工程塑料与复合材料的切削加工（下）

12.怎样用人造聚晶金刚石复合片刀具车削高硅氧酚醛塑料和碳酚醛塑料？

人造聚晶金刚石复合片刀具(PCD刀具)具有接近天然金刚石的硬度和耐磨性，而且各方向硬度一致。它的抗弯强度，由于有强度较高的硬质合金支承，可达1500Pa，切削过程中不易崩刃和断裂。聚晶层的导热系数很高，使切削区的温度很快传出，降低了切削温度。由于PCD刀具有以上特点，很适合切削高硅氧酚醛塑料和碳酚醛塑料等难切削材料，其刀具耐用度高于硬质合金刀具几十倍。

高硅氧酚醛塑料和碳酚醛塑料的导热系数很低，只有一般金属的1/100～1/1000。材料中的硬质点有很强的研磨性，而树脂又很软，在切削过程中，如同砂轮磨刀一样，加速刀具磨损，使之失去切削作用，严重影响加工精度。为此采用了PCD刀具来切削上述材料，获得很高的刀具耐用度。如车一锥体，大端直径φ696mm，小端直径φ338mm，锥体长1270 mm，切削速度ν_{C=70～120m/min，平均进给量f=0.6mm/r，切削深度ap=0.9～2mm，连续车削50min后，PCD刀具只磨损了0.03mm。通过多次使用PCD刀具车削这类材料，平均切削速度νC=76.7m/min，切削深度ap=0.5～2mm，进给量f=0.6mm/r，切削时间为84min，刀具仅磨损了0.04mm。}

复合材料

13.什么是复合材料？它有哪几种？

由两种或两种以上的不同物理、化学性能的物质人工制成的多相组成的固体材料，称为复合材料。例如钢筋混凝土，就是由钢筋、砂石和水泥组成的复合材料。

复合材料可以由金属、高分子聚合物和陶瓷三种材料的任意两种人工合成。也可以由两种或两种以上多种金属、高分子聚合物及陶瓷来制成。复合材料的性能要比基体组成的材料好得多。例如玻璃的韧性和树脂的强度都很低，可是二者的复合物——玻璃钢却具有较高的强度和韧性，而且重量也很轻。

复合材料的种类很多，用途非常广，因此发展也很快。它是多组成相物质，其组成分为两大类，即基体相和增强相，前者起粘结作用，后者起提高强度和刚度的作用。

复合材料分为结构复合材料和功能复合材料两大类。结构复合材料的应用研究较多，发展很快，主要有两种：一是聚合物为基体，其中以树脂(环氧树脂、酚醛树脂)为基体较多；二是以金属或合金(铝、铝合金、钛合金、镍基合金)及陶瓷为基体。

复合材料按其增强相分为颗粒增强复合材料、短纤维增强复合材料、连续纤维增强复合材料和层叠结构复合材料，如图11-12所示。

作为工程结构材料应用最多的是纤维增强复合材料，有以下几种：玻璃纤维增强复合材料(GFRP)、碳纤维增强复合材料(CFRP)、芳纶纤维增强复合材料(KFRP)和硼纤维增强复合材料。它们都属于树脂基纤维增强复合材料，也叫做纤维增强塑料(FRP)。

FRP采光板

14.聚合物基纤维复合材料(FRP)有哪些性能特点？

(1)具有高的比强度和比刚度：比强度就是材料的强度和材料的密度之比；比刚度就是材料的弹性模量与材料的密度之比。表11-4是常用材料的比强度和比刚度。

(2)抗疲劳性能好：如碳纤维增强复合材料的疲劳强度为抗拉强度的70％～80％，而一般金属材料仅为30％～50％。

(3)减振性能好：许多减振器械都广泛采用复合材料来制造。

(4)断裂安全性好：纤维增强复合材料中的增强纤维，过载时有部分断裂，但未断裂的纤维仍可承受负载，不至造成构件瞬间断裂，故工作安全性好。

FRP采光板

15.聚合物基纤维增强复合材料(FRP)有哪些切削特点？

(1)切削温度高，刀具耐用度低：聚合物基纤维增强复合材料的抗拉强度高，切削功率大，粗糙的纤维断面与刀具摩擦产生大量的切削热。材料的导热系数低，约为45号钢的1/16，因此切削区形成高温，且集中在刀具切削刃很小的区域内。纤维的弹性恢复与粉末状的切屑，使刀具磨损严重，耐用度低。

