目前，對于環(huán)境問題的重視以及節(jié)能減排的迫切需求，各國在汽車以及軌道交通領(lǐng)域?qū)τ?a href="http://www.yqgqt.org.cn/post/1907080" class="jsk-anchor">復(fù)合材料的應(yīng)用加大了研發(fā)的投入，各大企業(yè)也在復(fù)合材料應(yīng)用方面不斷推動技術(shù)創(chuàng)新，以拓展復(fù)合材料應(yīng)用范圍，提高自身競爭力。復(fù)合材料的種類繁多，特性也各異，那么在汽車行業(yè)中，都使用哪些復(fù)合材料？材料有哪些特點？怎樣選擇合適的刀具？成功的刀具方案可提高復(fù)合材料機械加工的質(zhì)量和效率，節(jié)省成本并提高產(chǎn)品競爭性。

復(fù)合材料加工中出現(xiàn)的問題

復(fù)合材料與金屬材料在機械加工中有著很大的區(qū)別，復(fù)合材料在加工的過程中容易產(chǎn)生毛刺、分層、刀具磨損、樹脂燒熔等問題，我們通常會通過選擇合適的刀具材質(zhì)、刀具刃型、加工工藝和合理的加工參數(shù)來避免。

（1）毛刺（見圖1）。由于切斷效果不好，使得材料周圍有剩余纖維。針對這樣的問題，需要提高刀具的鋒利性。

圖1

（2）分層（見圖2）。沿著刀具切削力的方向，如果切削力過大，通常會造成表面的材料被撕裂，造成分層。 對于這種問題，需要通過對刀具刃型設(shè)計和切削參數(shù)的調(diào)整來避免。

圖2

（3）刀具磨損（見圖3）。刀具磨損是復(fù)材加工中比較常見的問題。加工復(fù)材的纖維強度， 樹脂種類等都會引起刀具的磨損，需要根據(jù)材料和加工工況合理選擇刀具。

圖3

（4）樹脂燒熔。部分復(fù)合材料使用的樹脂耐高溫程度較低，在快速切削的過程中產(chǎn)生的切削熱容易引起樹脂燒熔。

復(fù)合材料種類

汽車行業(yè)使用復(fù)合材料主要有以下幾種：

1.金屬基復(fù)合材料

金屬基復(fù)合材料除了具有高比強度、高比模量和低熱膨脹系數(shù)等特點，它還有耐高溫、防燃、橫向強度和剛度高、不吸潮、高導(dǎo)熱和高導(dǎo)電以及抗輻射性能好的特點。在汽車行業(yè)，采用顆粒增強和短纖維增強的鋁基和鎂基復(fù)合材料，主要用在汽車制動盤、制動鼓、保持架、驅(qū)動軸和發(fā)動機零件上。鋁基復(fù)合材料也用于剎車輪上。鈦基復(fù)合材料主要作為制造渦輪發(fā)動機的材料，這種材料加工中最主要的問題是刀具磨損快，出口易碎裂。通常我們會采用PCD刀具進行加工。但對于部分材料中還有顆粒不均勻的材質(zhì)，需要避免使用焊接PCD刀具，避免刀具因突然的外力造成刀具崩裂。

2.陶瓷基復(fù)合材料

它具有耐高溫、耐磨性好、耐腐蝕性好、膨脹系數(shù)低、隔熱性能好、密度低等特點，且資源豐富，應(yīng)用前景非常廣闊，尤其適合使用在易磨損的部件上。我們已成功應(yīng)用在轎車發(fā)動機的渦輪增壓器上，也有用于軸承、剎車片、氣缸蓋、活塞和排氣管上的。但是阻礙陶瓷基復(fù)合材料發(fā)展的主要因素是價格和可靠性，如何降低成本和提高可靠性，是世界各國正在努力研究的課題。它與金屬基復(fù)合材料類似，切削加工時最大的問題也是刀具的磨損。國內(nèi)大多使用磨削的方式來加工，但磨削效率比較低。目前在較好的加工工況下，逐步使用PCD刀具和CVD涂層刀具來代替磨削加工。

