我们该怎么对复合材料进行加工？

复合材料是最难加工的材料之一。其独特的性能，具备大量不同的材料组合，这意味着只有专业的刀具才能应用于其加工。然而，复合材料在先进技术和新兴产业中也具有巨大的潜力。

本文将概述与复合材料相关的关键问题，以及一些技巧和技巧，使得大家能有效地加工最棘手的复合基材。

复合材料，顾名思义，是一种由至少两种“基础”材料复合而成的材料。这种新材料将具有两种基材的特性，其目的是创造从化学和物理角度来看比原先单一材料性能更好的材料。从技术上讲，这个过程包括将一种材料的纤维或颗粒融合或者潜入到另一种材料（通常称为基材）中。

由于在制造复合材料时可能有各种各样的材料组合，因此可以操纵最终复合材料的硬度，抗拉强度和防锈性等特性以适应单独的工作条件或应用。

提高强度是复合材料制造的关键驱动因素，例如钢复合材料旨在提高工具钢或碳钢的罗克韦尔（HRc）值，但现代制造技术的创新增加了复合材料性能的多样性和范围。例如，热传导或绝缘在包括激光机、晶体管和传感器在内的电子产品中具有巨大的优势。

导热系数可以通过纤维方向、体积分数和树脂材料等材料特性来改变。这表明复合材料的组成可以变得多么复杂。

如上所述，复合材料由两个主要组成部分组成：

材料矩阵结构

复合材料的基础，赋予新材料形状。通常柔性越强的材料阻力越小，因此延展性越强。

强化

为基体提供强度、阻力和额外的刚性，创造一种“优越”的新材料。

由于基体材料和增强材料的多种组合，复合材料没有固定的“等级”或“类型”。但是，我们可以根据基材的一般类别对它们进行分类。例如，有大量的塑料复合材料，包括环氧树脂、聚酰亚酯、酚醛和用玻璃纤维增强的塑料，以增加韧性。

其他常见的复合材料包括：

碳纤维增强聚合物（也称为CFRP或碳纤维）。

泥砖，这是已知最古老的复合材料之一（可以追溯到几千年前！）

金属基复合材料（如铝、铜和钢）。

玻璃纤维

钢筋混凝土

木材

蜂窝组织，以蜂巢的六边形结构命名，是夹在两层之间的特殊复合材料，通常很薄，用于加强蜂窝核心。这种蜂窝材料的范围从低强度、低厚度（如纸张、卡片、热塑性塑料）到高强度、高刚度的材料，如铝、PVC和聚合物，如聚丙烯酰亚胺。蜂窝材料在航空航天中非常常见，在航空航天中，低重量和高刚性是很重要的。

复合材料与铝对比

铝传统上主导着航空航天和汽车等行业。然而，重量显著减轻的复合材料的发展使复合材料成为新的高效能运输发展的新选择。复合材料还具有更高的灵活性、吸振性和更好的重量分布。

复合材料与铸铁对比

铸铁是一种铁碳合金，有些人认为它是一种复合材料。铸铁和一些复合材料一样，具有高硬度和高耐磨性。

然而，它的熔点较低，因此在高温应用中不如复合材料合适。

复合材料vs异域/ HRSA （耐热合金）

异域合金（HRSA）也是镍、铁和钴基合金。与复合材料一样，HRSA具有耐腐蚀性和高耐热性。

它们也具有高强度重量比，但复合材料可以具有更高的比率。异质材料也是导电的，而复合材料通常是不导电的。

复合材料与钢对比

一般来说，复合材料比钢具有几个关键优势，包括更轻、更强、耐腐蚀和不导电（在大多数情况下）。

复合材料与不锈钢对比

一个常见的误解是，不锈钢是一种复合材料；但是其实它不是。它只是一种合金钢。与钢相比，不锈钢的许多优点也适用于不锈钢，但不锈钢的铬含量使其具有同样的耐腐蚀和防锈性。

由于复合材料加工所涉及的成本问题，工程师在铣削复合材料时唯一的选择是投资专业刀具。标准的高速钢和硬质合金模具通常缺乏处理这些独特材料所需的几何形状和特殊性能。复合材料的铣削刀具需具更有韧性、更硬，并具具备带有精加工风格的几何形状，以防止容易分层或损坏材料的纤维。

在大多数情况下，我们总是建议使用具有金刚石涂层的刀具，这将为您提供加工大多数复合材料的终极硬度和耐磨性。与金刚石刀具相比，在切削刃上涂上金刚石涂层将提供显著的成本效益。加工复合材料铣刀的其他功能包括：

• 压缩几何形状，以防止在纤维增强塑料的上下边缘分层。

• 多达8个出屑槽，8个刀刃，用于提高工件表面质量，这也防止了材料纤维的损坏。

• 超锋利的激光切割边缘有助于防止分层，并确保最佳的表面光洁度。

• 具有超高硬度等级的极端PCD涂层。

• 带内冷，有效散热。

• 不同的出屑槽类型取决于是否需要直切，拉切或推切。

就像铣刀一样，在加工复合材料时，不可能使用便宜的车削刀具。无论是镗杆还是车削刀柄，重要的是要得到一个性能良好的刀杆，它将能够处理加工复合材料所需的刀片的切削数据。这可以是一个硬质合金柄镗杆或一个优质的坚韧的高速钢基材车削刀杆。

