CVD金剛石：切削復合材料的利刃

當今時代，隨著科技發展、特別是材料結構輕量化的發展，在幾乎所有工業部門（汽車行業、航空航天行業和一般的機械工程行業等），對復合材料的需求都非常旺盛。

       一種復合材料是由多種不同特性的材料，通過復雜組合而形成，所有這些復合材料都是應實際應用需要而產生的。其三明治型結構保證了它們都可形成高度復雜的結構，并表現出所需的應用特性。

       基本原理

       原則上，復合材料都是混合結構，例如：印刷電路上的銅層和增加穩定性所需的鈦膜，就是Z簡單的例子。不同復合材料的切削性能，也需要區別看待，需劃分到不同切削等級中。

       復合材料可粗略地分為以下三種：

       粘合覆蓋型，例如膠合板

       顆?；旌闲?，例如碎木膠合板

       纖維型材料，該型又分：金屬基材型MMC、纖維塑料型FPC和陶瓷基材型CMC。

       其中Z重要的是FPC材料。FPC型材質中，Z著名的又屬碳纖維增強塑料CFRP，應用Z多也是Z先使用該材料的行業是航空航天業。

       而在船舶行業，使用較多的FPC材料，是玻璃纖維增強塑料(GFRP)和碳纖維增強塑料(CFRP)。

       如果零件需要極其高的阻抗和沖擊韌性的話，則需要芳綸或者凱夫拉爾纖維，即芳綸纖維增強型塑料(AFRP)。

       高性能復合材料是現代具有很大發展潛力的輕量化材料。通過多種纖維和基材的組合，再有特殊強化結構，可以制造出滿足各種不同要求的Z佳狀態的定制產品。

       加工復合材料的難題

       當切削復合材料（例如CFRP和GFRP）時，常因工件材質的多相特性，造成加工狀況不明。復合材料通常由基材和強化基材的玻璃纖維或碳纖維構成?；趹铆h境的不同，可使用各種具高抗性的纖維。選擇何種纖維取決于終端產品的需要。

       在切削纖維時，橫向和縱向的纖維不會相互干涉，就造成切削后工件易產生鋸齒狀邊緣、脫層和纖維損壞。高阻抗的纖維還會造成刀具很強的磨料磨損，這就需要刀具材質具有很高的硬度。

       復合膠凝材料的熱穩定性不太好。加工中，復合材料會和切削刀具材質發生化學反應。所以，為了避免對工件的化學破壞，切削時通常要限制切削速度。加工復合材料的各種標準也還沒有制定出來，例如基于表面質量的工件質量標準，機加工廢料的排放等。

       復合材料的難加工與其結構的多相特性相關，所以在加工中需要各種各樣的刀具材質。如果切削纖維時需要非常鋒利的切削刃，我們就可以選擇CVD金剛石材質或者鑲有PCD的刀具。

       但是，使用此類材質可加工的工件輪廓是有限的，特別當工件需加工的輪廓非常復雜時，很難實現。在一些案例中，需要斷屑槽時，必須使用硬質合金刀具。為了減小硬質合金刀具在加工復合材料中可能出現的嚴重磨粒磨損，可適當為硬質合金刀具增加金剛石涂層。不過，后者并非被廣泛采用的解決復合材料切削的有效方法。

       Horn數控刀具提供的解決方案

       Z近幾個月，位于德國凱澤斯勞滕的專業復合材料生產商CirComp公司，使用HORN的CVD金剛石刀具，加工了多種回轉對稱類的復合材質工件，例如：管子、支柱、桅桿及高性能滑動軸承。

       以前PCD是加工復合材料的首選，但現在，CVD金剛石刀具在加工復合材料時體現的一流性能，遠遠地超過了PCD刀具。

       復合材料是一系列的纖維和基材的組合。從微觀角度看，切削纖維可被視為在微秒的時間間隙內不斷改變切削角度的斷續切削——縱向、橫向、斜向，每一層纖維的走向都不同。

       HornZ新的CVD厚膜金剛石刀片，使用特殊工藝生產，在加工復合纖維材料時是PCD刀具壽命的5~6倍。主要原因如下：CVD金剛石刀片的材質是99.9%的純凈金剛石，由20?m-25?m的均質晶體構成。而PCD是由金剛石和粘結劑構成的金剛石，含量略高于80%的刀具材質。

       這就意味著CVD金剛石的硬度相對PCD，可以出現很大幅度的提高，甚至比天然鉆石的硬度也稍高一些。CVD刀具使用精確的激光雕刻進行刃口倒圓，并可提供1~2?m的刃口鋒利度。在激光雕刻過程中，單個的金剛石晶體會被切割掉，而不會出現磨削時的晶體破碎情況。這就意味著CVD金剛石刀具的鋒利程度是PCD刀具的10倍以上。使用激光還可以在CVD金剛石刀具上雕刻出多種斷屑槽。

       小結

   CVD金剛石鋒利的切削刃、大幅提高的硬度、整體強度以及更加精細的晶體結構，決定了其刀具良好的壽命和切削性能。相對PCD刀具，使用CVD金剛石刀具切削纖維材質，磨蝕磨損更小。

       發生在CVD金剛石刀具上的磨損，多為后刀面磨損。這相當于重新磨銳了刀具刃口。有斷屑槽也比無斷屑槽的，高出了一個層次。金剛石是Z好的導熱材質之一。這就意味著在切削過程中，切削刃某一位置產生的熱量會馬上消散，不會在刃部造成過熱現象。

       極具創新性的CVD金剛石切削材質，在加工復合材質時采用了正切削前角。所以無論粗加工還是精加工，都能達到了Z優效果，特別是在高進給和切屑厚度變化的情況下。例如：在首次粗加工中使用帶有3D斷屑槽的CVD金剛石機床刀具切削，也能實現精加工中所能達到的Z好表面粗糙度，并可保持良好的刀具壽命。