加工CFRP材料的刀具技术评估

    价格最贵的刀具是否可能加工成本最低？本文评估了采用不同刀具技术加工碳纤维增强塑料（CFRP）的切削性能。

    随着碳纤维增强塑料（CFRP）材料在航空工业及其他行业的应用快速增长，制造商迫切希望找到更好的方法来加工用这些材料制成的零部件。在加工这些材料时，传统的切削刀具显示出使用寿命短、加工时间长、可能损坏工件、需要进行代价不菲的二次加工等缺陷。金刚石刀具因其独具的优异特性，在加工CFRP材料时能够提供出色的耐磨性。但是，传统上，用金刚石作为刀具材料可能会给刀具设计带来一些局限性。近年来，聚晶金刚石（PCD）材料制备及刀具制造技术的最新进展，促进了用于对CFRP工件进行镂铣和修边加工的立铣刀开发，这种立铣刀的特点是采用了螺旋切削刃及其他先进的刀具几何参数设计。这种刀具在实验室测试和实际加工中的应用情况表明，该技术在刀具寿命、切削速度、表面质量以及最重要的生产率和成本效益等方面，都能为CFRP材料的加工提供具有吸引力的解决方案。

    引言

    碳纤维增强塑料材料——有时也称为碳纤维复合材料（CFC）——在军用和商用飞机、汽车、能源以及其他一些寻求提高性能、燃效和降低维修成本的行业中的应用正在快速增长。使CFRP成为一种极具吸引力的结构材料的特性包括：高强度/重量比、高刚度/重量比、耐腐蚀性和高耐用度。CFRP大约比钢轻70%，比铝轻40%，而其成本大约可降低20%以上。

    CFRP材料的有效加工是影响其在这些不同行业推广应用的重要前提。虽然大多数CFRP工件都采用近净成形方式生产，但许多工件仍然需要进行精加工（如边缘修整、开槽和钻孔），以满足对表面光洁度、配合和装配的要求。遗憾的是，CFRP的切削加工技术已严重滞后于在材料开发和合成制造技术方面的发展，限制了这种先进结构材料以全自动化、大批量加工方式投入应用。难以胜任的加工技术不仅限制了应用这种材料的成本效益，而且还可能会损坏价值不菲的工件，降低其强度和可靠性，或者需要进行既耗时又费钱的二次加工。

    本文重点探讨CFRP工件的边缘修整加工，比较了用于CFRP加工的各种铣刀的切削性能。文中给出了在多向层叠的CFRP板上进行的正交切削试验结果，并提出了一种成本效益模型，用于比较采用各种不同刀具技术加工CFRP的总体加工成本。

    加工CFRP材料的挑战

    与金属切削加工相比，CFRP的切削加工提出了一些特殊挑战，因为这种复合材料与金属结构材料完全不同。在金属切削中，工件材料的硬度比刀具材料软得多，工件材料的去除是通过塑性变形、流动并以金属切屑的形式被剪切下来。由于CFRP中的碳纤维具有硬而脆的特性，因此CFRP材料的去除是通过一系列脆性断裂来实现的。碳纤维的高硬度也使CFRP材料具有极大的磨蚀性，从而引起刀具切削刃的急剧磨损。CFRP作为一种各向异性、含纤维的层压复合材料，对加工过程中可能产生的损坏非常敏感。切屑形成机制在很大程度上取决于纤维取向。切削刃的磨损会导致切削力增大，而且，相对于切削方向的纤维取向的影响将被放大。通过保持切削刃的锋利性，可使切削力降至最小，并将切削能精确地集中在切削区内。

    施加于任何切削加工的机械能大部分都将转化为热量。在CFRP材料的加工中，这还会造成与金属切削截然不同的另一个问题——切削热的处理。在理想的金属切削过程中，切削区产生的大部分热量都被切屑带走。另一方面，由于CFRP材料的导热性很差，会导致热量积聚在刀具中，并有可能对CFRP的环氧树脂基体造成热损伤。许多CFRP零部件制造商希望在不使用冷却液的情况下进行加工，因为冷却液可能会通过毛细作用渗入和损坏层压材料，从而使刀具的切削热问题进一步加剧。

    成功的CFRP加工工艺

    切削工艺可以定义为一个系统，在该系统中，机床产生的能量以一种可控的定点方式转移到工件上，即这些能量以精确的方向和位置施加在工件上，以一种可控的方式最有效地去除材料，形成切屑，同时尽量减小对工件的损坏。刀具加工的成功取决于许多要素，包括：刀具材料、刀具几何形状、切削参数和装夹刚性。

