從來沒有加工過熱固性復(fù)合材料——一種密度大約為鋼密度1/5的材料——的工廠可能不會(huì)認(rèn)為其加工很難。位于美國(guó)威斯康辛州West Allis市的Amalga復(fù)合材料公司發(fā)現(xiàn)具有類似態(tài)度的許多機(jī)加工廠都對(duì)這種加工進(jìn)行了嘗試。但是，它們加工復(fù)合材料的第一次也成了其最后一次。 Amalga復(fù)合材料公司的總裁兼首席運(yùn)營(yíng)官Jack DeLuca博士認(rèn)為，各機(jī)加工廠對(duì)加工復(fù)合材料“一次而止”有兩個(gè)共同原因。
　　有可能加工廠采用適合鋁或鋼合金的切削策略，這種方式顯然無(wú)法高效加工具有磨蝕性的復(fù)合材料。另一個(gè)原因可能是操作員徹底拒絕與刀具在切進(jìn)環(huán)氧樹脂及纖維加強(qiáng)體組成的零件時(shí)所生成的粉塵及污穢打交道。
　　Amalga復(fù)合材料公司專門生產(chǎn)纖維纏繞產(chǎn)品，諸如傳動(dòng)軸、輥?zhàn)印毫θ萜骷皦毫薜取?
　　它還通過壓力鑄模方式加工管道產(chǎn)品的端蓋，以及航空、流體動(dòng)力及其他工業(yè)用零件。其制造過程一半是專門纏繞或模鑄粗復(fù)合材料零件；另一半是專門加工這些零件。
　　公司已經(jīng)確定，幾乎在金屬零件上可以進(jìn)行的任何加工操作也都可以在復(fù)合材料零件上進(jìn)行。此外，它所進(jìn)行的銑、車、鉆、磨等加工過程都采用在設(shè)計(jì)時(shí)未必考慮了復(fù)合材料加工的傳統(tǒng)金屬加工機(jī)床及刀具進(jìn)行。與加工任何類型的材料一樣，關(guān)鍵是通過采用最適合復(fù)合材料的切削技術(shù)及刀具而使工藝與零件相匹配。在這方面，真的與平時(shí)從鋁零件轉(zhuǎn)換到鋼零件而對(duì)加工方法進(jìn)行適配沒有什么兩樣。
　　在過去的10年時(shí)間里，Amalga復(fù)合材料公司中要求對(duì)其零件進(jìn)行完全加工的客戶數(shù)量在穩(wěn)步增加；這些零件有些僅僅需要組裝、噴漆或進(jìn)行平衡處理。DeLuca博士以及公司負(fù)責(zé)工程的副總裁Gregg Piper為《Modern Machine Shop》提供了他們復(fù)合材料零件加工所需要的加工操作類型總結(jié)。他們還為我們指出了自己為加工這種磨蝕性材料而找到的一些有效方法。
　　材料差異
　　公司用于復(fù)合材料產(chǎn)品的纖維加強(qiáng)材料有兩種，即玻璃和碳。玻璃比碳便宜，用在成本低、強(qiáng)度要求比較高的場(chǎng)合。選用碳主要看中的是它的韌性— 碳纖維零件可能與鋼一樣堅(jiān)韌，但是重量卻只有鋼件的1/5。這兩種纖維之間沒有重大的可切削性差異。玻璃比碳更具磨蝕性，引起刀具磨損更快。而碳則比玻璃脆，產(chǎn)生更細(xì)的粉塵，更容易產(chǎn)生潔凈度方面的問題。
　　公司的粗復(fù)合材料管道是在精密鍍鉻芯棒上生成的，其中以交叉截面層的方式鍍上樹脂涂層纖維加強(qiáng)材料（叫疊層過程）。依據(jù)具體應(yīng)用而定，管道壁厚為1/8～3英寸。涂覆在芯棒上的松模劑可以幫助在固化后取下管道。粗管道的直徑為1～42英寸，一般要定長(zhǎng)切好，準(zhǔn)備二次加工操作。