3.纖維增強樹脂基復(fù)合材料

根據(jù)增強纖維的不同，纖維增強樹脂基復(fù)合材料又可分為碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維樹脂基復(fù)合材料。最近又有了更環(huán)保的玄武巖纖維樹脂基復(fù)合材料。樹脂基復(fù)合材料具有比模量高、比強度高、耐腐蝕、可設(shè)計性強以及綜合經(jīng)濟效益明顯等特點，已經(jīng)成為汽車輕量化的首選材料。纖維增強型材料，在機械加工中相對比較困難，容易產(chǎn)生毛刺、分層、樹脂燒熔及刀具磨損等問題。一般多采用交互式刃型設(shè)計的CVD涂層的硬質(zhì)合金刀具。

（ 1 ） 玻璃纖維增強塑料（GFRP）。成本較低廉、資源豐富、耐腐蝕性和降噪效果好是目前汽車上應(yīng)用最多的材料，主要用于發(fā)動機、發(fā)動機周邊、車身及內(nèi)飾的部分。例如：通用公司用玻璃鋼制造轎車發(fā)動機氣門罩、油底殼齒輪室蓋、進氣管護板等。也可用于車身結(jié)構(gòu)的骨架、梁柱和覆蓋件以及汽車內(nèi)飾的儀表盤、裙板、倉門板等。目前在加工中主要出現(xiàn)的問題多是毛刺問題。主要要采用鋒利刃型的刀具，快速切斷纖維。

（ 2 ） 碳纖維增強復(fù)合材料（CFRP）。憑借它優(yōu)良的強度和剛度，CFRP是制造汽車車身、底盤等主要結(jié)構(gòu)件的最輕材料，可有效降低汽車自重并提高汽車性能。例如：寶馬、福特、保時捷、通用等公司都將CFRP用于車身和車頂棚等的生產(chǎn)。CFRP也是比較難加工的材料，尤其是單向帶式的CFRP，極易產(chǎn)生分層，所以在采用鋒利的刀具同時，還需在刃型設(shè)計上和參數(shù)的設(shè)定上減小切削力，避免材料表面的分層。

（3）芳綸纖維材料。芳綸纖維材料強度極高，一般用于汽車的防彈設(shè)備和高速列車的前突部分。由于它的成本極高，所以主要是以航空航天應(yīng)用為主， 汽車行業(yè)較少使用。

（4）玄武巖纖維復(fù)合材料。具有可自然降解、與環(huán)境相容性好的優(yōu)點，既符合汽車向高性能方向發(fā)展，又復(fù)合綠色環(huán)保的要求。它獨特的高熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性可用于汽車的摩擦增強材料和高溫過濾材料及內(nèi)飾材料。這種材料較好加工，主要需要控制加工溫度，避免樹脂燒熔問題。

（ 5 ） 玻璃纖維熱塑樹脂復(fù)合材料（GMT）。這種復(fù)合材料密度低、強度高、可回收，具有高流動性能，可以設(shè)計成復(fù)雜的零件，減少加工量。熱塑性復(fù)合材料機械加工性能好，但剛性、耐熱性、尺寸穩(wěn)定性比熱固性復(fù)合材料要差。這種材料由于成型好，大大減少了機械加工量，加工這樣的材料可選用鋒利的大排屑槽硬質(zhì)合金刀具。

刀具解決方案

用于航空航天工業(yè)的復(fù)合材料已是一個增長的市場，山特維克可樂滿在這個領(lǐng)域提供了多種刀具解決方案，包括PCD、CVD涂層和硬質(zhì)合金鉆頭與飛機相比，汽車外形相對簡單，沒有那么多的復(fù)雜型面，因此就減少了大面積鉆孔和銑削的必要。汽車行業(yè)復(fù)材的加工以銑削為主，且加工設(shè)備以自動化機床和機器人為主，設(shè)備穩(wěn)定性和工況都較好，加工批量較大，生產(chǎn)效率要求高。

