复合材料由两种或两种以上不同特性材料组合而成，从而具有某些特定性能，常用有树脂基，陶瓷基，金属基等类。它们已应用在航空航天、汽车、船舶、能源、军工、体育等许多行业。其中FRP(Fiber Reinforced Plastic)类即纤维增强树脂基复合材料，由于它是由质软粘性大的树脂基体和强度硬度俱高的纤维构成。因此它的重量轻、比强度、比刚度、抗振性、耐疲劳性、耐腐蚀性好，而且便于大面积整体成型，尺寸稳定，更得到了广泛地应用。在上世纪虽已开始了应用，但当时多用的是热固性树脂复合材料，其材料与制造成本高，回收困难，对环境污染，限制了它的使用。后来开发的先进热塑性树脂增强复合材料如GFRP，CFRP，AFRP，BFRP等。它们分别是以高强度的玻璃，碳，芳纶，硼等纤维与先进的高性能树脂如聚醚醚酮(PEEK)，聚苯硫醚(PPS)，聚醚酰亚胺(PEI)等构成的复合材料。这些先进的复合材料性能更好。生产周期和成本却降低了，其结构件还可以熔融焊接，便于维修，其废料可以回收再利用，污染较少，有利于保护环境，节省资源。更受到航空等许多业界欢迎。据资料美国最新型波音787使用材料中，复合材料占到50%。欧洲最新空客A350XWB更占到52%。采用CFRP波音787重量减轻50%，A350XWB空客重量减少53%。国外军机重量亦因此减少了20-50%。航空飞行器重量的大幅度下降，其重大意义是不言而喻的。目前复合材料已大量采用，但它们又是难加工材料。难以加工它们在于，⑴纤维强度大硬度高，如磨料一样反过来磨削刀具;切后材料回弹加剧了磨削作用;碎断的纤维又如流动磨料一样;使刀具磨损很快。⑵材料导热性差，切削热积聚在刃口，高温更加速了磨损。⑶被加工复合材料层间结合力较低，易造成分层，特别钻孔的出入口更易分层，撕裂。⑷加工后表面有毛刺和抽拔出未能切除的纤维等，致使加工精度难以保证。⑸另外在加工中产生的有害粉尘和气体会污染环境，还影响操作者的健康。⑹在航空航天业，此类复合材料还和钛合金、铝合金组成叠层材料，一起加工，两类性能完全不同材料，适应的刀具和切削条件是不同的。就如简单的钻叠层板上的一个孔，也会因不同材料收缩率不同，加工出孔径存在差异，因此难以保证加工质量。笔者在上世纪六十年代曾进行过实验，虽说仅用了一般的高速钢切削工具，采用一些补充的，补强的方法，如钻孔进出口增加支承等，也可以进行加工。但是刀具磨损严重，效率极低，加工质量很差。随着这类材料的改进和普遍使用，叠层材料的出现，加工它们的先进刀具和工艺方法，就成为迫切的需要。本文主要介绍多年为航空业服务的德国MAPAL公司一些新型的刀具结构和刀具材料。

为了高效加工这些先进的复合材料，他们对刀具的材料，首选了聚晶金刚石(PCD)刀片和各类带金刚石涂层的硬质合金刀具。PCD在上世纪七十年代诞生，是用人工金刚石粉末在高温和 大气压条件下，加钴硬质合金，镍-铬等结合剂烧结制出，通常制出的是它和硬质合金结合在一起的复合片。其中PCD层厚0.3 mm,硬度达Hv8000左右。远高于硬质合金基体，导热系数更是硬质合金的1.5 CVD(化学气相沉积)方法在刀具表面沉积涂敷金刚石，是在上世纪八十开发成功的。目前有多种化学沉积方法，大家在提高涂层的质量，保证涂层膜应均匀、减少缺陷裂纹、加强与基体附着力方向努力。另外，涂敷后表面粗糙的，需再刃磨，刃磨质量也应高。改进涂敷工艺使之能生成细晶，纳米级晶粒时就可不刃磨，而降低成本。一般报道各公司涂层性能大致相当PCD性能，但据MAPAL公司报道，他们的特殊金刚石涂层硬度比PCD高60%，所有使用PCD的刀具都可以用金刚石涂层来代替，有的情况寿命甚至可比PCD高两倍，可以完美地加工CFRP，GFRP，高硅铝合金等。金刚石涂层使刀具切削部分表面极硬，而体内还保持硬质合金的韧性。价格比装PCD刀片低，经济性好，因此得到了较PCD更广地使用。图1 是在500倍显微镜下，MAPAL的CVD涂层金刚石和PCD的金相组织比较。

