2019郑州工博会｜如何选择碳纤维复合材料钻孔/铣削/车削刀具？

  CFRP碳纤维增强复合材料具有质量轻、强度高的优点，在航空航天领域有着大量的应用，如航天飞机的舱门、仿生机械臂以及压力容器等。随着航空制造技术的不断发展，先进民用飞机在结构中大量地使用了碳纤维增强树脂基复合材料，主要部位有：整流包皮、副翼、发动机罩、阻力板、扰流器、起落架舱门、水平和垂直尾翼、方向舵及其他主要及次要承力结构件等。在民用领域，CFRP碳纤维增强复合材料的应用也不断扩大，如汽车结构件、风力发电机叶片、体育器材等。

  碳纤维增强复合材料具有较高的比强度、比刚性，是以碳纤维或碳纤维织物为增强体，以树脂、陶瓷、金属、水泥、碳质或橡胶等为基体所形成的复合材料，轻量化效果十分明显，在航空航天、汽车行业、军工产品中得到广泛应用。但是对碳纤维复合材料的切削加工有一定的难度，本文结合华菱超硬多年来研发金刚石刀具的经验，对如何选择刀具解决碳纤维复合材料的切削加工难题进行探讨。

  碳纤维复合材料应用

  一、碳纤维复合材料的分类

  碳纤维复合材料可从以下两个方面进行分类：（1）根据碳纤维的力学性能可分为高模量，超高模量，高强度和超高强度4种，常用的有碳纤维增强复合材料(CFRP)、碳纤维增强陶瓷基复合材料、碳/碳复合材料、碳纤维增强金属基复合材料、碳纤维增强树脂复合材料等。（2）根据原丝的类型可分为聚丙烯腈基碳纤维(PAN)、纤维素基碳纤维(粘胶基碳纤维)、沥青基碳纤维、酚醛基碳纤维等。

  二、碳纤维复合材料切削加工难题

  为什么说碳纤维复合材料难加工呢？是因为碳纤维复合材料在加工过程中，树脂与纤维存在复杂的内部相互关系，往往会出现碳纤维拉丝或者脱离，并且碳纤维复合材料具有较高的耐热性和耐磨性，在加工过程中会产生大量的切削热以及磨损，对加工设备的要求也很高。碳纤维方向30°、60°、90°是最关键的方向，它们会导致大的切削力集中磨损，碳纤维复合材料难加工的一个主要原因就是对刀具的磨损非常严重，而且磨损很快，磨损主要分为刀尖磨损、刀具侧面磨损、刀具边缘磨损；另外，切削工艺参数也会显著影响到刀具的磨损。

  三、如何选择刀具材质加工碳纤维复合材料？

  碳纤维复合材料加工刀具材质与硬质合金、金刚石涂层刀具、聚晶金刚石（PCD）刀具。

  （1）硬质合金刀具采用YG类添加TaC或NbC超细颗粒硬质合金，此类材质刀具耐热性和抗氧化性好，但加工碳纤维复合材料时，刀具磨损严重，零件外表面粗糙有撕裂痕迹，切削加工中需要频繁换刀、磨刀，加工效率低，对操作者的要求高、质量不稳定，不能满足产品的批量生产要求。（2）金刚石涂层刀具是在硬质合金整体刀具或PCD刀片的基体上做金刚石涂层，可使切削刃耐磨性更高，不仅拥有金刚石的高硬度和耐磨性，而且能在较长的加工周期内保持原有刀具的几何结构，保证加工效果。

  （3）聚晶金刚石刀具是目前加工碳纤维复合材料较为理想的刀具，聚晶金刚石PCD的硬度可达9000HV，是硬质合金的4～6倍，具有很高的耐磨性（是硬质合金的几百倍），如华菱超硬CDW010材质，具备优异的耐磨性，同时保持锋利的刃口，可有效地切断纤维，保证较高的表面光洁度，减少刃磨刀具、抛光等辅助时间，减轻操作者的劳动强度，大大提高生产效率。

  华菱超硬聚晶金刚石粒度性能

  四、华菱超硬金刚石刀具解决碳纤维复合材料切削加工难题

  由于纤维材料和金属材料的机械性能有很大的差别，容易在加工过程中出现毛刺、分层断裂等缺陷，所以在加工航天航空行业内的零配件时，聚晶金刚石（PCD）刀具要比传统的碳化钨硬质合金刀具获得更高的加工质量。

  （1）碳纤维复合材料钻孔刀具

  华菱超硬研发的碳纤维复合材料钻孔刀具有：金刚石钻头、金刚石钻铰刀、金刚石麻花钻、金刚石阶梯钻及非标金刚石钻头等，采用进口PCD片材为切削刃，具有很好的耐磨性能，以碳化钨硬质合金为基体，硬质合金基体具有很好的刚性和尺寸精度，能够确保钻孔铣削的加工质量，并设计内冷（内部螺旋冷却）通道提高冷却性能，钻头螺旋式排屑槽可提高排屑性能，进而提高加工效率，这对碳纤维复合材料的钻孔加工是非常重要的。

  华菱超硬碳纤维复合材料钻孔刀具可进行多刃口设计，并且可根据具体加工情况调整角度及锋利度，在复合材料上进行孔加工时，减少钻头的切削力，可避免材料分层现象，锋利的切削刃部能够保证孔的良好质量；钻铰锪一体刀具，钻孔和锪窝一次完成，省略了用常规钻头和铰刀加工时所需要的退刀、换刀和转位，可以大大提高加工效率。

  华菱超硬金刚石钻头

  （2）碳纤维复合材料铣削刀具

  华菱超硬推出的碳纤维复合材料铣削刀具有：金刚石铣刀片及配套铣刀盘、金刚石立铣刀、金刚石螺旋立铣刀、金刚石单刃铣刀、金刚石双刃铣刀、金刚石球头铣刀以及非标金刚石铣刀等，华菱超硬金刚石铣刀的优势在于规格齐全、非标定制可快速交货，并能够根据样品效果快速进行改进提升；另一优势在于其具备内冷性能，在对CFRP碳纤维增强复合材料板材进行铣削加工时，在压缩空气的作用下，内冷孔可以促进CFRP碳纤维增强复合材料切屑经铣刀螺旋排屑槽快速排出；在对CFRP/钛层叠板材料进行加工时，可以通过密封的内部冷却通道进行冷却润滑，在促进润滑的同时还可以降低在钛材料加工中形成的高热，因为这种材料的热传导率较低，而金刚石PCD刀具的切削温度不宜过高（600°以内为佳）。

  华菱超硬金刚石立铣刀

  （3）碳纤维复合材料车削刀具

  华菱超硬推出的碳纤维复合材料车削刀具有：金刚石刀片、金刚石车刀以及非标金刚石刀具等，车削加工是在CFRP碳纤维增强复合材料加工中应用非常多的方法也是很基础的方法，通常适用于圆柱表面预定公差的实现。适合车削碳纤维复合材料可以应用的刀具主要材料为：硬质合金或陶瓷以及聚晶金刚石。加工工艺中进刀速率，吃刀深度，和切削的速度都会影响工件成品表面质量和道具损坏程度，这也是进行技术优化的目标方向。

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