车削刀片的理想选择是PCD（聚晶金刚石）系列，与标准硬质合金刀片相比，它可以大大提高切削速度，刀具寿命和表面光洁度。它们是由金刚石颗粒在高压和高温下烧结而成的。由于这种金刚石基底，它足够坚硬，可以有效地切削碳纤维、玻璃纤维和磨料塑料等复合材料。

如果预算有限，可以用标准的硬质合金刀片，带有特殊的AK切屑设计和PD1000 DLC（类金刚石碳）涂层，这些涂层也可以对一些铜合金和磨料塑料进行涂覆。

对于像碳纤维这样的复合材料，我们首先不建议使用丝锥。螺纹铣削加工对比丝锥提供更低的切削力，并能产生更短的切屑。螺纹铣削也减少了刀具故障的机会，因为丝锥有时会在攻丝孔中卡住或断裂。由于螺纹铣刀的直径通常比螺纹小，所以这不是问题。这些因素的组合，使得螺纹铣刀加工复合材料比丝锥更容易和更安全。

螺纹铣削使其成为加工复合材料的优越选择的其他优点包括：

与攻丝时的一道式加工相比，螺纹铣削所需的力较小，因此机床所需的功率较低。

由于大多数螺纹铣刀由硬质合金制成，与丝锥的高速钢或粉末冶金高速钢相比，螺纹铣刀的刀具寿命和耐磨性明显高于丝锥。

这种碳化物基材还为螺纹铣刀提供了加工玻璃复合材料等硬材料等级所需的刀具强度，再次有助于防止刀具在材料中断裂。

如果由于加工设置或其他限制不能用螺纹铣削，那么一些丝锥可以作为合适的替代品，但只能作为最后无奈之举，首选还是螺纹铣刀。例如，我们的特殊铝制丝锥具有带断续设计切较深深的槽形，旨在防止切屑堵塞在出屑槽。

然而，在对复合材料进行任何攻丝之前，我们建议首先与技术工程师探讨下。

复合材料对任何行业和经验水平的工程师都提出了许多重大挑战；与传统金属加工相比，它们在某些情况下的表现是不可预测的。造成这种情况的一个关键原因是金属加工中大多数材料都是同质的，这意味着每种材料都有自己的名称和特征集（例如EN10钢或304不锈钢）。

对于复合材料，基体和增强材料的分类，所构成的材料组合都包含各个组分自己的特性，如纤维，结构图案和制造方法，这意味着材料匀质性是一个关键问题。

但在加工复合材料时面临的一个常见问题，就是多层材料，如三明治或蜂窝材料，通常可以通过轻微调整加工设置来解决。如果进给速度太高，刀具刺透材料的推力（通常是在钻孔过程中）将导致层之间的结合破裂，分层。因此，选择一个进给量来防止这种情况是必不可少的，这可以通过查阅刀具的切削数据来找到。

同样，如果您的切削刀具已经因为反复使用磨损了，这可能导致进给量的变化和材料分层。锋利的切削刃始终是最好的选择，这不仅可以减少钝边或磨边对材料和机床造成的压力，还可以确保最佳的工件表面光洁度。

如前所述，光滑的表面不仅美观，而且可以最大限度地减少对复合材料纤维和化学成分的损害。各种用于复合钻头和铣削刀具，带有金刚石涂层用于加工复合材料，锋利切削刃和特定精加工刀具几何形状，都会被设计用来加工难加工材料。

虽然使用专用的复合铣刀或钻头有助于延长刀具寿命并防止刀具磨损，但在选择适当刀具的同时，还需要仔细管理刀具。由于复合材料具有很强的磨蚀性，工程师还应该定期检查他们的工具是否有磨损迹象，并根据发现的任何模式调整刀具路径。

复合材料加工产生的发热量大会导致复合材料的基体变弱，这是分层的又一个常见原因。有效散热和导热的刀具在这里将被证明是有用的。刀具内冷设计也允许在一些复合材料上有效散热（尽管冷却液并不总是推荐用于复合材料加工）。

最后，在加工复合材料时，不仅需要考虑刀具，还需要考虑刀具的夹持。由于复合材料通常是极具磨蚀性的材料，如果使用传统的刀具夹头，如ER筒夹，钻头夹具或立铣刀夹具，那么刀具和工件之间可能会有大量的抖动。使用跳动为0.005毫米或更小的精密ER夹头可以有所帮助，但理想情况下，3微米跳动（或更低）的液压夹具将为您复合材料成功保驾护航。

液压夹头使用液压在切削刀具周围施加压力，从而将刀具夹紧到位。这种液压还可以作为减振器，这意味着颤振将最小化，这在复合材料加工中尤为重要。 

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