　　纖維纏繞產(chǎn)品與木材類似，因?yàn)樗鼈兌季哂屑y理、紋理方向以及與這些紋理方向相關(guān)的不同的強(qiáng)度。Amalga復(fù)合材料公司可以在細(xì)絲纏繞的零件中設(shè)計(jì)特定屬性以簡(jiǎn)化二次加工過程，因?yàn)椴牧蠈?duì)加工過程會(huì)依據(jù)纖維加強(qiáng)材料、纏繞角度以及樹脂配方不同而做出不同反應(yīng)。
　　公司已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，平行于纖維的長(zhǎng)度方向進(jìn)行切割一般要比橫穿纖維切割來得容易。這是因?yàn)椋谇袛鄷r(shí)纖維一般發(fā)生斷裂，在沿長(zhǎng)度方向劈開要比與纖維成90度的方向劈開容易。這樣切割產(chǎn)生劈碎的可能性要小一些。
　　正是纖維加強(qiáng)材料使得復(fù)合材料比未填充塑料諸如尼龍更穩(wěn)定。同時(shí)，在加工非加強(qiáng)塑料時(shí)，還必須考慮反彈問題（因刀具壓力而產(chǎn)生變形），但這個(gè)問題沒有復(fù)合材料問題那么嚴(yán)重。
　　下面是公司在加工復(fù)合材料中采用的加工工藝及設(shè)備概述。
　　刀具系統(tǒng)—復(fù)合材料固有特性是腐蝕性，并易引起刀具快速磨損。視情況而定，高速鋼（HSS）、硬質(zhì)合金以及金剛石涂層刀具都是可行的復(fù)合材料加工刀具。不管刀具的材料或涂層如何，其幾何形狀都應(yīng)該具有正前角。正切削刃易戳進(jìn)材料。這種方法加工纖維的效率比用負(fù)或中性輪廓摩擦或刮過材料而進(jìn)行加工的效率更高。
　　高速鋼是三種刀具材料中最便宜的，可以在加工批次很短的情況下采用——其中總體刀具壽命不是很重要，如大批量加工就不可。硬質(zhì)合金在刀具壽命以及耐磨性方面處于高速鋼與金剛石之間，因此依據(jù)這些特性相應(yīng)使用。金剛石涂層刀具是Amalga復(fù)合材料公司的復(fù)合材料加工中最常用的刀具，因?yàn)樗鼈冊(cè)谠S多切削操作中都具有最高的耐磨性。
　　不管采用什么類型的刀具材料。精確跟蹤刀具的加工時(shí)間很重要。高速鋼、硬質(zhì)合金以及金剛石刀具等都會(huì)磨損并在直徑上縮小；操作員可以對(duì)此加以跟蹤并采取相應(yīng)行動(dòng)。當(dāng)?shù)毒咦冣g時(shí)，它趨向于截住而不是劈斷纖維，從零件上拉開并解繞纖維而不是切割纖維。機(jī)床操作員需要了解刀具的預(yù)期有效壽命，并在刀具變鈍之前更換刀具（通常是在進(jìn)行若干次加工后）。在加工復(fù)合材料時(shí)，只要零件的樹脂、纖維或纖維纏繞角度沒有變化，就可以預(yù)計(jì)刀具壽命。
　　冷卻液—采用濕式還是干式加工在很大程度上取決于加工操作。復(fù)合材料導(dǎo)熱性很低，因此對(duì)發(fā)熱量比較高的切削操作要采用冷卻液來減少零件樹脂劣化。冷卻液還可以使刀刃溫度保持控制狀態(tài)，這一點(diǎn)對(duì)金剛石涂層刀具防止涂層從刀具基體脫落具有非常重要的意義。除了冷卻切削表面，冷卻液還可以清洗刀具的切削表面，因此譬如砂輪上就不會(huì)粘有材料。
　　冷卻液可以在諸如產(chǎn)生大量粒子的無(wú)心磨削中幫助控制粉塵。然而，對(duì)于諸如單點(diǎn)車削等操作，粉塵在有限區(qū)域內(nèi)釋放，其中可以采用安裝在機(jī)床上的真空吸塵器方便地收集粉塵。這些操作將以干式進(jìn)行，除非存在工件或刀具摩擦發(fā)熱的問題。