本文以銑削刀具為例，看看復(fù)合材料加工刀具是怎樣通過特殊的設(shè)計來解決常見問題的。

無論是加工碳纖維、玻璃纖維還是芳綸纖維，操作者對其在加工過程的復(fù)雜性都應(yīng)充分地了解。與金屬材料相比，由于受到更多種因素的影響，因此復(fù)合材料的斷裂更難以預(yù)測。這些影響因素包括纖維類型、樹脂類型、復(fù)合材料厚度、基體硬度、熱靈敏度以及接觸點處的纖維取向和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。纖維的分層、毛邊和刀具后刀面磨損過快都是由復(fù)合材料中高硬度成分和具有不同特性的多相結(jié)構(gòu)所造成的。

CoroMill Plura立銑刀有特殊的槽型和涂層，旨在以更快的進給和速度進行加工。此外，這些刀具有助于縮短生產(chǎn)周期和減少精加工走刀次數(shù)，同時具有更高的耐磨和耐熱性，確保高質(zhì)量的加工表面。這些立銑刀擁有非常好的磨損和失效的可預(yù)測性。這便于在刀具失效之前安全地進行更換，最大限度地充分利用刀具壽命，降低整體成本。

1.CoroMill Plura人字形銑刀(2P460-OA)

這款雙螺旋刃立銑刀（見圖4）最適合加工兩面帶有特殊玻璃織物層的零件。由于人字形切削刃的部分互相重疊，因此，這款銑刀能夠減少材料振動，從而出色地加工更薄材料。經(jīng)過優(yōu)化的槽型設(shè)計降低了對機床的使用要求，特別適合加工扁平類零件。

圖4

2.CoroMill Plura鋸齒形銑刀(2P3500-OA)

寬大的容屑槽（見圖5）能夠?qū)崿F(xiàn)非常高的材料去除率，專利槽型具有雙重切削作用，可減少分層和振動。可用于粗、精加工。該槽型為一次走刀解決方案而設(shè)計。

圖5

3.CoroMill Plura小螺旋角銑刀(2P050/051-OA)

這款銑刀（見圖6）主要用于精銑，密齒設(shè)計，適用于高速加工。適合表面粗糙度要求高的零部件。右旋和左旋選項使其能夠靈活地加工，可運用在工件材料裝夾不穩(wěn)定的場合。

圖6

有了堅固的涂層和精準的刃型，合理的切削參數(shù)也是非常重要的。對于復(fù)合材料中纖維，樹脂及制造方式不同，都會使其切削性能產(chǎn)生變化，對于不同材料切削參數(shù)也需要進行調(diào)整。切削速度對于復(fù)合材料來講是非常重要的，快速的切削速度有益于減少毛刺。我們給出推薦的加工參數(shù)，但對于不同刀具設(shè)計，不同材料加工參數(shù)還是需要按照具體情況來確定的。加工加工參數(shù)表中的V C代表線速度，f z代表進給量，A p代表切深，A e代表切寬，D c 代表刀具直徑。

最后我們通過一個實際的復(fù)材加工案例（見圖7、圖8），來了解怎樣通過刀具來解決客戶低生產(chǎn)率的問題的。

圖7

圖8

為找到一套更好的提高客戶生產(chǎn)率的方案，在CoroMill Plura鋸齒立銑刀 (2P350) 和其他三種競爭對手銑刀之間進行了測試。客戶的目標是將生產(chǎn)率提高15%，同時僅使用一把刀具加工零件，從而消除了更換刀具的需要。憑借其獲得專利的槽型和獨特的化學(xué)氣相沉積 (CVD) 金剛石涂層，CoroMill Plura 鋸齒立銑刀顯而易見地成為了超越客戶期望的贏家。在測試中，CoroMill Plura通過遠低于客戶要求極限值的加工效果，證明了其較長的刀具壽命和加工的安全性。（作者為山特維克可樂滿復(fù)合材料刀具專家。要了解詳細的切削技術(shù)，敬請關(guān)注近期發(fā)布的第二屆碳纖維復(fù)材汽車輕量化應(yīng)用技術(shù)培訓(xùn)班）

來源：汽車工藝師

作者：范文倩