    （1）刀具材料

    高效的机加工材料去除方式要求刀具材料的硬度远远高于被切除工件材料的硬度。当今切削刀具行业常用的刀具材料主要包括：①高速钢；②硬质合金（最常见的是采用钴结合剂的碳化钨）；③陶瓷；④金属陶瓷；⑤超硬材料（金刚石和立方氮化硼）。

    CFRP材料极大的磨蚀性限定了只有采用最硬的刀具材料才有可能实现成功的加工。因此，高速钢不可能成为一种备选刀具材料，甚至硬质合金刀具在切削CFRP时也会迅速磨损。用不同刀具材料切削CFRP时，其相对磨损性能的测量结果表明，在连续车削CFRP工件时，与硬质合金（ISO K10）、陶瓷和立方氮化硼刀具相比，金刚石刀具提供了最好的耐磨性。

    （2）刀具几何形状

    在定义了切削刃的刀具中，刀具几何形状对于切削加工效率起着举足轻重的作用。通过将很大的、精确定位的切削力传送到碳纤维上，以脆性断裂模式切断这些纤维，就能成功实现CFRP材料的有效切削。切削刃的前角和后角为刀具提供了适当的切入角度，并能防止会产生热量和导致刀具磨损的摩擦。

    人们早就知道，在金属切削中，与直刃相比，螺旋切削刃可以提供更高效的切削和排屑作用。螺旋刃型可在整个切削长度上提供大小相等和恒定不变的剪切力。与直刃或斜刃刀具相比，作用于螺旋刃刀具刃口上的切削力是逐渐加大的（冲击性更小），且沿着切削刃分布更广泛。在刀具旋转的任意给定时刻，螺旋刃刀具还能提供更大的切削刃吃刀量。此外，在任意给定时刻，都有两个刀齿以更大的径向切深同时参与切削，从而可以使刀具载荷保持恒定。这样就可以避免使刀具产生断续性挠曲和共振。螺旋刃刀具的螺旋槽还能更有效地抬起和排出切屑，从而防止对切屑的二次切削以及对有效切削作用的干扰。

    （3）加工参数

    切削参数的选取会极大地影响铣削和修边加工的效率。切削速度、进给量（切屑负荷）、径向和轴向切深，以及采用的冷却液都会影响切屑生成、刀具负荷和切削热的作用机制。过高的切削速度和过大的进给量可能会造成过载，并损坏刀具。但是，切削刀具又必须能以足够高的切削参数进行加工，以保证必要的加工生产率，从而使CFRP零部件的使用具有较好的成本效益。从历史上看，较高的加工成本一直是制约CFRP材料广泛应用的一个重要因素。

    用金刚石作为刀具材料

    作为已知最硬的物质，金刚石一直被奉为一种极具吸引力的刀具材料，特别适合加工高磨蚀性工件材料。表1显示了金刚石的一些机械特性，正是这些优异性能，使其成为许多加工的首选刀具材料。

