与金属切削相比，复合材料的加工提出了独特的挑战。增韧纤维的研磨性缩短了工具寿命。与金属碎片不同，塑料基质带走的热量很少，过高的温度可能会熔化基质。复合材料容易分层，加工产生的毛刺和纤维表明钻孔或铣边质量差。其他挑战包括加工和钻孔由复合材料和钛合金(或铝合金)组成的层压材料。开发一种能够一次在这种层压材料上钻孔的工具尤其困难。设计复合切削刀具的常用策略包括无涂层硬质合金刀具、CVD金刚石涂层刀具、以PCD为切削刃或切削头的焊接刀具等。传统的PCD刀具是将金刚石晶体烧结成金属胎体，将刀具的切削部分切削成所需的形状，焊接(或烧结)在硬质合金刀柄上。传统的PCD工具在工具几何形状方面受到限制，但是现在一些公司可以提供具有更复杂几何形状的集成烧结PCD工具。在设计复合材料刀具时，需要将切削力降到最低，特别是在钻孔时，因此避免材料分层非常重要。肯纳公司的高级工程师KarthikSampath解释说，“脱层通常发生在工具钻出工件时，此时轴向推力会对下表面的层压板施加压力。刀具钻入工件上表面也容易发生分层。”虽然材料的分层与轴向推力有关，但Kenner认为纤维的位置不同和材料中孔隙的存在也会引起分层。在加工金属材料时，切屑的切割和成型可以是均匀的，而复合材料的加工则不同。它需要切断纤维，同时剪切基质材料。为了以最小的刀具磨损实现无毛刺切削，Kenner公司优化了刀具的几何结构。Sampath指出，“我们的实验表明，在钻复合材料时，需要采用大螺旋角、大后角和大背隙角，这样刀具才能轻松切入工件。”特别是要注意切削刃后角的设计。在10、20和36后角的对比切削实验中，随着刀具后角的增大，加工孔的质量明显提高。工具的锋利度也很重要。“我们的试验结果表明，如果刀具在涂层前有锋利的切削刃(刀尖圆弧半径 10m)，可以获得最佳加工效果”。在刀具材料方面，肯纳公司推荐使用整体烧结PCD钻头和低钴钢金刚石涂层钻头。据Sampath介绍，与无涂层硬质合金钻头相比，金刚石涂层钻头的寿命可提高10倍；在某些情况下，与PCD钻头相比，金刚石涂层钻头的寿命可以增加50%。“为了获得最佳的耐磨性和切削性能，我们推荐厚度为12 m的金刚石涂层，较薄的涂层可能会导致切削刃塌陷，而较厚的涂层需要额外的成本，性价比较差。”肯纳公司开发了用于加工复合材料的B531和B532系列钻头。Emuge公司的铣削产品经理StephenJean也同意可以最小化切削压力的刀具设计。几何形状对于复合材料的无毛刺切削非常重要。“我们的端铣刀造型独特，比传统的硬质合金端铣刀更像螺纹铣刀。铣刀包括两个分开的锯齿状切削刃，一个切削刃向上，另一个切削刃向下。当刀片旋转时，其效果类似剪刀的剪切运动，可以高效地碾磨基体材料，同时剪切纤维，避免磨损效应。”Emuge还提供用于加工复合材料的PCD端铣刀和刀片，以及各种CVD金刚石涂层硬质合金刀片和端铣刀。LaehDiamond公司开发了多种用于切削复合材料的钻头、端铣刀和刀头。该公司的加工工程师JasonLindsey表示，该公司只生产带有PCD焊接刀片和CVD金刚石涂层的工具。据说他们的切削试验表明，CVD金刚石涂层刀具的寿命是普通硬质合金刀具的20倍以上。
