碳纖維復(fù)合材料孔加工技術(shù)的突破

以碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）為主體的復(fù)合材料的應(yīng)用愈發(fā)普遍，涵蓋了航空航天業(yè)以及其他行業(yè)，尤其是汽車工業(yè)和國(guó)防工業(yè)。與鋁合金相比，不難看出復(fù)合材料倍受青睞的原因所在：碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）的抗拉強(qiáng)度通常較鋁合金高14 倍以上，而其熱膨脹系數(shù)還不到鋁材的1/19 ；此外其剛度可高出5 倍以上，而重量?jī)H為鋁合金的1/2。空中客車A380 飛機(jī)采用了25% 的高級(jí)復(fù)合材料，而新的波音787 夢(mèng)之翼客機(jī)使用復(fù)合材料的比重高達(dá)50%。甚至是現(xiàn)代軍用飛機(jī)（比如美國(guó)的F-22）也采用復(fù)合材料，其結(jié)構(gòu)至少1/3 采用復(fù)合材料制造；預(yù)計(jì)將來會(huì)上升到2/3。
復(fù)合材料機(jī)翼, 包括翼梁、桁條和蒙皮等這樣的結(jié)構(gòu)件，通常由各種不同成分的碳纖維復(fù)合材料構(gòu)成。其他要求苛刻的結(jié)構(gòu)（例如中央翼盒），由幾種復(fù)合材料構(gòu)成，通常還覆以鋁合金和鈦合金疊層。這些復(fù)材部件上存在著大量緊固件的孔需要加工，由于緊固件孔的制造品質(zhì)直接關(guān)乎產(chǎn)品的安全性，因而相關(guān)孔加工刀具的發(fā)展正日益成為復(fù)合材料加工行業(yè)的關(guān)注要素。基于復(fù)材本身特性的制造缺陷，鉆削CFRP 復(fù)合材料會(huì)涉及分層和劈裂等問題。此外，如果用同一支刀具在各種航空結(jié)構(gòu)件中的復(fù)材和金屬疊板（如鋁合金或鈦合金）上制孔時(shí)，就需要選擇專注于具體應(yīng)用的解決方案，這一點(diǎn)非常重要。如此一來，刀具也就必須應(yīng)對(duì)完全不同的工況、迥然不同的材料加工性能、切屑成形以及排屑。

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CFRP 和CFRP/ 金屬疊板零件上需要加工的部位通常少于傳統(tǒng)金屬零件，但由于其材料加工性能的特殊性，對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)要求更為苛刻。CFRP 復(fù)材的加工涉及到纖維的割斷，這時(shí)為了獲得凈切削，在刀具和加工方法上就需要有所改變。復(fù)合材料導(dǎo)熱性差并且沒有成形的切屑，這樣一來，加工過程中所產(chǎn)生的切削熱的移除就很成問題，因?yàn)樵诟邷叵?，?fù)合材料的樹脂基體會(huì)被破壞。因此，與金屬相比，這些材料在切削過程中表現(xiàn)出極大的難加工性，屬性變化很大、不可預(yù)測(cè)。CFRP 復(fù)材作為零件材料的比重與日劇增，這些方面都要求刀具行業(yè)提供不斷改善的刀具方案來滿足日益增長(zhǎng)的工藝需求。
在切削這些材料和零件的工藝過程中，孔加工的工序占據(jù)主導(dǎo)地位。 在航空航天業(yè)中，大部分加工集中于基于復(fù)合材料的框架和零件上緊固件孔的制備。即使用更大的結(jié)構(gòu)件來減少裝配量，孔加工仍對(duì)效率、成本和制程的安全性起著決定性的作用。這也就是說，在考慮提高刀具性能、工件質(zhì)量的一致性和制程安全時(shí)，孔加工是其重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象。 123,123

