碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料（CFRP）是在碳纖維上層疊多層浸漬了環(huán)氧樹脂的片材（預(yù)浸材），然后加熱加壓制成的。因此在切削時容易出現(xiàn)的問題是預(yù)浸材之間和纖維之間出現(xiàn)分層和劈裂。解決了這些問題，開始面向摩托車和汽車策劃、設(shè)計和生產(chǎn)CFRP部件的是日本東京R&D公司（總部：東京）（圖1）。


圖1：日本東京R&D的加工實例和使用的機床

主要面向摩托車和賽車加工CFRP部件，從部件的提案到設(shè)計、成形、加工提供一條龍服務(wù)。左圖為發(fā)動機上的導(dǎo)流部件——通風(fēng)筒的加工實例。CFRP切削使用的加工中心是山崎馬扎克的“VTC-200B”（右圖）和發(fā)那科的“ROBODRILL α-T14iAL”。

過去只有一級方程式賽車（F1）及MotoGP等賽車的零部件對CFRP存在需求。每種賽車零部件需要的個數(shù)都很少。因此，與其用昂貴的夾具機械切削，不如用旋轉(zhuǎn)工具人工切削成本更低。東京R&D從15年前就開始積累機械切削CFRP的技術(shù)經(jīng)驗，但此前都不大有用武之地。 copyright 123456

東京R&D制造部部長白巖一行表示“但最近1～2年，形勢大大改變”。因為不僅是賽車，量產(chǎn)型汽車也開始采用CFRP。


重要的“工具材質(zhì)”

東京R&D的優(yōu)勢在于切削面的品質(zhì)高。圖2是該公司制造的回紋針樣品。大小跟500日元硬幣差不多，仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)厚度方向上有三層。整體厚度為900μm，每層相差300μm。這么微細(xì)的加工也沒出現(xiàn)分層和殘留，表面粗糙度僅Ra1.6μm。另外，該公司的其他部件有的表面粗糙度僅Ra0.4μm。


圖2：通過微細(xì)加工也能實現(xiàn)平滑的切削面

這是制造的回紋針樣品。厚度為900μm，設(shè)有300μm的高度差。這么微細(xì)的加工也很光滑，表面粗糙度僅Ra1.6μm。加工時間為3分鐘。

據(jù)東京R&D介紹，切削CFRP主要有三大技巧。即［1］根據(jù)切削部位區(qū)別使用工具，［2］根據(jù)部位調(diào)整工具的旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速以及進(jìn)刀方向和速度，［3］合理設(shè)定切削程序。下面逐條來介紹。 123456

首先是［1］區(qū)別使用工具，了解什么樣的工具適合什么樣的切削至關(guān)重要。

比如，切削CFRP主要使用超硬合金工具，而超硬合金工具也分有金剛石涂層的和無金剛石涂層的。據(jù)該公司制造部機械加工組組長國益徹也介紹，要想實現(xiàn)平滑的切削面，關(guān)鍵在于工具的“鋒銳度”。國益介紹說：“無金剛石涂層的工具在鋒銳度方面更為出色，但缺點是磨損得快。關(guān)鍵是如何使用短壽命工具實現(xiàn)平滑的切削面”。

順便一提，東京R&D還在工具廠商的幫助下開發(fā)出了將金剛石砂粒電沉積在機械構(gòu)造用碳鋼（S45C）上的自制工具（圖3）。


圖3：CFRP加工中使用的部分工具

上面的兩個是通過CVD（化學(xué)氣相沉淀）涂布了金剛石的超硬合金立銑刀，屬于市售工具。下面兩個是電沉積了金剛石砂粒的工具，是在工具廠商協(xié)助下自制的工具。 本文來自123


2］工具的旋轉(zhuǎn)和進(jìn)刀方面，加工CFRP特別需要注意的是工具的旋轉(zhuǎn)方向和進(jìn)刀方向。因為由預(yù)浸材層疊而成的CFRP具有各向異性。

圖4表示切削采用了UD預(yù)浸材（僅一個方向配備了碳纖維）的CFRP時的工具旋轉(zhuǎn)方向和進(jìn)刀方向。工具的刀刃順時針方向旋轉(zhuǎn)時，在刀刃遠(yuǎn)離工件的部分，刀刃沿著上挑纖維的方向移動。因此，這一部分容易出現(xiàn)分層。于是，從右向左進(jìn)刀，刀刃對著工件始終在壓著纖維的方向上移動。這樣，就可以防止分層。


圖4：加工UD（單方向）預(yù)浸材的CFRP時的刀具旋轉(zhuǎn)方向和進(jìn)刀方向

圖為俯視工件和工具的狀態(tài)。在CFRP切削中，工具的旋轉(zhuǎn)方向與進(jìn)刀方向的關(guān)系非常主要。之所以容易分層，是因為在刀刃遠(yuǎn)離工件的部分，刀刃沿著從工件上上挑纖維的方向移動。這時，如果從右向左進(jìn)刀，刀刃就會沿著始終壓著纖維的方向移動，能夠避免分層。 123456

雖然道理很簡單，但要不斷積累這么精細(xì)的技巧才能實現(xiàn)平滑的切削面。不過，該公司未公布具體的工具轉(zhuǎn)數(shù)和進(jìn)刀速度。

下料量也有講究

3］切削程序方面，也需要下細(xì)工夫。為了淺顯易懂地說明重點，筆者將比較由芳輪纖維與碳纖維交織的片材層疊而成的復(fù)合材料的切削程序與普通CFRP的切削程序。

以兩種材料都開直徑10mm的孔為例。普通CFRP在粗加工時首先從直徑10mm中切掉中心直徑9.8mm。然后，用合適的工具精加工剩下的下料（厚度為100μm的中空圓筒）。

而上述的復(fù)合材料在粗加工時切掉比CFRP小的直徑，保留更多下料。并且，通過精加工，一下去掉剩余的厚度。因為這樣的話，芳輪纖維“發(fā)粘，容易出現(xiàn)殘留”（國益）。這樣的材料最好多留下料，一下切掉。

這里比較了復(fù)合材料和CFRP，但CFRP也有很多種，因此可以采用同一方法。除材料特性外，根據(jù)板厚和加工形狀分配粗加工和精加工也非常重要。 123456

東京R&D計劃利用這些經(jīng)驗，打入量產(chǎn)摩托車和汽車零部件市場，同時擴大飛機領(lǐng)域的業(yè)務(wù)。