图1 CVD金刚石涂层与PCD刀片表面金相组织

㈠MAPAL加工复合材料的钻削工具

他们主要有四大类;⑴MEGA-DRILL-COMPOSITE-MD 用于加工有多向纤维层的CFRP。⑵MEGA-DRILL-COMPOSITE-UD用于加工单向纤维层的CFRP。⑶TTD-STACK-DRILL (刀头可换式)。用于加工CFRP和金属构成的叠层钣复合材料。⑷MEGA-STACK-DRILL 也用于加工CFRP和金属构成的多层钣复合材料。(分别见图2之1，2，3，4)。以上这几类均是有金刚石涂层的硬质合金钻头。其化学稳定性好，切削温度低，耐磨性高，又有一定的韧性。

钻头材料的改进提高了耐磨性和寿命。但纤维增强复合材料钻孔时，易产生的分层，撕裂，加工表面有纤维拔出和毛刺等这些不足，还必须改进几何结构形状与角度才能解决。一般钻头具有横刃，横刃有一定的宽度，该处前角为“负”，它不是切削而是强迫挤压被加工材料，造成很大的轴向力;另外顶角大时，轴向力也大。当轴向力大于层间结合力易造成分层。还有主刀刃各处前角不同，切削条件受力亦不同，后刀面结构形状与螺旋角等等均对轴向力有影响。MAPAL考虑了各种因素，为提高加工质量，上述几种钻头改进了设计，消除了以上缺陷。

图2 不产生分层等加工缺陷的几种MAPAL钻头

在加工直径较大的孔时，整体硬质合金钻头成本很高。材料浪费。因此MAPAL开发了头部可更换的TTD钻头(图2之3)，最大直径达 40，最大长径比达12 D。刀头通过背面圆周上多个三角形槽等与刀体密切结合定位，再锁紧，故联结刚性高。TTD有三种形式，01型适钢与铸铁，02型适不锈钢，03型适复合材料。它们的横刃，前后刀面都进行了修磨优化，自定心方便，进给力减少，加工稳定。又改善了螺旋槽，使切屑易于流出。

㈡MAPAL加工复合材料的立铣刀

为在复合材料上加工贯通的型面，凹型面，侧铣修整外轮廓面。MAPAL提供金刚石涂层和带PCD刀头的多种立铣刀。它们加工工件后不产生分层，表面光洁，工时短，寿命长。即使加工大工件后，也不需再进行返工和修整。他们的各类加工三维型面的球头，环状圆弧头等立铣刀优点是;即使材料含极坚韧的磨料，寿命也长，加工表面质量好。图3 是他们提供的几种立铣刀，其中，1是带PCD刀片和CVD金刚石涂层立铣刀。用于铣削CFRP和GFRP零件。2是精铣CFRP和GFRP的四刃立铣刀，加工表面质量高。3是粗铣CFRP和GFRP的立铣刀。4是能高效一次完成粗铣，精铣CFRP的立铣刀。5是铣削和侧面修整Kevlar(芳纶纤维的一种)的双刃立铣刀。

图3 各类加工复合材料用立铣刀

另外还有一类优化了几何结构，同时具有单向和左右螺旋槽，带锯齿刃的立铣刀也用于CFRP和GFRP的侧缘修整，铣槽，铣型腔等(图4)。这些特殊的刀刃结构，改善了加工中力的分布，减少了力和热。并通过附加的排屑槽，增强从加工区快速地排出粉尘和切出物，使这些刀具能实现高效超负荷工作。小直径立铣刀依靠这些特殊排屑槽也能及时排屑。而MAPAL的优异的涂层使这些立铣刀避免过早磨损，支持了它们持久高效工作。