    表1 金刚石的机械特性

    压痕硬度：6,000－10,000 kg/mm
^{2
    压缩强度：110 GPa
    弹性模量：1,050 GPa
    导热性：800 W/m°K
    摩擦系数：0.05－0.1
    这些特性结合在一起，使金刚石刀具具有极好的耐磨性，能承受很大的切削力而不会变形或挠曲，能减少加工时产生的摩擦热，并将切削产生的热量迅速传导走。最大的挑战在于，如何将金刚石材料制成有效的切削刃。在上世纪50年代中期金刚石人工合成技术问世以前，只有珠宝行业弃之不用的天然金刚石才会被用于工业用途。如今，金刚石材料以各种不同的形式提供给用户，在各种工业应用中，每种形式都有其独特的优势和局限性。
    由于不可能制备出一把整体金刚石刀具，因此，金刚石刀具的制备方式是将金刚石材料附着于刀体上，由金刚石材料形成切削刃。用于加工CFRP材料的金刚石刀具有3种基本类型：①在金属基体上附着金刚石磨料；②烧结形成的聚晶金刚石（PCD）；③通过化学气相沉积法（CVD）生产的金刚石涂层。由附着在金属基体上的金刚石磨粒构成的刀具通过磨削来去除工件材料，因此与具有确定切削刃的刀具相比，其材料去除率较低。nextpage
    聚晶金刚石（PCD）
    PCD是通过在超高压（达60千巴）和高温（达1450℃）条件下（工业上一般称为HP/HT工艺），将大量金刚石颗粒烧结到一起制成的。通常，PCD被制备在硬质合金基体上（PCD层的厚度为0.2－2mm），并与基体实现冶金结合。PCD依靠金属钴——或将其混入金刚石粉末中，或通过硬质合金基体的扩散——作为一种溶剂/催化剂，在高压高温条件下促进金刚石颗粒的共生。在烧结时，金属钴形成许多熔池，填充了金刚石晶粒之间的空隙。这种作为第二相的钴有时也被称为结合剂，但在传统意义上，它并不具有结合剂的功能，因为金刚石颗粒是通过金刚石与金刚石结合的网络被烧结到一起的，在金属钴被去除后，金刚石的结构仍然保持完好。虽然与纯金刚石相比，金属钴的确降低了PCD的耐磨性和热稳定性，但它却大大提高了PCD的抗冲击韧性。
    化学气相沉积（CVD）金刚石
    作为上世纪80年代开发的一种金刚石制备技术，CVD金刚石是在低压状态下，通过从一种碳氢化合物气体中分离出碳原子，使其沉积在基体上而“生长”出来的，它以细微的金刚石晶体形式，形成连续的固体层。这种工艺方式既可以制备出刀具表面的金刚石涂层（厚度范围5－50µm），也可以制备成厚度约为0.5mm的片状金刚石。CVD金刚石为纯金刚石，其结构中没有作为催化剂的金属，因此具有极好的耐磨性，但其抗冲击韧性则逊于PCD金刚石。CVD金刚石可应用于任何整体硬质合金刀具，因此，实际上有可能制备出任何刀具几何形状。然而，CVD金刚石涂层刀具有两个主要的局限性：第一，金刚石层的厚度通常只有大约10µm，一旦涂层被磨穿或崩刃，硬质合金基体就会暴露出来，在具有较大磨蚀性的加工中，很快就会磨损；第二，即使刀具基体的切削刃本身非常锋利，但金刚石涂层会使切削刃自然钝化。实际上，即便在刀具第一次切削之前，切削刃就已经处于略微钝化的状态。沉积在刀具上的涂层越厚，切削刃钝化程度也越大。
    PCD技术的进展
    （1）传统PCD技术的局限性
    传统上，PCD是以具有硬质合金衬底的平面薄片（复合片）的方式提供的。制备PCD刀具时，首先将PCD复合片切割成小块，然后将其焊接到刀体上。再通过对这些PCD片进行刃磨或放电腐蚀加工，形成刀具的切削刃。这种刀具制备技术有两个缺点。首先，平面形状的PCD片通过加工可形成的刀具几何形状非常有限。PCD镂铣和修边刀具采用的PCD刀尖通常与刀具轴线倾斜一个很小的角度，以模拟小角度螺旋刃。其次，PCD片与刀体连接的钎焊接头与产生切削热的切削刃十分接近，由于切削刃处的温度接近钎料的熔点，会大大降低钎料强度，因此钎焊接头容易失效。
    （2）PCD整体烧结技术
    为了克服这些局限性，并充分利用PCD独特的性能优势，一些专门生产PCD刀具毛坯的制造商将战略重点放在PCD材料整体烧结技术上。这种类型PCD刀具毛坯的制备方法是将金刚石粉末填入在硬质合金刀体上成形加工出的沟槽中，并在高压/高温（HP/HT）条件下对金刚石进行烧结，然后把烧结成的PCD毛坯钎焊在刀柄上。最后，通过加工使PCD材料凸露出来形成切削刃，就完成了这种刀具的制备。
    整体烧结PCD可以形成各种不同结构外形的刀具毛坯，使PCD材料正好位于所需要的切削刃位置。该方法能够制备出用平面PCD片不可能形成的螺旋切削刃或其他复杂的刀具几何形状，使刀具设计者能够自由设计对某种特定加工最有效的切削刃型。PCD整体烧结技术还解决了钎焊接头易失效的问题。虽然整体烧结式PCD刀具仍有一个钎焊接头，但该接头位于刀体远端，远离切削区，从而减少了钎料受热，提高了其强度和可靠性。