工藝規(guī)劃

令人滿意地鉆削CFRP 與相關(guān)疊板材料零件孔是一個(gè)難題。為確保穩(wěn)定的工藝過程，工藝規(guī)劃包括如下內(nèi)容：應(yīng)用的描述，待加工的孔數(shù)、孔大小、深度和質(zhì)量要求，制造設(shè)備或機(jī)床類型、裝夾穩(wěn)定性，CFRP復(fù)材和金屬疊板屬性，搜集整理類似材料的加工經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及利用從富有經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)刀具供應(yīng)商處所獲得的支持。
切削CFRP 和疊板零件時(shí)，正確地應(yīng)用專用切削刀具是獲得理想孔和減少粉塵污染的關(guān)鍵所在。金屬材料的制孔質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)不完全適用于復(fù)合材料制孔。無切屑?xì)埩艉蛡鹘y(tǒng)的表面粗糙度通常不是衡量復(fù)材孔質(zhì)量的標(biāo)桿?？踪|(zhì)量一般是基于復(fù)合材料底層分離的程度（分層）和孔中任何殘余的纖維剝離（破裂）。這些有的不能直接檢測(cè)到的缺陷，對(duì)刀具是否發(fā)揮相應(yīng)的切削效應(yīng)是一大考驗(yàn)。有些孔質(zhì)量的下降甚至發(fā)生在刀具的磨損征兆發(fā)生之前。

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切削過程中由于CFRP 纖維的硬度，刀具磨損很快。當(dāng)粘合在較軟而且粘性大的樹脂中時(shí)，就可能出現(xiàn)纖維剝離、彈性錯(cuò)配以及層間破裂的趨勢(shì)。這樣很容易損壞孔入口、出口和孔壁，使其不符合質(zhì)量要求。另外，當(dāng)加工疊有鈦或鋁一類的金屬時(shí)，刀具必須具有足夠的穿透能力。
將新型CFRP 材料引入到生產(chǎn)中需要新的方法，并且在建立工件材料屬性時(shí)，基于刀具供應(yīng)商推薦的應(yīng)用最佳的刀具和切削參數(shù)的測(cè)試一直是主要的參考依據(jù)。它們并非均質(zhì)材料，并且可加工性能比金屬要差。CFRP 需要根據(jù)表面、結(jié)構(gòu)、纖維、樹脂和厚度（孔深）進(jìn)行區(qū)分。具有
疊層時(shí)，金屬疊板的種類以及厚度也是需要計(jì)入工件加工性能分析的重要因素。
機(jī)床設(shè)備與裝夾的能力和穩(wěn)定性會(huì)影響到切削刀具的選擇。通常分自動(dòng)型、動(dòng)力型或手持型，體現(xiàn)到具體的設(shè)備類別則表現(xiàn)為CNC 機(jī)床、機(jī)器人、輕便型自動(dòng)進(jìn)給設(shè)備或手動(dòng)風(fēng)鉆。此外，由于工序要求和操作員的工作經(jīng)驗(yàn)有所不同，需要在刀具選擇上做相應(yīng)的補(bǔ)償。 copyright 123456
所加工孔的數(shù)量往往被看作計(jì)算刀具成本的因素。在大批量、單一品種CFRP 材料制孔時(shí)，需要選擇經(jīng)過優(yōu)化的專用刀具才能更有效率。另一方面，如果孔數(shù)量較少，再加上CFRP 增強(qiáng)復(fù)材的種類、零件外形、加工特征以及工件的裝卡有很大變化，則意味著應(yīng)選擇通用型刀具。

新解決方案

目前，主要的CFRP 和疊板材料刀具解決方案是基于金剛石涂層硬質(zhì)合金鉆頭和燒結(jié)金剛石鉆頭概念（分標(biāo)準(zhǔn)、半標(biāo)準(zhǔn)和定制產(chǎn)品）。

