复合材料的切削加工技术

复合材料在航空、航天等产业中得到越来越多的应用。复合材料的种类很多，基体材料分金属和非金属两大类，增强材料分纤维和颗粒两大类。对复合材料进行切削加工的难度较大，一般需采用超硬刀具。

复合材料的种类和性能

复合材料是由两种或两种以上的机械、物理和化学性质完全不同的物质，经人工合成制造出多相组成的固体材料，从而获得单一组成材料所不能具备的性能和功能。

现代工程结构所用的复合材料，按基体材料的类型可分为树脂基、金属基和陶瓷基这三大类；按增强相的形态可分为长纤维、短纤维、晶须、层叠和颗粒增强的复合材料等。

在航空、航天、汽车、石油化工等产业中，纤维增强复合材料用得较多，主要类型有：

（1）玻璃纤维增强复合材料（Glass Fiber Reinforced Plastic,GFRP），主要由SiO2玻璃熔体制成，某些性能接近于钢，可代替钢使用，故又称“玻璃钢”。现已成为一种常用的工程结构材料。基体多为酚醛树脂或环氧树脂。

（2）碳纤维增强复合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastic,CFRP），其性能优于玻璃钢，现已得到广泛应用。所用基体与“玻璃钢”相同。

（3）硼纤维增强复合材料（Boron Fiber Reinforced Plastic,BFRP），应用起步稍晚，性能与CFRP接近。基体为树脂。

（4）芳纶纤维增强复合材料（Kevlar Fiber Reinforced Plastic,KFRP），其增强纤维为芳香族聚酰胺纤维，又称“芳纶纤维”。它的基体也是树脂，性能亦佳。

常用纤维增强材料及其他增强材料的机械、物理性能见表1。

各种复合材料及钢、硬铝的机械、物理性能见表2。

上述纤维增强的树脂基复合材料（FRP），多用于航空和其他方面的结构件，可代替铝合金和钛合金，甚至部分钢材，由于它们的机械性能好，且能减轻构件的重量。

此外，还有颗粒增强的铝基复合材料，如SiCp/Al的耐磨性强，可用于耐磨件，对其加工很困难。

复合材料的应用

由于复合材料的抗拉强度高，弹性模量和耐热性较好，重量轻，韧性、减振能力和抗疲惫性能特佳，故首先在飞机结构上得到广泛应用。可使飞机重量减轻，加速快，转弯变向灵活，飞行高度高，航程加长，节省燃料。后来，在汽车、船舶、纺织机械、化工设备、建筑和体育器材上也得到了广泛应用。

近年来，在民用飞机B757、B767、B777、A300、A340上，复合材料用量已占飞机全部用料的11%～20%。商用飞机B787上大量使用CFRP，已占飞机体积的11%，占结构件重量的50%。B787每年所用的燃料费，比B767减少500万美元。A380上的机身、机翼板，用大量的复合材料制造。武装直升飞机AH-60、NH-90、V-22、RAH-66上，从整流罩、地板、壁板等次承力结构到旋翼框架等主承力结构上都使用复合材料，且高达飞机重量的50%[3-4]。

例如一架哥伦比亚号航天飞机，飞机大部分均用复合材料制造。如，货舱门用CFRP制造，体积很大，长为18.2m，宽为4.6m；气瓶用KFRP制造；防热瓦用CMC制造；框架用C/A1制造；发动机架用B/Ti制造；发动机喷管用C/C制造。树脂、金属和陶瓷这3种基体的复合材料都使用上了[4]。

纤维加强复合材料的切削加工

复合材料的应用如此之广，对其部分产品或构件需要进行切削加工。因此，应熟悉和把握复合材料切削加工的规律，正确选择刀具材料和切削用量，才能保证加工质量和较高的加工效率。一般情况下，树脂基的复合材料较易切削，金属基的稍难，陶瓷基的更难；纤维加强的复合材料较易切削，颗粒加强的很难切削。笔者针对有代表性的纤维增强和颗粒增强的复合材料，用不同的刀具进行了切削试验，得到了一些切削数据，为复合材料的切削加工提供了实践基础。

1 低速切削GFRP材料

试验选用一种酚醛树脂基玻璃纤维加强的复合材料GFRP，用硬质合金K10刀具及两种超硬刀具（人造金刚石PCD和立方氮化硼PCBN）进行车削。

·切削用量为：

切削深度ap=0.3mm，进给量f=0.1mm/r，切削速度υ=80m/min。

·刀具几何参数为：

K10刀具：γ0=0°，α0=8°，Kr=45°，λs=-4°，rε=1mm。

PCD,PCBN刀具：γ0=0°，

α0=8°，γ01=-15°，bγ=0.2mm,

Kr=45°，λs=0°，rε=0.5mm，干切。

所得刀具磨损曲线见图1。

由图1可知，对GFRP加工有一定难度。用硬质合金K10刀具进行车削时，切削时间达30min时，刀具后刀面磨损量约为0.2mm。PCBN刀具切削50min时，磨损量约为0.16mm。PCD刀具耐用度最长，切削60min以上时，磨损量才达0.05mm。因此加工GFRP时，用PCD刀具最好。