    采用不同刀具技术加工CFRP的切削试验
    为了模拟对某种商用飞机机身结构的机窗挖切加工，在可控的实验室条件下进行了切削试验。实际的加工分两道工序完成：首先是粗加工，采用斜坡进刀将整体CFPR材料切穿，然后对CFPR材料进行镂铣，切出所需要的机窗几何形状；第二步是精加工，对粗加工切出的机窗轮廓进行修整，达到最终尺寸和要求的表面光洁度。
    （1）试验的设计
    该试验旨在对CFPR材料的精修加工进行实验室模拟，以评估多种典型的市售立铣刀与整体烧结PCD螺旋立铣刀比较的切削性能差异。为使试验具有实用性，CFPR工件被制成厚度为10mm（机身CFPR板的最大厚度）、总长度为0.9m的平面面板。试验用立铣刀从实际用于CFRP加工的、性能最佳的“传统”市售产品中选取，其中包括整体硬质合金立铣刀、CVD金刚石涂层立铣刀和直刃PCD立铣刀。
    应当指出，对所有立铣刀进行切削试验时，都采用了各自的刀具制造商所推荐的CFPR精修加工参数。用于确定每把立铣刀“寿命终结”的失效标准是：通过目视检查，工件表面光洁度质量不够高。这一标准是由飞机制造商制定的。
    试验结果
    试验结果表明，传统的整体硬质合金立铣刀耐磨性不足，仅在第一遍走刀加工后，就无法保持切削刃的锋利度，难以达到可接受的表面光洁度。与整体硬质合金立铣刀相比，CVD金刚石涂层立铣刀和采用PCD复合片刀尖的直刃立铣刀切削性能确实有很大改进。整体烧结PCD立铣刀的切削性能则有突破性提高，其刀具寿命是CVD金刚石涂层立铣刀和直刃PCD立铣刀的7－10倍。
    加工后CFPR面板边缘表面光洁度的目视检查结果表明，用更“传统”的刀具对CFPR材料进行了次数相对较少的走刀加工后，存在工件表面光洁度差的问题。整体硬质合金立铣刀由于耐磨性不足，在仅仅切削了0.9m后，就显示出切削刃锋利度迅速丧失。刀具磨损导致对碳纤维的切削不充分，从而沿着工件材料的顶面和底面留下了模糊边缘。用CVD金刚石涂层立铣刀加工时，由于CVD涂层工艺本身导致的新刀切削刃钝化，即使在切削的早期阶段，也显示出类似的碳纤维模糊现象。在切削了25.4m后，薄且脆的金刚石涂层出现了微裂纹，并迅速发展为较大的崩刃，造成刀具切削刃失效。直刃PCD立铣刀显示出相对较好的切削刃锋利度和抗冲击韧性；但是，由于其采用直刃设计，刀具切削力大，导致将复合树脂从材料中拉出，造成工件加工截面出现了不可接受的孔隙。另外，还观察到，这种PCD复合片立铣刀在切削长度达到38m后，出现了与CFPR复合层的排布方向相对应的扇形磨损凹痕。这是由于直刃刀具存在各种局限性，难以对碳纤维进行有效剪切造成的。整体烧结PCD立铣刀则显示出一种可控的磨损模式，同时，在254m的切削长度内，始终保持了有效的切削刃和可接受的工件表面光洁度。由于没有出现灾难性的切削刃损坏，该刀具经过修复翻新后还可以多次使用。
    加工经济性分析
    为制备整体烧结PCD螺旋刃立铣刀而开发和使用的技术导致它比试验中使用的其他刀具单件成本更高。如前所述，无论是在硬质合金刀体上整体烧结PCD所用的高压/高温（HP/HT）烧结工艺，还是使PCD凸露出来形成切削刃的加工方法，都是独具特色、技术含量很高的工艺。显然，在决定应该采用哪种刀具时，重要的是，要比较每种刀具对该加工总体成本效益的影响。为此，需要建立计算加工每个CFRP工件或切削单位长度的成本模型。
    该成本模型的主要构成要素包括：①加工参数；②刀具寿命；③加工中心每小时运行成本；④刀具成本。利用从加工试验中采集的数据，来计算所用每种刀具的加工总成本。在本例中，将直线切削254m （10,000英寸）作为切削总长度（TLC）的生产要求标准。加工表面光洁度质量和刀具切削力标准由最终用户确定，并代入成本/性能方程式中，用于计算性价比。
    虽然整体硬质合金立铣刀每把刀具成本低廉，但其刀具寿命很短，由于达到要求的切削总长度（TLC）需要多次换刀，降低了生产率，导致其达到TLC的成本接近32,000美元，因此并不是一种经济上可行的加工解决方案。与其相比，CVD金刚石涂层立铣刀在刀具寿命和切削速度上都大有提高，但它达到TLC的成本仍然需要7,000美元。直刃PCD立铣刀因其几何刃型的局限性和由此导致的切削速度限制，以及由相对较高的机床运行时间成本造成生产率下降，再加上相对较高的刀具成本，使其达到TLC的成本超过8,000美元。整体烧结PCD立铣刀可以提供最高的加工效率，并能用一把刀具加工完254m的TLC，由此其加工成本仅为2,680美元。虽然整体烧结PCD立铣刀每把刀具的单价最贵，但如果全面考虑所有的相关成本，其最终的加工成本却最低。如果进一步考虑因刀具磨损可能造成CFRP工件分层剥离损坏，而不得不对其进行修复的潜在成本，整体烧结PCD立铣刀加工方案的成本优势就更加明显。}