1 復(fù)材加工的最佳刀具材質(zhì)
聚晶金剛石（PCD）是最硬的刀具材料，耐磨性最好。同時(shí)，它也是用于加工CFRP 以及疊板材料的最佳刀具材料。在質(zhì)量水平和一致性要求更趨嚴(yán)格并且對(duì)生產(chǎn)效率要求更高的現(xiàn)狀下，采用硬質(zhì)合金作為鉆體材料（帶有PCD 切削刃）的鉆頭可作為復(fù)合材料孔加工的理想刀具。硬質(zhì)合金刀具可通過其鉆尖設(shè)計(jì)和鉆柄進(jìn)行增強(qiáng)，同時(shí)在保證刀具后角和排屑能力最大化的前提下，確保最佳的切削效應(yīng)。使用手持刀具加工、操作員施加的推力不均勻或者鉆頭和導(dǎo)向套間隙容易變化時(shí)，硬質(zhì)合金的鉆頭尤其適合此類不穩(wěn)定的工況。同樣這些鉆頭也可以應(yīng)用于定進(jìn)給設(shè)備以及在機(jī)床上需要一次走刀加工疊層材料的時(shí)侯。作為切削刀具材料，硬質(zhì)合金和PCD 各有不同的優(yōu)缺點(diǎn)。硬質(zhì)合金非常堅(jiān)固，但加工研磨材料時(shí)磨損很快；PCD 非常耐磨但易碎。如果把這2 種刀具材料組合到一起，一定可獲得最佳的效果。

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2 鉆尖結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)材加工缺陷的影響
針對(duì)不同的材料和切削工況，需要提供不同鉆尖形式和材質(zhì)的具有PCD 涂層的標(biāo)準(zhǔn)、半標(biāo)準(zhǔn)和定制品鉆頭。精心開發(fā)的鉆尖，可以作為CFRP 高纖維基或高樹脂基的復(fù)合材料的首選，同時(shí)也可以加工復(fù)材金屬疊板材料。
應(yīng)根據(jù)現(xiàn)有CFRP 的特性作出選擇，其中有不同的鉆尖形式和PCD材質(zhì)可供選擇。在機(jī)床和定進(jìn)給設(shè)備的應(yīng)用中，可選用2 種標(biāo)準(zhǔn)鉆頭優(yōu)化工序。一種鉆頭最適合于高纖維含量材料，具有降低孔中纖維破裂趨勢(shì)的極強(qiáng)能力。鉆頭周邊處有用以切斷纖維的尖刺，這樣既可有效地避免劈裂和分層缺陷的發(fā)生；同時(shí)，它也適合于CFRP 和鋁疊層材料。另一種標(biāo)準(zhǔn)鉆頭擅長(zhǎng)于鉆削高樹脂基的CFRP 復(fù)材，其雙頂角鉆尖結(jié)構(gòu)使鉆頭能夠平穩(wěn)地切入和切出工件，由此降低了分層風(fēng)險(xiǎn)。 本文來自123
用戶可以通過定制選項(xiàng)選擇所需的標(biāo)準(zhǔn)品系列之外的產(chǎn)品。要獲得加工CFRP 與鋁疊層材料時(shí)的通用型鉆頭，可采用半標(biāo)準(zhǔn)化方式。此類方式所獲得的通用性主要針對(duì)于高纖維基復(fù)合材料，這為在大量不同應(yīng)用中找到最佳的通用解決方案提供了便利。
在為鉆削CFRP 復(fù)材或疊板材料進(jìn)行工藝規(guī)劃時(shí)，需要考慮許多因素。在大量不同的部件材料中理想地鉆削孔絕非易事，這時(shí)刀具供應(yīng)商對(duì)試切參數(shù)、應(yīng)用的推薦以及高品質(zhì)的技術(shù)支持會(huì)助用戶一臂之力。
為了獲得更長(zhǎng)的刀具壽命、更精確的孔公差和縮短加工時(shí)間，不同鉆尖形式的新一代PCD 涂層刀具提升了此類產(chǎn)品的強(qiáng)度和精度。類金剛石涂層是硬質(zhì)合金鉆頭上的備選，其優(yōu)點(diǎn)包括高通用性、低成本以及可重磨性。



