纤维增强复合材料加工刀具研究进展

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2021.10.021

中国塑料 ›› 2021, Vol. 35 ›› Issue (10): 126-136.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2021.10.021

纤维增强复合材料加工刀具研究进展

石文天¹(), 孙文龙¹, 袁美霞², 刘玉德¹

^1. 北京工商大学人工智能学院，北京 100048
^2. 北京建筑大学机电与车辆工程学院，北京 100044

收稿日期:2021-04-07 出版日期:2021-10-26 发布日期:2021-11-19
作者简介:石文天（1980—），男，教授，从事微细加工和3D打印技术研究，shiwt@th.btbu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(51975006);北京建筑大学市属高校基本科研业务费专项(X18236)

Research Progress in Cutting Tools of Fiber⁃reinforced Plastic Materials

SHI Wentian¹(), SUN Wenlong¹, YUAN Meixia², LIU Yude¹

^1. School of Artificial Intelligence，Beijing Technology and Business University，Beijing 100048，China
^2. School of Mechanical?electronic and Vehicle Engineering，Beijing University of Civil Engineering and Architecture，Beijing 100044，China

Received:2021-04-07 Online:2021-10-26 Published:2021-11-19

摘要/Abstract

摘要：

综述了纤维增强复合材料（FRP）加工专用刀具的研究进展，详细介绍了刀具材料、刀具表面涂层、刀具专用结构和加工辅助工艺的研究现状，列举了近年来国内外典型的FRP专用加工刀具，并简要介绍了刀具路径及工艺参数优化方法；最后，总结并提出了FRP专用加工刀具的总体设计原则和思路方法。

关键词: 纤维增强, 复合材料, 刀具设计, 辅助工艺, 设计原则

Abstract:

This paper reviewed the research progress in the special cutting tools for processing fiber?reinforced composite materials （FRP）. The current research status in tool materials， tool surface coatings， tool special structures and processing auxiliary processes was also introduced in detail. Some typical FRP special processing tools at home and abroad developed in recent years were summarized. In addition， the tool path and process parameter optimization method were introduced briefly. Finally， the overall design ideas and principles of the FRP special processing tool were proposed and discussed.

Key words: fiber reinforce, composite, cutting tool design, auxiliary process, design principle

中图分类号:

TQ315

石文天, 孙文龙, 袁美霞, 刘玉德. 纤维增强复合材料加工刀具研究进展[J]. 中国塑料, 2021, 35(10): 126-136.

SHI Wentian, SUN Wenlong, YUAN Meixia, LIU Yude. Research Progress in Cutting Tools of Fiber⁃reinforced Plastic Materials[J]. China Plastics, 2021, 35(10): 126-136.

图/表 13

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涂层类型	涂层硬度/HV	涂层厚度/μm	摩擦因数	耐热温度/℃	特点及应用范围
氮化钛（TiN）	2 300	2~3	0.6	600	高硬、耐磨、耐氧化
碳氮化钛（TiCN）	2 800	2~3	0.3	500	低内应力，高韧性、良好的润滑性；适合低摩擦系数和高硬度要求的加工环境
氮铝钛（TiAlN）	3 100	2~3	0.3	750	高热硬性、高化学稳定性、抗氧化、耐磨性；适合干加工场合
氮化铬（CrN）	1 800	2~3	0.2	700	强润滑性、耐高温
类金刚石（DLC）	2 500	1~2	0.1~0.2	300	优良的耐磨、耐腐蚀性能，低摩擦因数，与基体结合力强。通常以TiAlN为基体配合使用
多层复合高铝（AHNO）	3 100	2~3	0.3	800	高硬、高耐磨、低摩擦因数，高温下稳定性强，适合高速加工

涂层类型	涂层硬度/HV	涂层厚度/μm	摩擦因数	耐热温度/℃	特点及应用范围
氮化钛（TiN）	2 300	2~3	0.6	600	高硬、耐磨、耐氧化
碳氮化钛（TiCN）	2 800	2~3	0.3	500	低内应力，高韧性、良好的润滑性；适合低摩擦系数和高硬度要求的加工环境
氮铝钛（TiAlN）	3 100	2~3	0.3	750	高热硬性、高化学稳定性、抗氧化、耐磨性；适合干加工场合
氮化铬（CrN）	1 800	2~3	0.2	700	强润滑性、耐高温
类金刚石（DLC）	2 500	1~2	0.1~0.2	300	优良的耐磨、耐腐蚀性能，低摩擦因数，与基体结合力强。通常以TiAlN为基体配合使用
多层复合高铝（AHNO）	3 100	2~3	0.3	800	高硬、高耐磨、低摩擦因数，高温下稳定性强，适合高速加工

