碳纖維復合材料孔加工技術的突破

以碳纖維增強塑料（CFRP）為主體的復合材料的應用愈發(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)和國防工業(yè)。與鋁合金相比，不難看出復合材料倍受青睞的原因所在：碳纖維增強塑料（CFRP）的抗拉強度通常較鋁合金高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，而重量僅為鋁合金的1/2。空中客車A380 飛機采用了25% 的高級復合材料，而新的波音787 夢之翼客機使用復合材料的比重高達50%。甚至是現(xiàn)代軍用飛機（比如美國的F-22）也采用復合材料，其結(jié)構(gòu)至少1/3 采用復合材料制造；預計將來會上升到2/3。
復合材料機翼, 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），由幾種復合材料構(gòu)成，通常還覆以鋁合金和鈦合金疊層。這些復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)直接關乎產(chǎn)品的安全性，因而相關孔加工刀具的發(fā)展正日益成為復合材料加工行業(yè)的關注要素?；趶筒谋旧硖匦缘闹圃烊毕?，鉆削CFRP 復合材料會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)件中的復材和金屬疊板（如鋁合金或鈦合金）上制孔時，就需要選擇專注于具體應用的解決方案，這一點非常重要。如此一來，刀具也就必須應對完全不同的工況、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，對產(chǎn)品品質(zhì)要求更為苛刻。CFRP 復材的加工涉及到纖維的割斷，這時為了獲得凈切削，在刀具和加工方法上就需要有所改變。復合材料導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，因為在高溫下，復合材料的樹脂基體會被破壞。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、不可預測。CFRP 復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)主導地位。 在航空航天業(yè)中，大部分加工集中于基于復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，孔加工是其重點關注的對象。 123,123

工藝規(guī)劃

令人滿意地鉆削CFRP 與相關疊板材料零件孔是一個難題。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，制造設備或機床類型、裝夾穩(wěn)定性，CFRP復材和金屬疊板屬性，搜集整理類似材料的加工經(jīng)驗數(shù)據(jù)以及利用從富有經(jīng)驗的專業(yè)刀具供應商處所獲得的支持。
切削CFRP 和疊板零件時，正確地應用專用切削刀具是獲得理想孔和減少粉塵污染的關鍵所在。金屬材料的制孔質(zhì)量標準不完全適用于復合材料制孔。無切屑殘留和傳統(tǒng)的表面粗糙度通常不是衡量復材孔質(zhì)量的標桿。孔質(zhì)量一般是基于復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到的缺陷，對刀具是否發(fā)揮相應的切削效應是一大考驗。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。當粘合在較軟而且粘性大的樹脂中時，就可能出現(xiàn)纖維剝離、彈性錯配以及層間破裂的趨勢。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，當加工疊有鈦或鋁一類的金屬時，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，基于刀具供應商推薦的應用最佳的刀具和切削參數(shù)的測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）進行區(qū)分。具有
疊層時，金屬疊板的種類以及厚度也是需要計入工件加工性能分析的重要因素。
機床設備與裝夾的能力和穩(wěn)定性會影響到切削刀具的選擇。通常分自動型、動力型或手持型，體現(xiàn)到具體的設備類別則表現(xiàn)為CNC 機床、機器人、輕便型自動進給設備或手動風鉆。此外，由于工序要求和操作員的工作經(jīng)驗有所不同，需要在刀具選擇上做相應的補償。 copyright 123456
所加工孔的數(shù)量往往被看作計算刀具成本的因素。在大批量、單一品種CFRP 材料制孔時，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 增強復材的種類、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（分標準、半標準和定制產(chǎn)品）。

1 復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，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格并且對生產(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計和鉆柄進行增強，同時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。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向套間隙容易變化時，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用于定進給設備以及在機床上需要一次走刀加工疊層材料的時侯。作為切削刀具材料，硬質(zhì)合金和PCD 各有不同的優(yōu)缺點。硬質(zhì)合金非常堅固，但加工研磨材料時磨損很快；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)對復材加工缺陷的影響
針對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 涂層的標準、半標準和定制品鉆頭。精心開發(fā)的鉆尖，可以作為CFRP 高纖維基或高樹脂基的復合材料的首選，同時也可以加工復材金屬疊板材料。
應根據(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。在機床和定進給設備的應用中，可選用2 種標準鉆頭優(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的極強能力。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，它也適合于CFRP 和鋁疊層材料。另一種標準鉆頭擅長于鉆削高樹脂基的CFRP 復材，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，由此降低了分層風險。 本文來自123
用戶可以通過定制選項選擇所需的標準品系列之外的產(chǎn)品。要獲得加工CFRP 與鋁疊層材料時的通用型鉆頭，可采用半標準化方式。此類方式所獲得的通用性主要針對于高纖維基復合材料，這為在大量不同應用中找到最佳的通用解決方案提供了便利。
在為鉆削CFRP 復材或疊板材料進行工藝規(guī)劃時，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，這時刀具供應商對試切參數(shù)、應用的推薦以及高品質(zhì)的技術支持會助用戶一臂之力。
為了獲得更長的刀具壽命、更精確的孔公差和縮短加工時間，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)點包括高通用性、低成本以及可重磨性。