3 化繁為簡(jiǎn)——山特維克可樂滿的通用解決方案CoroDrill 854 和CoroDrill856 內(nèi)容來自123456
切削刀具和刀具系統(tǒng)的專家山特維克可樂滿采用CoroDrill 854 和CoroDrill 856 金剛石涂層的整體硬質(zhì)合金鉆頭，實(shí)現(xiàn)了在復(fù)合材料加工過程中可靠、高效和高品質(zhì)的孔加工。CoroDrill 854 鉆頭的槽形設(shè)計(jì)是為了提高高纖維含量材料孔出入端的質(zhì)量，是一款高效率的切削刀具。 例如，使用CoroDrill 854 鉆頭在CFRP/ 鋁疊層復(fù)合材料上加工 1/4英寸 (6.35 mm) 的孔通常使用以下切削參數(shù)： 切削速度為45 m/min ；鉆深為70 mm ；進(jìn)給率為0.03 mm/r ；進(jìn)給為51 mm/min。 為了獲得最佳加工效果，山特維克可樂滿建議采用干切削或MQL（微量潤(rùn)滑）切削條件。
為確保最佳鉆孔質(zhì)量、加工過程安全性和單孔的制造成本，選擇正確的鉆頭是重中之重。考慮到這一點(diǎn)，在容易發(fā)生纖維碎裂或起毛的情況下，最好選用帶“Spurred”槽形的CoroDrill 854 鉆頭；如果發(fā)現(xiàn)高樹脂含量的材料很難控制分層缺陷的話，則建議使用CoroDrill 856 鉆頭，這主要是因其雙頂角設(shè)計(jì)可使鉆頭平穩(wěn)地鉆入，切出工件材料。

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鉆削復(fù)合材料時(shí)，鉆削軸向力是產(chǎn)生分層以及劈裂缺陷的主要原因。因此，CoroDrill 854 和CoroDrill 856的獨(dú)特槽形可以降低鉆削軸向力，并實(shí)現(xiàn)碳纖維的正確切削，以滿足嚴(yán)格的孔質(zhì)量要求。在航空領(lǐng)域，對(duì)加工的孔質(zhì)量的要求通常包括表面粗糙度R a<4.8μm，孔徑周邊小于1mm 的分層，無纖維碎裂現(xiàn)象。在高樹脂含量復(fù)合材料上加工孔時(shí)，CoroDrill 856 鉆頭的小頂角和
大前角有助于改進(jìn)孔質(zhì)量以及降低軸向力，對(duì)薄壁件來說，這一點(diǎn)尤其重要。 這2 款CoroDrill 鉆頭產(chǎn)品均有助于消除鉆孔毛刺，并提高表面質(zhì)量。
大量的切削試驗(yàn)表明，新型CoroDrill 產(chǎn)品在提高生產(chǎn)效率和延長(zhǎng)刀具壽命方面性能突出。例如，使用CoroDrill 854 在CFRP 環(huán)氧樹脂覆以鋁合金疊層（12mm+12mm）上加工直徑1/2 英寸(12.7mm) 的孔時(shí)，加工結(jié)果令人非常滿意。在切削速度為118m/min，進(jìn)給率為0.05mm/r 的切削參數(shù)下，CoroDrill 854 可加工厚度為24mm 的疊層材料650 個(gè)孔——相當(dāng)于鉆削了 15.6m。所有孔的表面粗糙度都在R a<1.6μm（鋁合金）和R a<3.2μm（CFRP）之內(nèi)，同時(shí)滿足IT8 公差等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求。進(jìn)入CFRP 時(shí)的分層是微乎其微的，而從鋁合金退出時(shí)的毛刺高度也正好在0.2mm 的最大允許范圍內(nèi)。 copyright 123456
在另一項(xiàng)試驗(yàn)中，CoroDrill 856無論在效率還是孔質(zhì)量方面都優(yōu)于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的鉆頭。在CFRP 增強(qiáng)（雙馬來酰亞胺）高溫樹脂材料上鉆削1/4 英寸（6.35mm）孔時(shí)，目標(biāo)是要擊敗競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手設(shè)定的300mm/min的制孔速度，同時(shí)保持H11 的孔公差。通過將切削速度從100m/min 提高到150m/min 并略微將進(jìn)給率從0.06mm/r 放慢到0.05mm/r，CoroDrill856 不僅實(shí)現(xiàn)了373mm/min 的制孔速度，而且將孔入/ 出端的孔口質(zhì)量提高了25%。
目前可為客戶提供直徑 4~12.7mm（長(zhǎng)達(dá)5 倍徑） 的選擇，CoroDrill 854 和CoroDrill 856 鉆頭為標(biāo)準(zhǔn)涂層N20C，這種金剛石涂層延長(zhǎng)了刀具壽命，尤其適合切削如復(fù)合材料一類的研磨材料，摩擦系數(shù)很低?？筛鶕?jù)特定的直徑、長(zhǎng)度、槽形和材質(zhì)（包括硬質(zhì)合金和聚晶金剛石）提供定制服務(wù)，同時(shí)也提供庫存產(chǎn)品。



