碳纖維,芳綸纖維,蜂窩芯零件數(shù)控加工刀具的選用

復(fù)合材料被廣泛地應(yīng)用到許多領(lǐng)域，如航空、航天、能源、建筑、船舶等，在飛機(jī)制造業(yè)的應(yīng)用中尤為突出，復(fù)合材料應(yīng)用的多少已經(jīng)成為飛機(jī)先進(jìn)程度的重要標(biāo)志。由于復(fù)合材料性能（重量輕，耐高溫，破損安全性高，機(jī)械強(qiáng)度、邊緣強(qiáng)度好，耐化學(xué)腐蝕等）的不斷提高，飛機(jī)上大型的翼盒壁板、蒙皮、固定前后緣、中央翼、內(nèi)外襟翼、各種各樣形狀的長(zhǎng)桁、梁、肋等零件均可被設(shè)計(jì)為復(fù)合材料零件。這些零件多采用碳纖維、芳綸纖維、蜂窩芯等材料，經(jīng)成型完工后，邊緣都帶25~50mm的余量，好多零件上都需加工出不同數(shù)量的裝配孔、定位孔或開(kāi)口，這些邊緣余量、各種孔、開(kāi)口，都需要用精準(zhǔn)的數(shù)控加工設(shè)備完成。

加工機(jī)床選用

根據(jù)碳纖維、芳綸纖維、蜂窩芯材料的性能特點(diǎn)，切割、鉆孔必須選擇主軸轉(zhuǎn)速在8000r/min以上的數(shù)控機(jī)床，大部分為風(fēng)冷冷卻（碳纖維零件可采用水冷）。對(duì)于平板類(lèi)零件，一般選用真空平臺(tái)吸附加工。曲面類(lèi)零件，一般采用帶真空吸附的銑切工裝。

下面介紹一種配備柔性?shī)A具的機(jī)床，此機(jī)床主要優(yōu)點(diǎn)是便于對(duì)各種形狀的大型復(fù)合材料零部件（玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、Nomex蜂窩芯、鋁蜂窩芯等）的大批量邊緣銑切、制孔、開(kāi)口等，生產(chǎn)效率高，經(jīng)濟(jì)效益顯著。真空吸盤(pán)式柔性?shī)A具系統(tǒng)是一種根據(jù)數(shù)控鉆銑床發(fā)展起來(lái)的配套裝夾系統(tǒng)，該系統(tǒng)的主要功能是可在三維空間將彎曲的工件按照預(yù)先設(shè)計(jì)的程序固定好，工件由在TORESMILL龍門(mén)設(shè)備的工作區(qū)域內(nèi)的真空吸盤(pán)固定。TORESTOOL通用支撐夾具可在2min內(nèi)自動(dòng)重新配置，從針對(duì)一種工件的配置轉(zhuǎn)換成適應(yīng)另外一種形狀工件的配置。特別適用于壁板零件的外形和孔的加工。因?yàn)楸苊饬舜罅裤娗袏A具的制造和存放，可顯著降低成本并節(jié)約生產(chǎn)面積，從而被國(guó)外航空企業(yè)廣泛使用。國(guó)內(nèi)哈飛、西飛、成飛等廠也已引進(jìn)。如圖1所示。

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圖1 柔性?shī)A具機(jī)床加工實(shí)例

加工刀具的選用

眾所周知，金屬零件加工時(shí)傳熱快，易成屑，并且可以使用冷卻液來(lái)降低刀具及加工部位的熱量，大量的切屑帶走熱量；而復(fù)合材料尤其是層壓零件加工時(shí)難成屑、導(dǎo)熱慢、加工部位熱量高，刀具易磨損，這對(duì)加工復(fù)合材料的刀具、工藝方法要求很高，完全不同于普通機(jī)械加工，其最大的難點(diǎn)是加工時(shí)材料容易分層、起毛、拉絲，通常加工后產(chǎn)品表面粗糙度很差。而且，復(fù)合材料零件價(jià)格昂貴，數(shù)控加工是它的最后工序，一旦出現(xiàn)問(wèn)題將前功盡棄，且損失慘重。因此，選擇合適的機(jī)床、加工方法、加工參數(shù)對(duì)復(fù)合材料零件的加工質(zhì)量尤為重要。由于復(fù)合材料硬度大，對(duì)刀具磨損嚴(yán)重，其加工刀具一定要特別鋒利、耐磨，保證加工中少換刀。