研究机构	刀具类型	特征结构及加工能力
大阪府立工业大学^［22］	人字形立铣刀	人字形40°双螺旋角刀具减少了加工振动，适宜于加工扁平零件尤其是玻璃织物层和较薄材料
SECO	整体硬质合金鱼鳞铣刀	对称交错的螺旋槽切削刃锋利，可极大降低加工阻力，易于实现高速加工，并且可有效延长铣刀使用寿命
SANDIVIK	锯齿立铣刀	40°螺旋角专利槽型具有双重切削作用，可减少分层和振动；既可干切也可湿切
金鹭特种合金有限公司^［23］	金刚石涂层硬质合金菱齿立铣刀	螺旋角不同的左右切削刃，同时参加切削，能有效减少毛刺、撕裂等加工缺陷，大幅延长刀具寿命
北京工商大学	双刃压迫式立铣刀	专门设计用于加工层压材料，选用左右螺旋两种形式切削刃，均包含两个分离的锯齿状切削刃，在高效铣削基质材料并剪切纤维的同时，可有效避免刀具过快磨损
北京卫星制造厂^［24］	芳纶纤维专用立铣刀	AFRP铣削加工专用刀具，特殊排屑槽可很好地切断纤维，避免材料出现分层毛刺以及脱丝和拉毛现象
北京卫星制造厂^［24］	小螺旋角铣刀	10°螺旋角，铣削刃具有较小的螺旋角，能够减少铣削过程的轴向力，可有效控制材料分层趋势
SANDVIK ^［25］	PCD复合钻头	烧结PCD钻头，118°和135°两种钻尖，直径范围3~16 mm；专为要求苛刻的CFRP加工而设计，可有效减少毛刺和纤维劈裂风险
SANDVIK	硬质合金金刚石涂层钻头	双顶角带金刚石涂层的硬质合金钻尖，切削刃异常锋利，钻头直径范围4~12.7 mm；可降低劈裂和分层的风险
MITSUBISHI	化学气相沉积金刚石涂层钻头	采用锋利的波形刃及多层微粒化学气相沉积金刚石涂层，兼备优异的耐磨性能与平滑性
集美大学^［9］	涂层W型钻头	“先推后切”设计理念，W型钻头轴向力大大减小，有效避免了撕裂、分层的情况
大连理工大学^［26］	金刚石磨具	“以磨代钻”理念，加工面积大大减小，可有效降低切削力，磨粒负前角加工

研究机构	刀具类型	特征结构及加工能力
大阪府立工业大学^［22］	人字形立铣刀	人字形40°双螺旋角刀具减少了加工振动，适宜于加工扁平零件尤其是玻璃织物层和较薄材料
SECO	整体硬质合金鱼鳞铣刀	对称交错的螺旋槽切削刃锋利，可极大降低加工阻力，易于实现高速加工，并且可有效延长铣刀使用寿命
SANDIVIK	锯齿立铣刀	40°螺旋角专利槽型具有双重切削作用，可减少分层和振动；既可干切也可湿切
金鹭特种合金有限公司^［23］	金刚石涂层硬质合金菱齿立铣刀	螺旋角不同的左右切削刃，同时参加切削，能有效减少毛刺、撕裂等加工缺陷，大幅延长刀具寿命
北京工商大学	双刃压迫式立铣刀	专门设计用于加工层压材料，选用左右螺旋两种形式切削刃，均包含两个分离的锯齿状切削刃，在高效铣削基质材料并剪切纤维的同时，可有效避免刀具过快磨损
北京卫星制造厂^［24］	芳纶纤维专用立铣刀	AFRP铣削加工专用刀具，特殊排屑槽可很好地切断纤维，避免材料出现分层毛刺以及脱丝和拉毛现象
北京卫星制造厂^［24］	小螺旋角铣刀	10°螺旋角，铣削刃具有较小的螺旋角，能够减少铣削过程的轴向力，可有效控制材料分层趋势
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SANDVIK	硬质合金金刚石涂层钻头	双顶角带金刚石涂层的硬质合金钻尖，切削刃异常锋利，钻头直径范围4~12.7 mm；可降低劈裂和分层的风险
MITSUBISHI	化学气相沉积金刚石涂层钻头	采用锋利的波形刃及多层微粒化学气相沉积金刚石涂层，兼备优异的耐磨性能与平滑性
集美大学^［9］	涂层W型钻头	“先推后切”设计理念，W型钻头轴向力大大减小，有效避免了撕裂、分层的情况
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纤维增强复合材料加工刀具研究进展

Research Progress in Cutting Tools of Fiber⁃reinforced Plastic Materials

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