(2)加工精度和表面粗糙度不易控制：由于树脂的基体和纤维热膨胀系数及硬度和强度差别很大，加上纤维的弹性恢复大等原因，切削加工时工件的尺寸精度和表面粗糙度不易达到要求。

(3)易产生高温变质和软化：切削纤维增强复合材料时，要限制切削速度，控制切削温度。否则温度过高，将使基体的树脂烧焦、软化和有机纤维变质。

(4)使用切削液要慎重：因为复合材料吸入切削液，影响材料的使用性能，所以要根据要求慎重使用。

16.纤维增强复合材料的纤维角对切削有何影响？

切削速度方向与纤维的配置方向的夹角，称为纤维角θ，如图11-13所示。它的大小影响切削过程、工件表面质量和刀具寿命。

当θ＞90º时，如图11-13(a)所示为顺切，此时纤维是被拉伸破坏切离工件的。被切断的纤维断面由于弹性恢复与刀具后面接触面积大，摩擦严重，刀具磨损较快，磨损值约为逆切的10倍，但是表面粗糙度小。

当θ＜90º时，如图11-13(b)所示为逆切。纤维是被刀具刃口剪切、弯曲的联合作用切断的。纤维的剪切强度、抗弯强度比抗拉强度低得多，被剪切纤维的继面与刀具后面接触面积较小，使纤维与刀具后刀面的摩擦减小和刀具磨损缓慢，但已加工表面粗糙度增大.

当θ＜60º时，为下方破坏型。此时的纤维在切削层下方破坏，是剪切和弯曲的结果。当θ=45º时，表面粗糙度值和变质层最大。

当60º＜θ＜90º时，为中间型。纤维的前端受到压应力破坏，表面粗糙度较小。

FRP采光板

17.怎样对聚合物基纤维增强复合材料(FRP)进行切削加工？

FRP这类复合材料，根据它的性能和切削特点，属于难切削材料。切削它时应从以下几方面进行合理选择：

(1)选择刀具材料：要选择耐磨和导热系数高的刀具材料。高速钢刀具，最好选用氮化钛涂层的高速钢。硬质合金一般选用导热系数高的YG类硬质合金或涂层硬质合金。为了几十倍到几百倍地提高刀具耐用度，可选用人造聚晶金刚石复合片刀具和人造金刚石厚膜钎焊刀具。

(2)选择刀具几何参数：切削FRP复合材料，对刀具前角的要求不像切削塑性金属那样严格，但要求刀具刃口具有一定强度，散热条件要好，刀刃锋利，后角要大一些。一般情况下，γ_{O=-5º～10º,αO=10º～12º，刀尖圆弧尽可能大一些，以改善散热条件。钻孔时，尽可能选用硬质合金钻头，并修磨钻心处螺旋沟槽表面，以增大该处前角，缩短横刃长度为原来长度的1/2～1/4，以减小轴向力，并降低钻尖高度，在副后面3～5mm向后磨副后角3º～5º，以减小与孔壁的摩擦。}

(3)选择切削用量：用高速钢刀具切削FRP复合材料的切削速度为10～15m/min；硬质合金刀具的切削速度为40～80m/min；人造聚晶金刚石复合片刀具的切削速度为80～120m/min。进给量为0.2～0.5mm/r，在切入和切出时，为了防止分层、崩边，这时的进给量应小一些或用刀在两端倒45º角及选用主偏角小于60º的刀具。