4 硬質(zhì)合金與PCD 的完美結(jié)合（燒結(jié)金剛石鉆頭）
用于CFRP 和疊層材料的最新鉆頭類型基于燒結(jié)技術(shù)，即在硬質(zhì)合金鉆體中集成了PCD 切削刃。這種先進(jìn)的工藝方法得益于過去20 年間所開發(fā)的已獲得專利的技術(shù)，在高韌性的硬質(zhì)合金鉆體中結(jié)合了堅(jiān)固且耐磨的PCD 切削刃。這樣一來，就使PCD 切削刃融合為鉆頭的一部分，由于距鉆尖足夠遠(yuǎn)，因此就能夠應(yīng)用高強(qiáng)度的釬焊與鉆頭本體連接。鉆尖的刃形角度全部經(jīng)過磨削，切削刃由合金刀體漸變探出，起到了保護(hù)鉆尖的作用。
燒結(jié)技術(shù)使得開發(fā)更多的金剛石鉆尖刃形角度成為可能，采用傳統(tǒng)的焊接PCD 工藝就無法實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。這樣，無論在剛性差還是剛性好的不同工況下，都可以提供不同的優(yōu)化鉆尖設(shè)計(jì)來穩(wěn)定地加工出大量高品質(zhì)的孔。
燒結(jié)PCD 鉆頭通常應(yīng)用在自動(dòng)化加工設(shè)備，旨在優(yōu)化刀具性能以及保證鉆削CFRP 復(fù)材的時(shí)候孔質(zhì)量的一致性。同時(shí)為了應(yīng)用更高的切削速度并保證更小的孔入口和出口缺陷，其獨(dú)特的切削刃要經(jīng)過刃口強(qiáng)化處理。

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燒結(jié)PCD 鉆頭也可針對(duì)疊有金屬疊板的CFRP 復(fù)材而專門設(shè)計(jì)。在高應(yīng)力的集中區(qū)域經(jīng)過精密研磨，使鉆頭更能保持鋒利性，并確保更長(zhǎng)的刀具壽命。同時(shí)也能確保刀具在低鉆削力下切削CFRP 纖維，這樣在復(fù)材層或金屬層的孔出端，可保證劈裂、分層和毛刺等缺陷風(fēng)險(xiǎn)最小化。
應(yīng)用最新的刀具技術(shù)加工CFRP復(fù)合材料以及CFRP 復(fù)材+ 金屬疊板材料，是成功的前提。在更長(zhǎng)的刀具壽命期間確保質(zhì)量水平的一致性、操作員安全性、減少廢品以及對(duì)縮短生產(chǎn)時(shí)間、滿足與日俱增的需求均要求開發(fā)出專注于復(fù)材加工的更好的刀具方案。作為切削解決方案的創(chuàng)新者與合作供應(yīng)商，山特維克可樂滿與Precorp 攜手為CFRP 和疊層材料提供品質(zhì)一流的刀具產(chǎn)品以及技術(shù)服務(wù)。不斷改進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)品與定制PCD 和硬質(zhì)合金鉆頭能夠全面滿足航空航天工業(yè)與其他行業(yè)中廣泛應(yīng)用這些材料加工時(shí)所面臨的問題。 123456

 

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來源：碳纖維制品加工與行業(yè)網(wǎng)

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