制造業(yè)在大力推進(jìn)以多功能化、高性能化為主的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)；近年來(lái)，環(huán)保型產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)也變得日益必要；同時(shí)，產(chǎn)品使用的材料也在逐年變化……

　　當(dāng)前，制造業(yè)在大力推進(jìn)以多功能化、高性能化為主的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)；近年來(lái)，環(huán)保型產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)也變得日益必要；同時(shí)，產(chǎn)品使用的材料也在逐年變化。在代表制造業(yè)的汽車工業(yè)、航空工業(yè)以及半導(dǎo)體工業(yè)，雖然過(guò)去主要使用鐵系材料作為產(chǎn)品的構(gòu)件材料，但目前高強(qiáng)度、輕量化的非鐵質(zhì)復(fù)合材料的使用量已呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)。使用這些材料的最大目標(biāo)是：在保持產(chǎn)品強(qiáng)度的同時(shí)，又能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的輕量化，從而在使用時(shí)能減少能源消耗。

　　在復(fù)合材料加工方面，相關(guān)的切削刀具及使用方法與過(guò)去已有很大不同。復(fù)合材料的典型代表--碳纖維增強(qiáng)塑料（Cabron Fiber Reinforced Plastics,CFRP）和金屬基合成材料（Metal Matrix

　　Composites,MMC）在可切削加工性良好的母材中都含有難加工的硬質(zhì)材料，故刀具磨損嚴(yán)重。在加工含有硬質(zhì)材料的復(fù)合材料時(shí)，從抑制磨料磨損的角度來(lái)看，采用目前地球上最堅(jiān)硬的金剛石作為刀具材料是相當(dāng)有效的。本文主要介紹用金剛石涂層刀具切削難加工復(fù)合材料的加工實(shí)例。

　　CFRP的加工

　　目前世界上投入運(yùn)營(yíng)的噴氣式客機(jī)約有14300架，預(yù)計(jì)到20年后的2024年，將會(huì)增加到31700架。受到近來(lái)石油價(jià)格高漲的影響，以及為了滿足航空需求的不斷增加，人們力求飛機(jī)輕量化，以達(dá)到高效運(yùn)輸和降低能耗的目的。波音公司使用的復(fù)合材料以CFRP為代表，在其新機(jī)種波音787中，其使用率大約占到機(jī)身重量的50%,今后還有進(jìn)一步增加的趨勢(shì)。

　　CFRP是由具有方向性的碳纖維在母體樹(shù)脂中反復(fù)層疊后燒制而成的復(fù)合材料。碳纖維的主要作用是提高材料強(qiáng)度。在實(shí)際的產(chǎn)品制造過(guò)程中，需要將層疊的CFRP板進(jìn)行切斷、鉆孔后加工為成品形狀。加工這種復(fù)合材料時(shí)，會(huì)出現(xiàn)因纖維不能被完全切斷而引起毛刺或由硬質(zhì)材料導(dǎo)致刀具壽命縮短的問(wèn)題。

　　以用φ10mm硬質(zhì)合金立銑刀切斷厚度為5mm的CFRP層疊板為例（切削條件：6000r/min,1200mm/min,切削長(zhǎng)度0.5m,吹氣冷卻）。用傳統(tǒng)的常規(guī)形狀立銑刀加工時(shí)CFRP工件上通常會(huì)出現(xiàn)毛刺。與此相比，將刀具螺旋角由常規(guī)形狀的30°改為試驗(yàn)刀具的10°后，有效抑制了毛刺的產(chǎn)生。一般認(rèn)為，螺旋角較大時(shí)，由于其向上的分力拉起碳纖維的作用較大，因此容易產(chǎn)生毛邊；通過(guò)減小螺旋角，就能抑制這種現(xiàn)象的發(fā)生。

　　第二個(gè)加工實(shí)例是用4種φ10mm立銑刀對(duì)厚度5mm的CFRP層疊板進(jìn)行切斷加工（切削條件同上例）。按0.5m切削長(zhǎng)度來(lái)考核，未涂層立銑刀的外周兩面磨損都很大；TiAIN涂層立銑刀和DLC類金剛石涂層立銑刀也出現(xiàn)了較大磨損，刃口部位的涂層因完全磨損而露出了基體材料，磨損程度與未涂層立銑刀差別不大。而金剛石涂層立銑刀的磨損很小，基體完全沒(méi)有露出來(lái)。由此可見(jiàn)，加工CFRP時(shí)，刀具磨損嚴(yán)重，TiAIN涂層刀具及DLC涂層刀具的耐磨性都較差，因此，選擇金剛石涂層刀具是有效的解決方案。

　　MMC的加工

　　汽車零部件、半導(dǎo)體裝置零部件以及熱交換器等主要采用高性能的MMC材料，但是，由于生產(chǎn)成本和產(chǎn)品形狀自由度的原因，其發(fā)展滯后于合金材料的改良。盡管如此，由于節(jié)能意識(shí)的增強(qiáng)，對(duì)高強(qiáng)度、輕量化MMC材料的需要量有不斷增加趨勢(shì)。

　　MMC是以陶瓷為強(qiáng)化材料、金屬為基體制成的復(fù)合材料，可以采用多種材料組合。其中，以鋁為合金中的主要成分且含有百分之幾十的氧化鋁和碳化硅的MMC的使用正在增加。加工MMC時(shí)，材料中所含高硬度的陶瓷成分易導(dǎo)致刀具磨損是主要問(wèn)題所在。

　　實(shí)際的加工實(shí)例包括從形狀加工到鉆孔的各種加工。以下為鉆孔加工實(shí)例：用三個(gè)企業(yè)生產(chǎn)的φ2.6mm金剛石涂層鉆頭對(duì)Al-30%SiC的MMC工件進(jìn)行鉆孔加工試驗(yàn)（切削條件：5000r/min,500mm/min,孔深7.8mm,水溶性切削油）。加工50個(gè)孔后，A公司和B公司的金剛石涂層鉆頭前端的兩個(gè)面磨損很大，可以明顯看到涂層剝落。A、B兩家公司的鉆頭在分別加工了127個(gè)孔和140個(gè)孔之后失效。而三菱公司的金剛石涂層鉆頭在加工50個(gè)孔后，刃口也只有常規(guī)的磨損，金剛石涂層仍緊貼于刀具基體上。

　　刀具繼續(xù)加工鉆到256個(gè)孔才失效。而用未涂層鉆頭和TiAIN涂層鉆頭等加工時(shí)，鉆了幾個(gè)孔后就因磨損劇烈而無(wú)法再加工。由此可知，加工MMC復(fù)合材料時(shí)，刀具磨損嚴(yán)重是最大難題，采用金剛石涂層是有效的解決途徑。三菱公司的涂層與基體具有很高的結(jié)合力，是刀具壽命長(zhǎng)的關(guān)鍵。

　　為了穩(wěn)定地切削加工以CFRP和MMC為代表的復(fù)合材料，本文以金剛石涂層刀具的加工實(shí)例予以說(shuō)明。我們認(rèn)為，為了滿足產(chǎn)品多樣化的需求，在加工難切削材料的過(guò)程中，有效利用金剛石刀具將變得越來(lái)越重要。