切削挑战：混合基体复合材料和纤维增强复合材料

对航空航天中的混合基体和纤维增强材料不熟悉？这是关于如何使用复合材料的入门指南。

随着包括航空航天在内的许多行业继续要求越来越轻的组件，有一天您可能会发现自己站在 CNC 加工中心前想知道，“我正在切割的这些东西是什么？”。工具磨损快，灰尘四处飘扬，加工表面粗糙、有缺口且经常开裂。

什么是复合材料？

“复合材料本质上是两种或多种不同材料的组合，它们一起使用以结合最佳性能，或赋予一组新的特性，这些特性是任何一种构成材料都无法单独实现的，”Rainer Groh 博士写道，布里斯托大学非线性结构研究助理在他的航空航天工程博客中。

首先，了解为什么要使用复合材料是一个好主意：这是因为它们既轻巧又坚固。听起来很简单，可以理解。然而，在切割复合材料时，问题在于细节。

美国机械师在一篇关于碳纤维增强聚合物的文章中指出：“基质容易因过热而氧化和降解，而且碳纤维不能很好地切割，因为它们会断裂而不是平滑地剪切。” “[T] 复合材料的加工会导致一系列脆性碳纤维断裂，产生类似灰尘的碎屑，这些碎屑带走的热量很少。”

纤维增强复合材料与基体复合材料

地板梁、稳定器面板、飞行控制面、舱门和舱壁——这些只是当今飞机上众多复合材料或层压材料部件中的一小部分，其中大部分由多层复合金属复合材料三明治或蜂窝状材料制成坚韧的外表和内部几乎是纸质的结构。

无论它们的构造如何，无论它们在航空航天中使用何种层压材料，都存在三类纤维增强复合材料，包括陶瓷、金属和凯夫拉纤维。同样，有三种基体复合材料类别：酚醛、聚酯和环氧树脂。这些材料可能很难加工，但只要具备一些基础知识和对设备和工具的少量投资，一切都非常易于管理。

您可能听说过复合材料被称为 CFRP（碳纤维增强塑料）、金属基复合材料 (MMC)、芳纶（即 Kevlar）或许多其他类似的科学名称。关键在于了解与金属加工的区别。

“从金属结构到复合材料结构的转变自然导致了飞机部件设计方法的变化，”Groh 指出。 “必须牢记，不仅复合材料的机械性能与金属不同，而且整个物理和化学性能都不同。”

切割复合材料：粉尘、碳粉尘和过滤系统

让我们从在你头上盘旋的讨厌的灰尘开始。你不想吸入这些东西。对于某些应用，使用切削液注满机器会产生磨蚀性泥浆，从而损坏您昂贵的 CNC 机器。一些复合材料会像众所周知的海绵一样吸水，因此如果您没有合适的设备，使用冷却剂实际上可能会损坏工件。然而，在其他复合材料应用中，冷却剂可能是控制粉尘、提高刀具寿命和改善部件光洁度的一种非常有效的方法。

另一个需要注意的问题：已知碳纤维粉尘在某些情况下会点燃。除了可怕的警告之外，解决方案很简单——任何经常切割复合材料的车间都应该投资一个过滤系统，一个适合被加工材料类型的过滤系统。一个相当密闭的外壳也是一个好主意，但只要有足够的真空将灰尘吸出工作区域，就不会有任何问题。任何残留的灰尘都可以用 Shop-Vac 清理（只要确保过滤器处于良好状态）。以下是过滤复合粉尘的一些关键最佳实践：

• 请咨询您的机器经销商，了解是否需要石墨切割机中的正压主轴
• 与材料供应商核实需要什么尺寸和类型的过滤器（有很多变化）
• 并与客户核实零件清洁度要求 - 飞机制造商通常非常注意机加工零件上是否存在灰尘和异物 (FOD)

复合材料切割工具：收起高速钢

就切削工具而言，您可以忘记高速钢。复合材料通常具有很强的磨蚀性，虽然 HSS 很坚韧，但它不能滥用砂纸等切割材料。如果您只有几个零件要加工，整体硬质合金可以工作，但您需要非常锋利的边缘（这意味着涂层可能是不可能的，这要归功于所有 CVD 甚至大多数 PVD ​​涂层都附带的微观边缘倒圆角）。

几何形状也很重要。金属切削立铣刀和钻头上相对陡峭的螺旋角往往会使大多数复合材料分层，从而将层分开并破坏材料的完整性，类似于在一块玻璃纤维上钻孔时发生的情况（即使您可能不会能够用肉眼看到它）。最好的选择是中性或反向螺旋切削工具，例如用于木材或塑料加工的铣刀，或专门为复合材料加工而研磨的刀具。

因此，对于钻头，使用双角点（它们看起来像蝙蝠侠，在钻头两侧都有尖耳朵），以减少突破期间的力并消除碎裂 - 以防止出口表面分层。另一种选择是木工熟悉的布拉德点钻。您还可以使用中性前角立铣刀或路由器钻头将孔内插到尺寸。

复合材料切割：钻石是机械师最好的朋友

对于更高的产量或边缘质量至关重要的情况（通常是这种情况），聚晶金刚石刀具和金刚石涂层刀具是最佳选择。钎焊或可转位工具是最广泛使用的工具，并且会做得很好，但同样，一些切削工具制造商提供专为 CFRP 和其他复合材料设计的产品。在需要最大性能的地方评估这些特定类型的切削工具。

无论您使用切削工具、进给和速度采用哪种方法，都将是未知领域。为获得最佳结果，请致电您的工具供应商和材料制造商寻求建议，留出一点时间进行测试并记录您所做的一切。

使用和切割复合材料的额外提示

抓住脆弱的复合材料零件可能具有挑战性，因此请查看真空工件夹具或光活化粘合剂。如果热量成为问题，请尝试将冷风枪对准工作区。

以下是一些额外的复合指针，可帮助您朝着正确的方向前进：

• 注意潜在的复合晶粒方向和结构，因为它可能必须以某些方式定向才能获得所需的加工结果
• 夹层材料可能会否定 PCD 的使用，而有利于碳化物
• 在机身结构中流行的蜂窝状复合材料也适用于不同的策略 - 在这里，爬铣是首选方法（复合材料通常不是这种情况）

遵循童子军的座右铭并做好准备是个好主意：复合加工正朝着您的方向发展。

您如何在您的商店中使用复合材料？告诉我们你的恐怖故事。