　　純水是最常用的加工冷卻液。如果某臺(tái)機(jī)床既要加工復(fù)合材料，又要加工金屬，那么就采用加有1~2%防銹劑的水溶性液體。一定要采用水溶性冷卻液，因?yàn)樗粫?huì)像油基冷卻液那樣對(duì)油漆粘合產(chǎn)生負(fù)面影響。（加工過的復(fù)合材料零件多孔表面有大量冷卻液油可以隱藏的縫隙。）基于油或溶液的冷卻液還可能沿暴露的纖維浸潤(rùn)滲透，并且它們不會(huì)和純水一樣蒸發(fā)。
　　由于冷卻液可以幫助包容粉塵，因此產(chǎn)生的冷卻液/粉塵混合物具有泥漿一樣的稠度。復(fù)合材料粉塵為惰性，可以挖坑掩埋。但是，掩埋時(shí)不能有過多的水。Amalga復(fù)合材料公司具有可以從混合物排除水的設(shè)備，剩下可以挖坑掩埋的象黏土一樣的材料。
　　工夾—為了支持需要進(jìn)行車削加工的長(zhǎng)而薄的管道，可能需要臨時(shí)在管道各端內(nèi)安裝用于夾緊的、僅僅比管道內(nèi)孔小千分之幾英寸的管座。比較短的管道，可能是僅僅需要車端面、鉆孔或車削加工操作，可以安裝在車床的卡盤抓取的鋼加長(zhǎng)件上。加長(zhǎng)件上的肘節(jié)式夾具將工件把持到位，把持力足夠大可以滿足加工操作需要，卻不大到會(huì)使零件變形的程度。在通過內(nèi)徑對(duì)管道進(jìn)行裝夾時(shí)，一定要小心，不要對(duì)內(nèi)表面產(chǎn)生刮傷。這方面的解決方法很簡(jiǎn)單，僅在卡盤的卡爪上加一層管道膠帶即可。
　　壓縮模鑄零件與管道相比，具有更高的棱形性質(zhì)。它們是通過在模具內(nèi)堆積板材模鑄化合物然后加熱并將零件壓縮成形而制成的。這些零件一般需要的工夾方法與具有類似幾何形狀的金屬零件相同。
　　倒角—高精度臺(tái)肩以及倒角加工可以在公司的CNC車床之一上進(jìn)行。另一種方式，依據(jù)零件數(shù)量及公差而定，是用一臺(tái)類似于特型銑床但是采用23000 r/min空氣電機(jī)旋轉(zhuǎn)整體硬質(zhì)合金三角鑿的機(jī)床。該設(shè)備上的倒角操作大約需要1分鐘，而在車床上則需要5分鐘。
　　車削—公司有一些車床，包括一臺(tái)大隈（北卡羅萊那州Charlotte市））產(chǎn)小型傾斜工作臺(tái)機(jī)床以及一臺(tái)Toolmex（位于麻省Natick市）產(chǎn)帶動(dòng)力刀具的大型CNC車床。Toolmex車床既用于加工長(zhǎng)管，也用于加工短管。對(duì)于管道零件，加工操作包括車削直徑、切槽、車端面、鏜孔以及開縫等。不管采用什么機(jī)床，公司在車削時(shí)采用的表面速度都大約為300英尺/分鐘。大多數(shù)零件是采用金剛石刀具進(jìn)行車削的。
　　銑削—銑削操作一般是在壓縮模鑄零件而不是管道上進(jìn)行的。一般而言，銑削工藝與船用黃銅中所用的類似，其中需要刀具尖銳并帶正前角。對(duì)壓縮模鑄零件而言，加工速度及進(jìn)給要快三倍（900英尺/分鐘），因?yàn)椴牧铣煞峙c纖維纏繞零件的不同。壓縮模鑄零件的纖維量一般為60%，且纖維較短（大約為1英寸長(zhǎng)）。因此與纖維在整個(gè)零件上連續(xù)纏繞的管道相比，切割比較容易。管道零件還具有較高的纖維含量（70%），因此必須切割更多的纖維。