“关键是刀具必须有足够大的表面积来焊接PCD刀片。因此，我们建议直径小于4mm的钻头采用CVD金刚石涂层。对于直径大于4毫米的钻头，我们建议焊接PCD钻尖。”除了使用寿命长之外，PCD工具还可以重新研磨和调整刀片以便重复使用。z型立铣刀是Lach公司设计的复合加工工具的一个实例。该铣刀是为周向粗铣而设计的，其特点是PCD刀头的分布具有可变的剪切角，可以控制切削力。该公司开发的工具包括开槽和非开槽工具。林赛解释说，这种设计可以防止薄而不稳定的碳纤维底座在复合材料周围铣削时快速上下振动。为获得最佳切割效果，推荐切割速度为2200 ~ 3000 fpm (670 ~ 914 m/min)。Lach公司还生产其他四种切削复合材料的刀具：用于精铣内外轮廓的M型端铣刀；为Kevlar纤维材料周边铣削设计的p型正前角双槽立铣刀：用于周向半精铣的c型双槽立铣刀：以及用于蒙皮壁板加工的WA型双槽立铣刀。WA铣刀的上下往复剪切可以抵消切削力，降低切削压力，从而避免复合材料分层。供应商通常将复合刀具设计为定制产品，而不是标准目录产品。目前，山特维克科莱蒙公司的所有复合攻丝工具都是定制开发的。该公司的加工管理经理FrancisRicht表示，在当今的市场上，主导切削数据的因素包括工件质量、表面要求、加工成本和材料成分。在航空制造领域，复合材料的广泛使用和加工机床的多样性使得复合材料的切削条件苛刻，需要专门定制的刀具。Richt先生也同意，在层压材料上钻一次孔特别具有挑战性。最近，sandvik Koloman公司推出了用于复合材料钻孔和加工的CorooDrillR854。这种钻头由细晶粒硬质合金制成，采用金刚石涂层。其几何结构的设计可以降低轴向切削力。根据加工要求和加工材料，公司还可以提供硬质合金钻头和PCD钻头。对于碳纤维复合材料(参见
RP)的表面加工、边缘加工和修整加工，该公司不仅供应刀具，而且还提供加工解决方案，包括各种焊接式或可转位式铣削刀具。铣削工艺和刀具解决方案右沂良大程度上取决于机床的类型，即加工时采用并联结构机床(PKM)、数控机床还是机器人。AMAMCO公司是另一个看好复合材料发展前景的定制刀具供应商，该公司设计的刀具是对这一日益扩大市场的回应。据AMAMCO公司经理 AndrewGulpin介绍，该公司的复合材料钻头具有非常小的钻尖，并逐渐变粗到主直径。当小钻尖钻入工件时，实际上在复合材料中产生了一种碎裂效应;当锥形钻尖继续加工钻出该孔时，又对碎裂处进行了光整清理。通过这两种动作，就能获得无分层、无碎裂的无毛刺(光洁)孔。该公司还提供用于钻削由碳纤维增强复合材料和铝合金(或钛合金)构成的叠层材料的刀具。Gulpin认为，没有一种刀具设计能够满足叠层中所有类型材料的加工要求，为了保证孔的加工质量，就只有牺牲刀具寿命。他指出，未涂层刀具通常最适合加工压合叠层材料。
目前，AMAMCO公司使用的唯一一种涂层是由DiamondToolCutters公司提供的DiaTiger涂层。 DiamondToolCutters公司总裁RogerBollier认为，金刚石涂层用于复合材料加工时性能卓越。金刚石导热性能优异，同时具有化学隋性，在切削高温下不会与复合材料中使用的树脂发生化学反应。此外，它还具有极低的摩擦系数。金刚石涂层工艺通常采用粒度较大的聚晶结构与1µm厚的纳米金刚石结构交替涂层，而不是采用单一的金刚石涂层。这种交替涂层可以阻止裂纹从涂层表面向基体内扩展，而这种裂纹扩展正是涂层失效的首要原因。晶粒较大的聚晶涂层中的裂纹趋于向垂直于表面的方向生长，而纳米晶体涂层中的裂纹趋于沿45°方向延伸。交替涂层通过不断改变裂纹从一层到另一层的扩展角，从而抑制裂纹扩展。顶层的纳米金刚石涂层(晶粒直径仅为0.01µm)可以提供光滑的表面。nextpage
