复合材料加工用的新型钻头和立铣刀
以航空工业最先进的美国波音飞机为例，原有的747型飞机目前发展到现在的787型，其机体部分材料构成，原广用的铝合金由81﹪降为20﹪，钢由13﹪降为5﹪，而钛合金由4﹪增加到15﹪，复合材料由4﹪大幅度增加到50﹪。同样欧洲的新型空客A350WB型现铝合金只占20﹪，钢仅占7﹪，而钛合金增至14﹪，复合材料更高达52。复合材料是两种或两种以上不同特性材料组合，质量轻，并具有某种特定性能。复合材料的基体材料常用有树脂等，增强材料主要是纤维。过去玻璃纤维用得很多，它和树脂复合构成的复合材料GFRP，被称为“玻璃钢”其密度为1.6kg/dm,强度为400N/mm。玻璃钢不但用作航空材料，也广用于造船等部门。当今以特殊热处理工艺制成微细碳结晶而构成的碳纤维，因其质轻又具优良的性能使用日益广泛。常用碳纤维复合材料(CFRP)是以碳纤维为增强材料和环氧树脂等粘合构成，碳原子固有的特性是低密度，低热膨胀率，耐热性好，化学稳定性好，自润滑性好。CFRP密度为1.7kg/dm,强度高达900N/mm，硬度高(HRC53-65)，它的比强度，比刚度高，抗疲劳性好，耐热性好。切削加工时，由于其导热性差(仅为奥氏体不锈钢的1/5-1/10)，局部热量集中，而易发生烧伤，由于各向异性，层间强度低，加工中易产生分层，撕裂，毛边，毛刺，表面质量差等缺陷。再加上切屑部分形成粉尘，污染环境，危害人体健康。故属于难加工材料。还有强度更高密度更低的芳纶复合材料(AFRP)，待进一步的开发利用。下面主要以炭纤维材料为例，介绍新开发的加工它们的先进刀具。
碳纤维等复合材料和金属的切削原理和过程不同。金属切削是切刃切入金属使之产生剪切滑移断裂形成各类切屑的过程，而碳纤维复合材料是通过锋利的刀刃去强制折断纤维和切断环氧树脂层的。纤维如磨料反过来摩擦磨损刀具。
碳纤维复合材料主要用在飞机机体，以先进的A380飞机为例，目前它的垂直艉翼，水平艉翼，襟翼，翼加强筋，整流罩，后压力舱盖，中翼盒，外翼盒，客舱地板粱等等均采用炭纤维复合材料构件。其他行业如太空，军事，体育器材，能源，汽车，建筑，造船等也得到日益广泛地应用。它们的加工多用钻削，铣削，据统计国外钻，铣在复合材料加工中，约各占38%，其他切削加工如车，磨，螺纹加工等也有应用，还用到了水射流加工，激光加工等。
切削加工复合材料零件同时，不应使它造成脱层，纤维散开，生成燃烧附着物，并且无毛刺。因此必须改进原有刀具，工艺和工艺过程控制。对刀具的改进主要在开发采用新耐磨耐热的材料，在几何结构和角度选择方面，应力求使刃口锋利，减少切削力切削热，自身工作寿命要尽可能地长。。
钻孔时主要问题是钻各层时材料阻力有变化和钻透时力的突然消失，引起进给速度的变化，导致脱层毛刺，材料剥蚀，复合材料不同层面直径不同。再加上碳纤维复合材料导热性极差，很易造成烧伤。为此三菱新开发了MCS型钻头(图1)。它是在三菱原有钻头改进型基本系列MWS基础上，结合复合材料加工特点研制出来的。
图1 MCS型钻头