　　端面銑是壓縮模鑄零件中常用的一道操作。其中一個(gè)實(shí)例是安裝在傳動(dòng)軸端部的法蘭（參見照片）。該零件需要端面銑加工以確保平整度，因?yàn)樗鼘⒈凰ń拥綔p速箱中。銑削是采用Valenite公司（密執(zhí)安州Madison Heights市）配備金剛石刀片的端面銑刀在立式加工中心（VMC）上進(jìn)行的。公司現(xiàn)在正在考查進(jìn)行多軸加工的其他銑床。
　　銑削復(fù)合材料的總體規(guī)則是，以較高的主軸轉(zhuǎn)速及較低的進(jìn)給速度用尖銳的刀具進(jìn)行。
　　鉆削 — 鉆孔是公司管道零件加工中常用的一道工序，既在車床上進(jìn)行，也在立式加工中心上進(jìn)行。例如，對(duì)于壓力容器的管道部分，需要潔凈的孔以安裝用于排放冷凝水的管壁配件或其他配件。在鉆穿管道厚度時(shí)，一定要支撐管道的內(nèi)壁，以免出現(xiàn)脫層，或者纖維層發(fā)生分離現(xiàn)象。一般采用一個(gè)臨時(shí)安裝在管道內(nèi)的木制或塑料塞子來提供所需要的管壁支撐。
　　采用金剛石鑲尖、帶拋光溝槽的刀具以高轉(zhuǎn)速（不至于高到讓人驚訝）及低進(jìn)給速度進(jìn)行操作可以獲得最佳鉆削結(jié)果。多年以來，公司已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，螺旋角為10~50度、間隙角為9~20度、頂尖角為60~120度的薄橫刃鉆頭在排屑方面以及控制發(fā)熱量方面效果最理想。
　　與其他材料一樣，鉆削速度應(yīng)該依據(jù)孔的尺寸及深度進(jìn)行調(diào)節(jié)—一般而言，孔越大，鉆頭速度應(yīng)該越低，以維持刀具一貫的進(jìn)給量。
　　磨削—對(duì)于大部分管道產(chǎn)品，其內(nèi)徑都比外徑更重要（精密芯棒保證精確內(nèi)徑）。但是，滾輪卻需要精密外徑。公司的辛辛那提無(wú)心磨床經(jīng)過了改造而將工件加工能力從原來的6英寸~22英寸增加到可以加工大型滾輪。直徑大于22英寸的管道將在大型車床上磨削。幾乎所有的管道產(chǎn)品都是用普通水做冷卻液、要么采用硅硬質(zhì)合金要么采用氧化鋁砂輪在無(wú)心磨床上磨削加工的。
　　無(wú)心磨削不僅可以保證外徑精度，同時(shí)還可以快速去除大量材料。每道磨削操作大約去掉0.01~0.025英寸的材料。這比磨削鋼材質(zhì)去除的材料量大，因?yàn)閺?fù)合材料密度較低，每道切深可以更高。但是，由于玻璃纖維在徑向的韌度為鋼的1/10，因此會(huì)產(chǎn)生一定的變形，這一點(diǎn)意味著復(fù)合材料管道的外徑無(wú)法達(dá)到與鋼材同樣高的精度。
　　那么粉塵怎么辦？
　　DeLuca 博士指出復(fù)合材料加工中有兩個(gè)荒誕的說法 —1）會(huì)毀壞機(jī)床；2）粉塵危害操作員。這兩種說法都是不成立的。加工復(fù)合材料或任何其他材料的機(jī)床只有在切屑不定期清理的情況下才會(huì)毀壞。不過還是建議更頻繁地更換電子柜中的過濾器（要每月而不是每半年更換一次）。
　　復(fù)合材料加工中產(chǎn)生的粉塵被看作是一種令人討厭的粉塵（如鋸末一樣）。盡管玻璃纖維會(huì)引起人癢癢，但是它不像石棉纖維會(huì)附到人的肺部。這僅僅是個(gè)習(xí)慣于接觸粉塵的問題。Amalga公司現(xiàn)有機(jī)床操作員之一，以前對(duì)自己原來工作的機(jī)加工廠所用的冷卻液有過敏反應(yīng)，現(xiàn)在卻對(duì)復(fù)合材料粉塵一點(diǎn)問題也沒有。