Bollier介绍了应用于圆形刀具和刀片的涂层，其基体局限于含钻量6%的硬质合金基体。DiaTigerCVD涂层刀具在发生磨损后一般不能重磨，尽管Bollier也指出了钻头被重磨钻尖的实例。Bollier指出，“随着航空制造业朝着复合材料工业化大规模加工的方向发展，金刚石涂层的应用正被越来越多地接受。我们目前关注的重点是缩短涂层蝴冗积时间。现在沉积厚度为12µm的涂层通常需耗时20～60小时，缩短沉积时间将使金刚石涂层更具吸引力。”
欧士机公司(OSGTapandDie)也为复合材料的加工定制设计刀具。该公司制造用于加工复合材料的钻头、立铣刀、铣刀刀头和铰刀等。该公司高级加工工程师TodPetrik介绍说，每一种复合材料的加工可能都不相同，因此必须调整刀具设计以获得最佳性能。目前，OSG可提供未涂层硬质合金刀具、PCD焊接刀具和金刚石涂层刀具。“为用户定制刀具使我们能自由地为获得最佳性能而调整刀具设计。举例来说，当用户的生产需求发生变化时，为了持续提高用户的生产率，我们在短短几个月内将钻头设计修改了三次。而对于标准化的产品，要在两个月内修改三次设计是很困难的。”通过控制钻尖设计、螺旋角、径向前角和钻头横刃厚度，可以实现特定的加工约束，“例如，为了控制工件下表面孔的出口处的分层剥离，我们经常需要改变钻头的螺旋角。用于安装紧固件的孔通常需要倒棱，因此用户并不担心孔的入口处的质量。通过与正确的物理设计特征相结合，在那些通常容易发生分层剥离的部位，我们可以保持刀具的推力小于30N。”
Petrik说，“我们更看好CVD金刚石涂层硬质合金刀具，因为借助CVD工艺，可以对各种复杂多变的刀具几何形状进行涂层，与镶PCD刀尖的刀具相比，我们可以有更大的设计自由度。”但他也表示，如果加工需要，他们也会供应PCD刀具。该公司更青睐CVD涂层的原因之一是OSG拥有自己专有的CVD 工艺。利用这种低成本涂层工艺，可以对磨损的刀具进行重新涂层，而不是扔掉，即刀具可以重磨和再使用。
PCD能否用于制造具有复杂几何形状的刀具?MegaDiamond公司产品设计经理ScottHorman指出，将PCD应用于切削刀具的传统方式是对沉积的PCD复合片进行切割并将其焊接到刀具上。这种方式不仅局限了切削刃的几何形状设计，而且由于焊接点靠近温度很高的切削表面，容易导致刀具失效。一个解决方案是：首先加工出硬质合金铣刀和钻头的刀坯，在刀坯上成形加工出复杂几何形状或切出凹槽，然后将金刚石粉末填入这些凹槽中并烧结成PCD。经过开槽和刃磨，就可以用这些混合材料刀坯制造出具有复杂几何尺寸的刀具。与传统的PCD焊接刀具相比，这种整体烧结式PCD刀具的焊接点远离切削表面，因此减少了因焊接点失效而引起的刀具失效。MegaDiamond公司将经过半精加工的刀坯提供给合作企业，然后由他们进行刀具开槽和刃磨，获得刀具的最终几何形状。
