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复合材料加工刀具​

  • 什么是复合材料?
  • 复合材料的成份和方向性
  • 复合材料加工主要难点
  • 铣削加工及刀具​
  • 孔加工及刀具
  • 金刚石超硬刀具:CVD和PCD

什么是复合材料?

        复合材料是一种工程材料,通常简称复材,至少由两种以上物理、化学属性显著不同的材料制成, 包括起粘结作用的基材和作为受力主体的增强体。在宏观层面上,复材制成品能保持和体现其成分材料的不同属性。

        按基材的不同,复合材料可分高分子基复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料三大类:

        PMC’s, 即高分子基复材,是最常见的复合材料, 通常指FRP, 即纤维增强塑料. FRP以热固性或热塑性树脂树脂做基体,用短切的或连续纤维及其织物为增强相, 经复合而成。常见的增强体有玻璃纤维、碳纤维、凯夫拉尔(芳纶纤维), 等等。

        MMC’s, 即金属基复材,在汽车工业中应用越来越多,其基材是金属,如铝,增强体通常是碳化硅。

        CMC’s, 即陶瓷基复材,常用在高温环境, 基材是陶瓷,增强物为短切纤维、碳化硅、或氮化硼。

复合材料的方向性:

        纤维增强体可做成单向的索、带,也可编织成各向同性的织物。

基材主要成分及特点

  • 环氧树脂:高质量标准;
  • 酚醛树脂:防火;
  • BMI氰酸酯树脂:抗高温;
  • 聚酯纤维(涤纶)、聚乙烯:低成本;
  • 热塑性塑料(PEEK, PEKK):抗冲击力强。

        在航空工业,环氧树脂被用作复材的构造基材或粘结剂,其本身几乎是完全透明的。而作为增强体的碳纤维,单根直径极细微,通常只有0.005–0.010mm,由碳原子以微晶体结构形成。

        除碳纤维外,复材增强体还有玻璃纤维和凯夫拉尔(芳纶纤维)。

        碳纤维呈黑色,玻璃纤维和凯夫拉尔分别是白色和黄色。纤维增强体可做成单向的索、带,也可纺织成各向同性的织物。

复合材料加工主要难点

   相对于金属和其它常规材料的加工,复合材料因其以上特点,在机械加工中,特别是切削加工中,存在一些特有的难点,主要有:

边缘产生毛刺

边缘产生毛刺

刀具易磨损

材料分层

铣削加工刀具

        复材加工专用的铣刀同时具有左、右旋的切削刃,外形类似“狼牙棒”。切削刃旋转进给时,产生类似剪刀的切削效果,避免材料分层。
        各种复合材料材料的基体材料、纤维、分层以及加工内容的情况差别很大,刃型设计需综合考虑这些因素。复材铣刀通常采用CVD纯金刚石涂层,以最大限度提高刀具寿命。

A 型:仅用于切割、修边

B 型:端部带挫,去毛刺

C 型:端部为平铣刃

D 型:前端为135°钻尖

复材加工铣刀-狼牙棒

复材铣刀应用举例

去除毛刺、避免分层

D型复材铣刀

    前端为135°钻尖,可在板材中间穿孔后再直接走出轮廓,而无需从板材侧面进刀。

C型复材铣刀

前端为2刃平底铣刀,在侧刃铣削轮廓时,可同时加工出平底槽型。

复材层板专用铣刀

        航空、游艇、豪华汽车内饰件越来越多使用复合材料,在确保强度的同时,降低重量。复合材料往往敷一层装饰木皮,提高美观度和手感。
        复材层板的构成差异性很大,加工时主要问题是分层、翻边。因此,刀具必须锋利,而且需要具有良好的排屑设计。

复材孔类加工

        各种孔加工占复材加工的60-80%,包括通孔、台阶孔、扩孔、螺纹、倒角、沉孔,等等。
        与铣切加工相似,复材的孔类加工出现的主要问题也是刀具磨损、分层、毛刺、翻边,刀具设计需要着重考虑这些问题。
        可转位刀片式制孔刀具也很常见。在模块钻、U钻、铲钻、枪钻这类传统可转位钻头的基础上,把配套刀片焊接PCD刃口,选择合适的工艺角度,能大幅度提高刀具寿命,提高切削效率和切削质量,降低每孔加工成本。

常用的复材制孔刀具

A型钻:钻尖带侧刃
B型钻:递进钻尖角
非标定制钻头:匕首钻, 台阶钻, 带导柱的沉孔钻

金刚石超硬刀具:CVD、PCD

        复合材料中添加增强材料,包括碳纤维、玻璃纤维、凯夫拉纤维,以及SiC等等,显著提升复材强度的同时,也极大增加了加工难度,加快刀具的磨损。超硬刀具的运用,很大程度解决了刀具快速磨损问题。通过高温高压的物理方法,将金刚石粉末压制出各种刀片,焊接成PCD金刚石刀具,工艺成熟,性价比很高,是复材加工的首选方案。以化学气相沉积(CVD)的方法在钨钢表面“生长”出一层纯金刚石涂层,技术已很成熟,成本也在可接受范围。CVD是在已磨成的刀具上涂层,因此CVD刀具的形状取决于数控磨床,可以很复杂。这点是PCD刀具不具备的。小直径小尺寸、复杂形状的刀具,CVD工艺具比PCD工艺具有明显优势。

CVD纯金刚石涂层刀具

CVD刀具的形状可以很复杂,小直径小尺寸、复杂形状的刀具,CVD工艺具比PCD工艺具有明显优势

PCD聚晶金刚石刀具

PCD刀具有两种:整体式和刀片式。在刀片的切削刃部位焊接PCD,是最经济的工艺。在整体刀具的刃部焊接PCD刃口,能达到最高的整体精度。由于是在焊接后再上数控磨床磨到尺寸,因此整体式PCD刀具也可做出形状较复杂的刀具。