笔者还用CVD涂层金钢石刀具和C3N4涂层超硬刀具，对GFRP进行过切削试验，效果接近PCD刀具。

加工树脂基的纤维加强复合材料，还有一些共同特点为：

（1）由于复合材料的导热系数低（仅及中碳钢的1/5～1/10），故切削温度高，基体轻易软化或烧焦；

（2）切削力比加工钢材时小，但切深抗力Fp和进给抗力Ff常大于主切削力Fc；

（3）纤维排列方向对切削力和加工表面粗糙度有较大影响，一般对纤维顺切时，切削力大，但表面粗糙度小；

（4）因纤维的硬度较高，故对刀具切削刃具有擦伤作用，且在后刀面能形成沟槽磨损。

（5）因金刚石刀具的硬度很高，且切削刃能够磨得很锋利，有利于切断纤维，故切削效果最好。

2 高速切削GFRP材料

再用PCD金刚石刀具车削GFRP。仍用αp=0.3mm，f=0.1mm/r；

切削速度分3档，υ=150～315m/min，并干切。取刀具磨钝标准为VB=0.05mm，得到T-υ曲线如图2所示（此图为对数坐标，故T和υ的数值不均匀分布）。

相应的泰勒（Taylor）方程为：υ=855/T0.454。

由此可见，PCD刀具可以对GFRP进行高速切削，当切削速度高于200m/min时，刀具耐用度仍可在20min以上。

颗粒加强复合材料的切削加工

试验选用铝合金基、SiC颗粒增强的复合材料MMC，用硬质合金K15刀具及两种超硬刀具（PCD和PCBN）进行车削。

MMC的3种类型分别为：

·1型：SiCp/ZL109，SiC颗粒粒度为40～50μm，质量分数为20%;

·2型：SiCp/ZL109，SiC颗粒粒度为34μm，质量分数为20%;

·3型：SiCp/ZL109，SiC颗粒粒度为28μm，质量分数为20%。

（1）切削用量为：ap=0.3mm,f=0.1mm/r,　υ=75m/min,干切。

（2）刀具几何参数为：

K15刀具：γ0=0°，α0=8°，γ01=-10°，bγ=0.2mm，kr=45°，λs=-4°，γε=0.5mm。

PCD，PCBN刀具：γ0=0°，α0=8°，γ01=-15°，bγ=0.2mm，kr=45°，λs=0°，γε=0.5mm。

用PCD车削3种类型的SiCp/ZL109，所得刀具磨损曲线见图3。

由图3可见，1型复合材料比较难加工，比2型和3型的切削时间要长得多。这是由于1型材料的SiC颗粒大（为40～50μm），故刀具磨损快。并且SiC的硬度很高，达HV3000～3500,SiC颗粒对刀具切削刃既有刮擦作用，又有冲击作用，使切削刃较快地发生磨损或破损。可以推出，颗粒的硬度越高，颗粒尺寸越大，颗粒数目越多，则刀具磨损越快。

笔者用上述3种刀具材料（K15,PCD,PCBN）车削3型SiC颗粒增强复合材料，刀具磨损曲线如图4所示。切削用量和刀具几何参数同前文所述。可见PCD刀具性能最好；PCBN刀具不如PCD，但尚可使用；硬质合金刀具K15最差，不堪使用。

再用P-CBN刀具车削3型复合材料，改变3档切削速度，υ=40～160m/min，αp与f同前。取刀具磨钝标准为VB=0.3mm，干切。

得到T-υ曲线如图5所示（T和υ为不均匀分布，是对数坐标）。相应的泰勒（Taylor）方程为：

υ=372/T0.554。

由此可见，PCBN可用于加工SiC颗粒增强的复合材料，但PCD刀具更佳。

显然，切削速度进步，则颗粒对刀具的冲击次数多，冲击动能大，则刀具的磨损加快。只有两种超硬材料的刀具能够切削SiC颗粒增强的复合材料，其他刀具材料（如硬质合金、陶瓷等）都不能胜任。

结束语

近年来，复合材料迅速发展，广泛应用于航空、航天及其他产业。纤维增强复合材料用得最多，颗粒增强的次之。经笔者试验证实，纤维增强树脂基复合材料的切削加工有一定难度，但难度尚不太大；硬颗粒增强金属基复合材料的切削加工难度很大。在刀具材料的选择上，最好用PCD金刚石，其次为PCBN。

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