(4)FRP的切断：在一般的情况下，采用薄金刚石锯片进行切割。也可采用超高压水，压力为400MPa，由口径小于φ1mm的喷嘴喷出，以2～3倍音速的超高速冲击被加工表面，进行切割加工。

(5)切削时应注意的问题：为了避免铣削时工件切离处掉渣，应采用顺铣，并在即将铣完时采用手动进给。为了防止撕裂和分层，在切出时采用塑料或金属板支承，予以防护。

复合材料

18.怎样对金属基纤维增强复合材料(FRM)进行切削加工？

金属基复合材料可分为颗粒增强复合材料、长纤维增强复合材料和短纤维(或晶须)增强复合材料。这类材料中长纤维增强复合材料的切削加工有与FRP相似的特点。短纤维或晶须增强复合材料，切削加工时有着独特的特点，如在加工表面上出现许多与增强纤维直径相对应的孔沟、纤维破断面露出、纤维从基体拔出或被压入加工表面。

切削FRM复合材料，用YG类(K类)硬质合金。刀具磨损的形式以后刀面磨损为主，副后刀面稍有边界磨损，当刀具材料硬度很高时，呈单纯的磨料磨损。刀具磨损与纤维含有率有关，纤维含有率越高，刀具磨损越大。

在铣削时，为防止切离时工件掉渣，采用顺铣为好。在钻孔时，钻头一定要锋利，并要减小钻头的横刃。在钻出时要减小进给量，以免轴向力大将钻出的孔在出口处崩边。

磨削铝复合材料，因砂轮堵塞严重造成磨削困难，宜采用碳化硅砂轮，并要勤修整，保持砂轮锋利。也可采用CBN砂轮和金刚石砂轮。磨削时一定要供给切削液，以防止砂轮堵塞和磨削温度过高而使加工表面产生变质。

PCD刀具

19.用PCD刀具切削塑料或复合材料时有哪些显著效果？

PCD刀片的硬度、耐磨性、导热性和摩擦系数等性能优于硬质合金，在它所切削的范围内，其刀具耐用度高于硬质合金几十倍至几百倍，在切削塑料或复合材料时也是如此。

(1)切削玻璃钢时，原用YG6X硬质合金切削，ν_{C=30m/min，切削时间为6 min，刀具因磨损严重而不能切削。改用国产PCD刀具后，νC=109m/min，切削时间为169min，刀具的后刀面只磨损了0.2mm。}

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-INDENT: 24pt; LINE-HEIGHT: 30pt”>(2)车削填充SiO_{2的聚四氟乙烯时，用PCD刀具切削路程为70000m，后刀面只磨损了0.17mm，加工精度为IT5，表面粗糙度Ra为0.8～0.4/μm。而用813硬质合金，只车削了360m，后刀面严重磨损，影响车削质量。PCD刀具的耐用度为硬质合金刀具耐用度的194倍。}

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-INDENT: 24pt; LINE-HEIGHT: 30pt”>(3)车削酚醛纤维制的轴承座时，用硬质合金车刀只能车削1000件，而且质量得不到保证。用PCD车刀则能加工12000件，工件精度完全达到要求。

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-INDENT: 24pt; LINE-HEIGHT: 30pt”>(4)加工玻璃纤维增强塑料时，用PCD刀具,ν_{C=600m/min，f=0.3mm/r的条件下，这时的刀具耐用度是硬质合金刀具的150倍。}

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-INDENT: 24pt; LINE-HEIGHT: 30pt”>(5)车削SiO_{2填充环氧树脂的零件端面时，在νC=150～200m/min、ap=0.5mm、f=0.3mm/r的条件下，用硬质合金车刀只能加工210个，而用PCD刀具，则能加工3000个。}

(6)用PCD刀具切削碳纤维增强复合材料时，切屑呈粉状，切削温度较低，切削路程为硬质合金刀具的10倍，可是刀片磨损却不到硬质合金的1/3。