
& L/ r, m( y, J. X　　在复合材料加工方面，相关的切削刀具及使用方法与过去已有很大不同。复合材料的典型代表——碳纤维增强塑料(Cabron Fiber Reinforced Plastics，CFRP)和金属基合成材料(Metal Matrix Composites，MMC)在可切削加工性良好的母材中都含有难加工的硬质材料，故刀具磨损严重。在加工含有硬质材料的复合材料时，从抑制磨料磨损的角度来看，采用目前地球上最坚硬的金刚石作为刀具材料是相当有效的。本文主要介绍用金刚石涂层刀具切削难加工复合材料的加工实例。
5 P6 \5 z* I0 u- H5 ?7 v& u　　CFRP的加工
　　目前世界上投入运营的喷气式客机约有14300架，预计到20年后的2024年，将会增加到31700架。受到近来石油价格高涨的影响，以及为了满足航空需求的不断增加，人们力求飞机轻量化，以达到高效运输和降低能耗的目的。波音公司使用的复合材料以CFRP为代表，在其新机种波音787中，其使用率大约占到机身重量的50%，今后还有进一步增加的趋势。
. Q: ^2 R1 S1 K2 U+ ^/ S7 O　　CFRP是由具有方向性的碳纤维在母体树脂中反复层叠后烧制而成的复合材料。碳纤维的主要作用是提高材料强度。在实际的产品制造过程中，需要将层叠的CFRP板进行切断、钻孔后加工为成品形状。加工这种复合材料时，会出现因纤维不能被完全切断而引起毛刺或由硬质材料导致刀具寿命缩短的问题。
　　以用φ10mm硬质合金立铣刀切断厚度为5mm的CFRP层叠板为例(切削条件：6000r/min，1200mm/min，切削长度0.5m，吹气冷却)。用传统的常规形状立铣刀加工时CFRP工件上通常会出现毛刺。与此相比，将刀具螺旋角由常规形状的30°改为试验刀具的10°后，有效抑制了毛刺的产生。一般认为，螺旋角较大时，由于其向上的分力拉起碳纤维的作用较大，因此容易产生毛边;通过减小螺旋角，就能抑制这种现象的发生。
) K" M* Q# Y, i; {  [  P6 ~$ ]* W　　第二个加工实例是用4种φ10mm立铣刀对厚度5mm的CFRP层叠板进行切断加工(切削条件同上例)。按0.5m切削长度来考核，未涂层立铣刀的外周两面磨损都很大;TiAIN涂层立铣刀和DLC类金刚石涂层立铣刀也出现了较大磨损，刃口部位的涂层因完全磨损而露出了基体材料，磨损程度与未涂层立铣刀差别不大。而金刚石涂层立铣刀的磨损很小，基体完全没有露出来。由此可见，加工CFRP时，刀具磨损严重，TiAIN涂层刀具及DLC涂层刀具的耐磨性都较差，因此，选择金刚石涂层刀具是有效的解决方案。
8 f% K. v* A* h" Q　　MMC的加工
　　汽车零部件、半导体装置零部件以及热交换器等主要采用高性能的MMC材料，但是，由于生产成本和产品形状自由度的原因，其发展滞后于合金材料的改良。尽管如此，由于节能意识的增强，对高强度、轻量化MMC材料的需要量有不断增加趋势。
! ?; m: A+ r: b8 M" D3 \! L　　MMC是以陶瓷为强化材料、金属为基体制成的复合材料，可以采用多种材料组合。其中，以铝为合金中的主要成分且含有百分之几十的氧化铝和碳化硅的MMC的使用正在增加。加工MMC时，材料中所含高硬度的陶瓷成分易导致刀具磨损是主要问题所在。
, R  h2 ~, y1 D* d/ X# ]　　实际的加工实例包括从形状加工到钻孔的各种加工。以下为钻孔加工实例：用三个企业生产的φ2.6mm金刚石涂层钻头对Al-30%SiC的MMC工件进行钻孔加工试验(切削条件：5000r/min，500mm/min，孔深7.8mm，水溶性切削油)。加工50个孔后，A公司和B公司的金刚石涂层钻头前端的两个面磨损很大，可以明显看到涂层剥落。A、B两家公司的钻头在分别加工了127个孔和140个孔之后失效。而三菱公司的金刚石涂层钻头在加工50个孔后，刃口也只有常规的磨损，金刚石涂层仍紧贴于刀具基体上。刀具继续加工钻到256个孔才失效。而用未涂层钻头和TiAIN涂层钻头等加工时，钻了几个孔后就因磨损剧烈而无法再加工。由此可知，加工MMC复合材料时，刀具磨损严重是最大难题，采用金刚石涂层是有效的解决途径。三菱公司的涂层与基体具有很高的结合力，是刀具寿命长的关键。
5 E9 w, z- c4 u. \6 j4 o" f　　为了稳定地切削加工以CFRP和MMC为代表的复合材料，本文以金刚石涂层刀具的加工实例予以说明。我们认为，为了满足产品多样化的需求，在加工难切削材料的过程中，有效利用金刚石刀具将变得越来越重要。