以上立铣刀最小直径从0.4毫米开始。加工零件可小到电路印刷版，大到航空航天的大型组件，风能设备，船舶车辆设备。它们的材料可据被加工材料有所变化。

图 4 特殊结构的锯齿刃立铣刀

㈢加工复合材料特殊的套料钻，锯片铣刀，面铣刀等

钻CFRP，GFRP零件较大孔时，为降低成本，MAPAL开发了套料钻，如图5之1，这种钻头装有两片PCD刀片，加工质量高且稳定，寿命长，加工后在工件出口不分层。比一般钻头加工，不但效率高，质量好，且因切削量减少，粉尘也大为减少，机床功率也减少了75%。其上的PCD刀片更换也很方便。它在风力发电设备的叶片转子组件的加工中得到广泛地使用。图5之2 是刀头可换的TTD型钻头。它的特殊设计是为了加工GFRP材料叶片定位件的定位孔。这是一种性价比高的钻头。图5之3是装20片PCD刀片的盘铣刀，直径是400毫米，所装刀片数量多，能高效快速地加工除去转子叶片根部的突出树脂，其刀体两侧表面经过抛光，可减少加工时的摩擦和热量。还有一个优点是不像一般金刚石锯，加工表面时不会产生锯痕。图5之4是装金刚石刀片的面铣刀，用它可以精加工轮毂联结表面，达到要求的平面度。

图5加工复合材料的套料钻，刀头可换钻，盘铣刀，面铣刀。

㈣加工纤维增强复合材料和金属层板的钻头和铰刀

叠层材料主要用在航空飞行器的机身和机翼组件上。现代飞行器结构件，机身装配用的CFRP板加入钛合金钣或铝合金钣以支承传递分散受力。目前在机身上的舱门，机翼上承载发动机的部位，起落架，襟翼等承载大的组件上，采用了紧密结合的CFRP/钛合金/铝合金层板。其上的孔必须保证要可靠地在一次加工中完成。

多年来MAPAL公司积累了成熟的加工多种复合材料的工艺技术，尽管加工要求不断变化，但他们的钻头钻钛合金层钣时产生的热量低，钻铝合金层钣时不产生粘结，钻CFRP层板时不产生擦伤，能一次加工出H8级的孔，钻头寿命还很长。这归结于他们为加工CFRP和金属的复合材料(钛/铝)后，不断总结经验，优化改进了钻头结构的结果。例如，为了解决收缩率引起的孔径差异，高精度加工孔时，所用钻头带有复合的铰削刃。为了降低客户的生产成本，他们采用了前述的TTD式可换结构，和靠高精度短锥面与端面定位，螺栓锁紧的HPR式可换结构。下面主要介绍两种。⑴钻铝合金-CFRP材料机翼组件的TTD(可换刀头)钻头如图6之1。其几何结构和涂层按层板的不同组成和不同的加工方向有所变化。在加工CFRP和铝合金层板时，使用TTD钻头可一次加工出H8级孔。层板组成为钛合金时，直径大于12毫米的孔可用TTD钻头钻出，当要求加工出较高精度时，则需经铰削。⑵铝合金-CFRP-钛合金构成的机翼组件上的孔，需要用HPR(高性能铰刀)可换刀头式铰刀加工，以达到要求。铰刀如图6之2。图6右上为纤维/金属复合材料示意图。

图6纤维/金属复合材料加工用可换刀头钻头铰刀

两类被加工材料即使同是金属，如铸铁和钢一起加工时，也会在刀具材料选择，工艺方案选择，切削条件的决定等方面存在诸多问题，往往不是加工后，某一种材料质量达不到要求，就是刀具出现损伤和寿命等问题。为在一次加工出纤维增强复合材料和钛合金，铝合金层钣，这多类性质迥异材料上加工出较高精度的孔。MAPAL凭着丰富的实践经验和技术诀窍，终于优化设计出高性能具有加工成本优势，如图6所示的钻头和铰刀。

复合材料随应用范围的扩大，新型材料不断出现，为可靠地能加工它们，不断开发新型刀具，都意味着是一个新的挑战。