刀具在復合材料的跨領域應用

       復合材料是由兩種不同材料結合在一起形成的特性超過原本兩種基體材料的新材料。早在古埃及時代，人類便用泥巴和麥稈結合形成最早的“復合材料”，強度超過泥巴和麥稈本身。

      根據基體材料的不同，現代常見復合材料可被分為塑料基復合材料（本文僅限討論塑料基復合材料）、金屬基復合材料、陶瓷基復合材料等 ；塑料基復合材料又根據糅合入基體類的不同材料，分為碳纖維、玻璃纖維（俗稱玻璃鋼）、芳綸等材料。更有多種不同材料疊加，如碳纖維+鋁合金、碳纖維+蜂窩材料、玻璃纖維+鈦合金等材料。

       復合材料可以根據強度設計要求，設計不同的纖維編織方向，選擇單方向提高材料強度，分為平織、斜紋織、緞紋織等各種纖維鋪設方向方法。同時，又可根據基體將塑料基復合材料分為熱塑性復合材料和熱固性復合材料 ；熱塑性材料會在高溫下融化為液體，并在低于融化溫度后變為固體。這個過程可被不斷重復，類似小的方冰塊。熱固性材料特性不同。足夠的熱量會產生化學反應，稱為“交聯”，材料會永遠變形。熱固即為“隨熱而固”。交聯后，熱固材料不會融化。過高溫度，熱固材料會燒焦，物理特性會降低。 

       復合材料與金屬相比，具有以下特點 ：減少重量，減少零部件數量，更高強度和剛性 ；更好耐沖擊性，更好耐疲勞性，更好隔熱和隔音性，更好防振和噪音衰減性，無電流腐蝕性；控制纖維方向，確定材料不同方向特性；生產復雜形狀產品。

       由于復合材料由兩種或多種材料糅合在一起，且纖維的鋪設方向、分層不同，所以對加工提出了更高挑戰，在加工過程中容易產生以下問題：刀具快速磨損、毛刺過大、材料分層、剩余纖維未切除、加工過熱等問題。

       復合材料加工與金屬加工機理有著本質不同，金屬加工時被加工材料比切削刀具更軟，切削過程中被加工材料沿著剪切面形成連續的塑形變形，從而形成連續、鋸齒狀的斷續的切屑變形。而復合材料加工本身為一系列脆性破壞過程，切削刃的撞擊使得堅硬的纖維粉碎，形成粉末狀或者毛刷狀的碎屑。

       由于復合材料的高耐磨性，刀具通常采用金剛石涂層或者PCD（聚晶金剛石）刀具切削。同時，在復合材料加工過程中，需要鋒利的切削刃將纖維切除。金剛石涂層可以顯著提高刀具壽命，但金剛石涂層在涂前需要刃口處理，方便涂層附著。金剛石涂層本身有一定厚度，會造成刀具較不鋒利，通常刃口圓角約為20um。PCD刀具直接刃磨而成刃口，所以可以比較鋒利，通常刃口圓角約為10um。 

       兩種刀具的選擇通常根據客戶生產規模來定，如果是小批量多品種產品加工，可采用金剛石涂層刀具；如果是大批量定型產品，追求效率，可采用PCD刀具。加工常見碳纖維復合材料，金剛石涂層刀具銑削線速度約為200-400m/min，而PCD刀具銑削線速度可以達到400-800m/min。

       復合材料廣泛應用于航空航天，能源（風電葉片），汽車，運動器材，醫療，游艇等行業，主要目的為材料的高強度和低密度。如常見的碳纖維，強度接近高強度鋼，而密度為2.4g/cm3，比鋁合金密度還低；芳綸材料密度更低至1.3-1.4g/cm3。 

       隨著復合材料生產成本的不斷降低，產量大幅提升，其應用范圍也越來越廣，隨之帶來的加工挑戰也不斷增加，我們必須不斷研制更多新型專用復合材料刀具，滿足市場需求。