近年来，随着先进材料技术的发展，复合材料已成为现代材料科学研究和应用中的重要成果。复合材料具有良好的设计灵活性，可以根据不同的使用需求进行优化设计与制造，以满足特殊环境或功能的要求。这类材料因其出色的性能，广泛应用于航空航天、汽车、能源等高端制造领域，极大地提高了工程结构的效率和可靠性。复合材料的多样性及其优异的力学、热学和化学性能，使其成为未来工程材料的有力竞争者，特别是在需要减轻重量、提高强度和耐久性的场合。
按基体材料类型，复合材料通常可分为三大类：树脂基、金属基和陶瓷基材料。其中，树脂基复合材料，特别是碳纤维复合材料，因其碳含量通常高达90%以上，表现出极高的比强度和比模量，成为一种典型的高性能材料。碳纤维复合材料重量轻但强度高，层薄但刚性强，同时具有良好的抗疲劳性能、低热膨胀系数及尺寸稳定性，在航空航天等领域的应用前景尤为广阔。
然而，碳纤维和玻璃纤维等复合材料在实际加工过程中仍面临许多挑战。复杂形状零件的成型通常需要进行二次加工，但由于这类材料的高硬度、低层间剪切强度和较差的导热性能，加工过程极为困难。纤维复合材料的力学性能往往表现为各向异性，导致层间强度较低，切削过程中在切削力作用下容易出现分层、撕裂等缺陷。此外，碳纤维难以平整切断，进一步导致加工效果不理想。
在复合材料切削过程中，切屑的形成是基体破坏和纤维断裂交织而成的复杂过程。由于纤维断裂、基体剪切以及切屑与刀具前后刀面之间的摩擦，切削热大量产生。然而，由于碳纤维的脆性断裂带走的热量很少，材料塑性变形困难，导致散热不良，尤其在高温条件下，热量堆积容易引发表面碳化，影响加工表面的质量。切削热主要传导到刀具和工件，这加速了刀具的磨损，导致许多刀具难以顺利完成整个加工过程，从而影响加工效率和精度。
综合来看，碳纤维和玻璃纤维复合材料在切割加工过程中易出现两类缺陷：一类是切口损伤，如切口边缘容易出现出口分层、撕裂、毛刺和拉丝等问题；另一类是层间分层，即材料层与层之间的分离，导致复合材料内部组织疏松，从而削弱构件的强度及其他机械性能。
要解决纤维复合材料的加工难题，刀具是至关重要的因素之一。目前普遍使用的螺旋刃整体合金或高速钢立铣刀，由于其连续的长切削刃，导致刃口不够锋利，切削性能差，且加工过程中刀具寿命较短。长切削刃还容易导致加工表面产生毛刺、分层和起皮等不合格现象。因此，选择合适的刀具材料及优化刀具结构设计，对于提高复合材料的加工效率、减少加工缺陷至关重要。先进刀具技术的发展以及针对不同复合材料特性的刀具设计，必将为解决这些加工难题提供有效途径，从而推动复合材料在更广泛工程领域的应用。
方案解决案例
目前市面上存在为提高碳纤维、玻璃纤维等复合材料的切削性能和加工效率而设计出的金刚石涂层刀具。该刀具旨在有效解决复合材料加工过程中常见的分层、撕裂、毛刺、拉丝及层间分层等问题，并显著延长刀具的使用寿命。由于其独特的结构设计，该刀具适用于碳纤维或玻璃纤维复合材料的板材镂空、铣边及钻孔等连续加工工艺。
图源：公开网络
如上图所示，刀具由钻尖、刃部和柄部组成。刀具的钻尖和刃部经过纯金刚石涂层处理，涂层具备与天然金刚石相同的特性，如高硬度、高强度、耐化学腐蚀、良好的热导率和低摩擦系数。这些特性有助于在加工过程中保持刀具的锋利度，提高加工效果，并延长刀具的使用寿命。而刀具的头部设计为钻铣一体，能够实现连续的钻孔和铣削加工。针对不同厚度的板材和夹持条件，钻尖的设计有所不同。例如，对于较厚或夹持刚性较好的板材，钻尖设计为135°和90°双顶角的普通形式；而对于较薄或夹持刚性较差的板材，钻尖则采用带5-10°盘角的负顶角设计。该设计可以有效减少钻孔时的毛刺、分层和纤维撕裂等现象，从而提高孔的加工质量。同时，与钻尖相连的刃部由左右旋交错的螺旋槽组成，刃数根据刀具直径的不同而变化。前刀面角度为10-12°，后刀面角度为18-25°。这种设计有助于实现高效的连续切削，并提高复合材料的加工精度和效率。
图源：公开网络
该刀具可以在处理复合材料零件时进行连续的钻铣加工，尤其是在复杂零件加工中，能够使用同一把刀具完成钻孔、镂空、铣边等工艺，无需频繁更换刀具，从而显著提高加工效率和精度。
与传统钻头相比，普通钻头的钻尖通常为120°双刃设计，容易在复合材料钻孔时造成纤维撕裂。而该刀具的特殊钻尖设计则能有效减少毛刺和分层，提升钻孔的质量。此外，传统铣刀由于只有单一方向的连续刃口，导致加工碳纤维或玻璃纤维复合材料时容易出现分层、毛刺和翻边等问题，而此刀具左旋和右旋交错刃口设计则能够有效抑制这些缺陷，延长刀具寿命，提高加工性能。
从金刚石涂层工艺的角度来看，直线刃口设计相比传统鱼鳞铣刀的尖角刃口更有利于涂层的生长，从而进一步提升了刀具的耐用性和性能。
第八届国际碳材料大会暨产业展览会
——宽禁带半导体及超精密加工论坛&金刚石前沿应用及产业发展论坛
第八届国际碳材料大会暨产业展览会（Carbontech 2024），将于12月5-7日在上海新国际展览中心召开。
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