3 化繁為簡——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，實現(xiàn)了在復合材料加工過程中可靠、高效和高品質(zhì)的孔加工。CoroDrill 854 鉆頭的槽形設計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 ；進給率為0.03 mm/r ；進給為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?？紤]到這一點，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計可使鉆頭平穩(wěn)地鉆入，切出工件材料。

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鉆削復合材料時，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的獨特槽形可以降低鉆削軸向力，并實現(xiàn)碳纖維的正確切削，以滿足嚴格的孔質(zhì)量要求。在航空領域，對加工的孔質(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。在高樹脂含量復合材料上加工孔時，CoroDrill 856 鉆頭的小頂角和
大前角有助于改進孔質(zhì)量以及降低軸向力，對薄壁件來說，這一點尤其重要。 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。
大量的切削試驗表明，新型CoroDrill 產(chǎn)品在提高生產(chǎn)效率和延長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，加工結(jié)果令人非常滿意。在切削速度為118m/min，進給率為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 個孔——相當于鉆削了 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)，同時滿足IT8 公差等級標準要求。進入CFRP 時的分層是微乎其微的，而從鋁合金退出時的毛刺高度也正好在0.2mm 的最大允許范圍內(nèi)。 copyright 123456
在另一項試驗中，CoroDrill 856無論在效率還是孔質(zhì)量方面都優(yōu)于競爭對手的鉆頭。在CFRP 增強（雙馬來酰亞胺）高溫樹脂材料上鉆削1/4 英寸（6.35mm）孔時，目標是要擊敗競爭對手設定的300mm/min的制孔速度，同時保持H11 的孔公差。通過將切削速度從100m/min 提高到150m/min 并略微將進給率從0.06mm/r 放慢到0.05mm/r，CoroDrill856 不僅實現(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（長達5 倍徑） 的選擇，CoroDrill 854 和CoroDrill 856 鉆頭為標準涂層N20C，這種金剛石涂層延長了刀具壽命，尤其適合切削如復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，同時也提供庫存產(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，即在硬質(zhì)合金鉆體中集成了PCD 切削刃。這種先進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，在高韌性的硬質(zhì)合金鉆體中結(jié)合了堅固且耐磨的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，因此就能夠應用高強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，起到了保護鉆尖的作用。
燒結(jié)技術使得開發(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 工藝就無法實現(xiàn)這一點。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)化鉆尖設計來穩(wěn)定地加工出大量高品質(zhì)的孔。
燒結(jié)PCD 鉆頭通常應用在自動化加工設備，旨在優(yōu)化刀具性能以及保證鉆削CFRP 復材的時候孔質(zhì)量的一致性。同時為了應用更高的切削速度并保證更小的孔入口和出口缺陷，其獨特的切削刃要經(jīng)過刃口強化處理。

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燒結(jié)PCD 鉆頭也可針對疊有金屬疊板的CFRP 復材而專門設計。在高應力的集中區(qū)域經(jīng)過精密研磨，使鉆頭更能保持鋒利性，并確保更長的刀具壽命。同時也能確保刀具在低鉆削力下切削CFRP 纖維，這樣在復材層或金屬層的孔出端，可保證劈裂、分層和毛刺等缺陷風險最小化。
應用最新的刀具技術加工CFRP復合材料以及CFRP 復材+ 金屬疊板材料，是成功的前提。在更長的刀具壽命期間確保質(zhì)量水平的一致性、操作員安全性、減少廢品以及對縮短生產(chǎn)時間、滿足與日俱增的需求均要求開發(fā)出專注于復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)品以及技術服務。不斷改進的標準品與定制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)中廣泛應用這些材料加工時所面臨的問題。 123456

 

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來源：碳纖維制品加工與行業(yè)網(wǎng)

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