1 碳纖維加工

碳纖維零件分為2種，一種材料為碳布，另一種為碳帶，碳帶比碳布在加工中更易分層。 內(nèi)容來(lái)自123456

（1）鉆孔

在金屬零件的鉆孔工藝過(guò)程中，材料在厚度方向?yàn)橐粋€(gè)均勻的整體，不容易分層或起毛；而碳纖維零件屬多層結(jié)構(gòu)，在材料的厚度和水平方向力學(xué)性能相差甚遠(yuǎn)，所以鉆孔時(shí)，出刀部位容易產(chǎn)生分層和起毛現(xiàn)象，這時(shí)對(duì)刀具提出更高的要求，從結(jié)構(gòu)上來(lái)講，鉆頭采用三尖兩刃或兩尖兩刃形式（如圖2所示），鋒利的三尖可先將碳纖維層劃斷，兩刃對(duì)孔壁起到修補(bǔ)的作用，所以使用這種刀具效果特別好。還有英國(guó)Technicut公司生產(chǎn)的鑲金剛石鉆頭，以其鋒利和耐磨取勝，鉆出的孔也不錯(cuò)。


圖2 兩尖兩刃整體硬質(zhì)合金鉆頭

圖3（a）為利用一般的整體硬質(zhì)合金鉆頭鉆孔，圖3（b）為利用德國(guó)DIXI的一種三尖兩刃整體硬質(zhì)合金鉆頭鉆孔。

內(nèi)容來(lái)自123456

圖3 鉆孔后孔邊分層情況

（2）邊緣、開(kāi)口切割

小型、薄壁碳纖維零件邊緣的切割一般采用整體硬質(zhì)合金滾花銑刀，大型、壁厚（5mm以上）的碳纖維零件邊緣的切割采用鑲金剛石銑刀或帶各種涂層的整體硬質(zhì)合金滾花銑刀。

邊緣、開(kāi)口切割主要是解決起毛和分層的問(wèn)題，使用刀具的刃部，滾花結(jié)構(gòu)形式的銑刀，由于有好多鋒利的小切削刃，有效限制了每一層在厚度方向的運(yùn)動(dòng)和撕裂，有效防止起毛和分層。鑲金剛石銑刀以其鋒利的刀刃，在使用高轉(zhuǎn)速的情況下，迅速切除材料，保證碳絲不被拉出而分層起毛。

如圖4所示美國(guó)ONSRUD整體硬質(zhì)合金滾花銑刀具備了上述特點(diǎn)。


圖4 ONSRUD 452501整體硬質(zhì)合金滾花銑刀

2 芳綸纖維加工

芳輪纖維目前是復(fù)合材料中機(jī)械加工最難的材料，特別容易分層、起毛。選用的刀具不合適，會(huì)使切割后的邊緣分層、起毛、燒焦等。如圖5、6、7所示。


利用美國(guó)生產(chǎn)的一種ONSRUD 450521整體硬質(zhì)合金滾花銑刀的鋒利的多個(gè)小切削刃，在選擇適當(dāng)?shù)募庸?shù)后，利用高速數(shù)控機(jī)床基本能加工出合格的邊緣。

3 蜂窩芯零件加工

由于蜂窩結(jié)構(gòu)的特殊性，使其切削性差，在加工中易出現(xiàn)撕裂、壓塌、芯格變形、毛刺、外形缺損等缺陷，在加工中刀具易磨損，因此，刀具的結(jié)構(gòu)、切削性能非常重要。

目前，國(guó)外加工鋁蜂窩芯和Nomex紙蜂窩芯零件推出了幾種常用的刀具。



如HSS Hollow CoreCutters刀具，該款刀具被設(shè)計(jì)為垂直切斷蜂窩芯的晶格，產(chǎn)生一個(gè)蜂窩芯未被壓倒的、整齊的邊緣。蜂窩邊緣經(jīng)過(guò)整齊的切割后，再使用一般切割蜂窩的無(wú)齒銑刀，將蜂窩自根部割斷，徹底分離，此刀專(zhuān)用于在蜂窩上加工出深槽，并能高效率地去除大余量及切割出整齊的蜂窩芯邊緣。如圖8所示。還有加工飛機(jī)壁板的槽銑刀，這種組合式刀具是用于飛機(jī)內(nèi)飾面板蜂窩夾層的開(kāi)槽，以便于灌注混合體，加固板的邊緣。刀具帶PCD 切割刃，可嵌以金剛石或高速鋼材料，以螺絲固定。如圖9所示。 123456



結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上所述刀具材料的選擇以及加工中應(yīng)注意的事項(xiàng)，可以很好地完成這些復(fù)合材料零件的數(shù)控加工。但復(fù)合材料的范圍很廣泛，各種材料由于其結(jié)構(gòu)和性能不同，其加工所使用的刀具及其結(jié)構(gòu)、所使用的參數(shù)各不相同，在好多方面我們還應(yīng)努力研究與摸索，制造出更好的復(fù)合材料零件。

來(lái)源：刀具信息網(wǎng)