从机床的角度来看，切削复合材料具有一定优势。“你可以用比切削金属(尤其是钛合金)以及(在某种程度上)钢或铸铁时快得多的表面速度进行切削。加工复合材料时，我们以最大主轴速度运行，可达数千英尺/每分钟，与加工钛合金时的200～500fpm(61～152m/min)相比，相差悬殊。”MAGCincinnati公司的加工经理MikeSess如是说。他也认为，钻削复合材料时，“钻出”是个问题，“有时我们在复合材料背面加一个垫层，当复合材料被钻通时，可以对材料起到支撑作用”。为了保护刀具免受磨损和高温影响，Sess推荐采用PCD焊接刀具(看来他不是CVD金刚石涂层的爱好者)。
他认为，还有一些需要注意的问题，“我们发现，有时在刀具钎焊接头处，复合材料中的纤维会被剔出;或者，如果在干切削状态下运行，有时热量可能会使得焊接处熔化。”在后一种情况下，使用冷却液会有帮助。不过，有些复合材料可能会与冷却液(特别是油基冷却液)发生反应而造成污染残留，或者需要用户在加工后进行其它操作以清洗工件。
由于过大的切削推力和摩擦会导致材料分层剥离，那么能否利用不同的切削加工概念来解决某些问题呢?考虑一下带螺旋插补运动的偏心式钻削技术。由瑞典Novator公司开发和拥有专利的偏心式钻削装置有一个独立的主轴，它使钻头在绕自身轴线旋转的同时还能围绕其中心轴转动。肯纳公司的Sampath介绍说，该公司开发了一系列具有专有几何形状设计、基体材料和涂层的刀具，为Novator的偏心式钻削装置配套。与麻花钻相比，肯纳刀具的多槽设计可以减小轴向压力。
MAGCincinnati公司的Sess认为，螺旋插补对于复合材料加工是一种很呼的切削策略。“在我们的小型机床上，我们实际上可以通过螺旋插补运动来提高复合材料加工效率。但在我们的大型机床上，我们更愿意直接在机床主轴上安装Novator偏心式钻削装置，我们能恻故到这一点。”
链接1：Novator偏心式钻削技术
Novator公司拥有专利的偏心式钻削技术(OrbitalDrilling)是基于切削刀具在绕其自身轴线旋转的同时，还围绕一个中心轴线转动，而该中心轴线与刀具轴线之间存在偏移。因此，刀具可以既作轴向运动进行钻削或孔加工，同时又作任意横向运动以加工开口或凹腔。
通过调整偏移量，可用一个具有特定直径的刀具去钻削不同直径的孔，这意味着可以大大减少刀具库存。
目前该产品可分为两个系列：①计算机数控(CNC)偏心式钻削装置，可通过编程设定不同的偏积偏心量;②可编程逻辑控制(PLC)偏心式钻削装置，可以手动调整偏柳偏心量。
由CNC控制偏移的偏心式钻削装置可以采用各种方式确定和优化钻削过程，这就使各种形式灵活的可控偏心钻削加工(如用相同直径和设置的直槽钻头钻削一个复杂形状的孔并完成精加工操作)成为可能。
链接2：整体烧结式PCD钻头
整体烧结式PCD钻头于1987年获得专利并应用于印刷电路板行业。从那时以来，此类刀具已在医疗、陶瓷、硬质合金坯料、金属基复合材料、汽车和航空工业中得到广泛应用。
整体烧结式PCD钻头的制造是在硬质合金坯料上磨出窄槽，并在槽中填满金刚石粉末，然后在高温高压下通过PCD烧结工艺进行烧结，其最终产品即为带有条纹状PCD的硬质合金刀坯。这种条纹结构可被磨削成切削刀具所需的任意几何形状，因此，用这种刀坯可磨制出具有PCD切削刃的刀具。
整体烧结式PCD钻头的优势在于可以形成正角切削几何形状，也能制成小尺寸钻头。普通的PCD钻头是将PCD复合片通过银焊焊接到刀体上，这种刀具不具有正角切削几何形状，而且受到焊接接头面积的隅制，钻头尺寸不可能做得太小。