一般最常用的钻头是麻花钻(Twist Drill)其切削部分最明显特点是有两条像麻花一样用于容排切屑的螺旋槽，螺旋槽与钻头头部顶角锥面的交线构成了钻头的两条主刀刃，螺旋槽面构成了主刀刃的前刀面，顶角锥面构成了主刀刃的后刀面。由于钻头的前刀面不是平面而是螺旋空间曲面，故主刀刃上各点的前角不等。近钻心处为负前角-3，切削阻力大，切屑生成难。靠外圆处具有较大的正前角，锋利但刃口强度低，该处切削速度又最大，温度高，易磨损(图1)。又可知主刀刃较长，切屑宽，各处切削条件，生成，卷曲切屑，排出切屑与磨损情况亦不同，这对切屑处理性能不利。MCS为了改善这种固有的缺点，专为CFRP板材和CFRP和铝的复合板材加工设计制出如图1的波形刃，使主刀刃各处均保持合理较锋利的前角，可减少切削力切削热。同时波形刃易使切屑分断，排出。这对进一步减少切削力热，消除加工毛刺，提高钻头寿命都有好处。
MCS又在其顶部锥面修磨去横刃，横刃是钻头头部钻芯的厚度，它不切削，只是挤压滚卷纤维材料，且是钻削轴向力与切削热的主要来源，修磨构成三重后刀面后，能减少了轴向力和顶端的摩擦发热，提高了定心能力，重磨也方便。为了减少切削热MCS型钻头设计具有三角形冷却孔被称之谓TRI-cooling技术。据试验在转速每分钟4700转条件下，三角形孔冷却液的流量高出圆孔2倍以上，流速也加大许多。由于纤维复合材料的特点，冷却介质更多的采用了压缩气体。应用了TRI-cooling技术由于冷却效果好，钻头加工精度效率和寿命提高很多。另外在钻头结构设计上，增大了容屑排屑空间，也使得切削热及时散出，钻头能较长期地处在良好稳定的工作条件中。nextpage
悬伸钻头的最常见加工误差是其头部摆动引起被加工孔的扩大，头部受力受热大，刚性差，冷却效果好的钻头，减少了热变形，可明显地减少孔的扩大量，从而提高孔的加工精度，减少了尺寸分散见图2。其具体试验条件是;被加工材料是CFRP+铝合金(A7075)复合板。钻头Φ6.375，切削速度V=60米/分，进给量f=0.03毫米/转，在立式加工中心上加工，利用气流冷却。
图2 MCS型和以往钻头加工孔径扩大量比较
为使钻头在这样严酷的条件下还能耐磨，其表面采用独创的用CVD法沉积的多层微粒金刚石DD2010，它的金相组织与一般的金刚石涂层组织的比较见图4，其耐磨性与平滑性俱佳。先进的微粒涂层可使刃口保持锋利。通过实验结果证明，它在加工CFRP及CFRP和铝合金复合板时，不管进口处，出口处及铝合金处，精度都较过去大幅度提高。
图3 DD2010微粒金刚石涂层 一般金刚石涂层
在立铣刀方面三菱也是采用了以CVD法沉积的金刚石涂层。它们开发的立铣刀的结构有两种;一是重视加工表面质量的DFC-4JC型，它的螺旋角小，可降低轴向阻力，减少毛刺和分层，从而获得良好的加工表面。另一是重视加工效率的DFC-JRT型。它采取交叉分屑槽结构，从而降低切削力和切削热，能以较快的切削条件实现高效加工。二者加工时的冷却方式是吹压缩空气。二者一般转速大致相当，后者进给速度可快许多。具体切削条件选择时应考虑CFRP的种类，机床的刚性，工件的刚性，加工形状等不同，而加以修正。当加工时按选定的切削条件，还是出现严重的毛刺和分层时，则需进一步降低进给速度。
图4 DFC-4JC和DFC-JRT型立铣刀
具体的切削条件可以参考样本。
有些情况下GFRP(玻璃纤维复合材料)使用较多时，此时切削加工用各种刀具基体材料可同上，表面可用三菱特殊开发的DLC(类金刚石)涂层，加工效率高，而且非常经济，值得推荐。
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