復(fù)合材料孔加工方面的新進(jìn)展

山特維克可樂滿

在不斷發(fā)展的復(fù)合材料領(lǐng)域，加工面臨著新的挑戰(zhàn)。從根本上而言，這些材料并非難以加工。目前的挑戰(zhàn)在于更為高效、安全地加工出更高質(zhì)量要求的孔——尤其是加工帶有金屬疊板材料的復(fù)合材料。這就要求我們開發(fā)出更為優(yōu)異的刀具解決方案來應(yīng)對不斷提升的需求。

同時(shí)，由于在復(fù)合材料不同工藝裝備的加工領(lǐng)域，孔加工居于主導(dǎo)地位，因而鉆頭正在經(jīng)歷一次切削刀具技術(shù)的全面變革。

需要刀具具有專用性

碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP）為主體的復(fù)合材料的應(yīng)用越發(fā)普遍，涵蓋了航空航天業(yè)以及其他行業(yè)，尤其是汽車業(yè)和國防工業(yè)。這些復(fù)材部件上存在著大量緊固件的孔需要加工(見圖1），其中產(chǎn)品的品質(zhì)由于關(guān)乎產(chǎn)品的安全性正成為事關(guān)競爭力的關(guān)鍵問題?；趶?fù)材本身特性的制造缺陷，鉆削CFRP復(fù)合材料會涉及分層和劈裂等問題。此外，當(dāng)不得不使用相同的刀具在各種航空結(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)，就需要專用于具體應(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)對完全不同的工況、迥然不同的材料可加工性能、切屑形成以及排屑。

在進(jìn)行鉆削CFRP復(fù)材或疊板材料的工藝規(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)商對試切參數(shù)、應(yīng)用的推薦以及高品質(zhì)的技術(shù)支持會助您一臂之力。

圖1

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，但由于其材料的加工特性的特殊性，凸顯關(guān)鍵技術(shù)的品質(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，導(dǎo)熱性差，并且沒有切屑形成，這樣一來，切削復(fù)合材料期間所產(chǎn)生的熱就很成問題，因?yàn)樵诟邷叵?，?fù)合材料的樹脂存在很大風(fēng)險(xiǎn)。因此，與金屬相比，這些材料在切削工藝中更能表現(xiàn)出難加工性。屬性變化很大、不可預(yù)測，另一方面CFRP復(fù)材作為零件材料的比重與日劇增，這些方面都需要不斷改善，才能保切削工藝富有競爭力。

在切削這些材料和零件的工藝中，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，孔加工仍對效率、成本和制程的安全性起著決定性的作用。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性時(shí)，孔加工是其重點(diǎn)關(guān)注的對象。

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項(xiàng)挑戰(zhàn)。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)用專用的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。無任何切屑和傳統(tǒng)的表面光潔度通常不是衡量孔質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)?？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到的缺陷，對刀具是否發(fā)揮相應(yīng)的切削效應(yīng)是一大挑戰(zhàn)。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。

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)配以及層間破裂的可能。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)，刀具必須具有合適的穿透能力。

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，并且可加工性的難度要超過金屬。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是重要因素。

機(jī)床設(shè)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(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，您需要在刀具選擇上做相應(yīng)的補(bǔ)償。

所加工孔的數(shù)量往往被看作計(jì)算刀具成本因素。在大批量、單一品種CFRP材料制孔時(shí)，需要選擇經(jīng)過優(yōu)化且一般更為昂貴的刀具才能更有效率。 另一方面，如果孔數(shù)量較小，再加上需要能夠處理各種類型的CFRP、零件和裝夾和應(yīng)用，則意味著應(yīng)選擇通用型刀具。

新解決方案垂手可得

目前，主要的刀具解決方案基于金剛石涂層硬質(zhì)合金鉆和燒結(jié)金剛石鉆頭概念(分標(biāo)準(zhǔn)、半標(biāo)準(zhǔn)和定制）。

聚晶金剛石(PCD）是最硬的刀具材料，耐磨性最好。同時(shí)，它也是非常適合于加工CFRP以及疊板材料的刀具材料。在質(zhì)量水平和一致性更趨嚴(yán)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(具有PCD切削刃）的鉆頭可作為復(fù)合材料孔加工的理想刀具。

產(chǎn)品品質(zhì)、加工過程的安全性和可達(dá)到的生產(chǎn)效率是選擇刀具的主導(dǎo)因素。山特維克可樂滿與Precorp共同開發(fā)的PCD涂層和燒結(jié)PCD鉆頭專注于不同材質(zhì)的加工和所有工況的應(yīng)用。這一系列產(chǎn)品包括各種標(biāo)準(zhǔn)品、定制品和非標(biāo)產(chǎn)品。圖2是專為優(yōu)化不同應(yīng)用而開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)PCD涂層鉆頭。

圖2

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。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。作為刀具材料，硬質(zhì)合金和PCD各有不同的優(yōu)點(diǎn)和缺點(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。如果把這兩種刀具材料組合到一把刀具中一定可獲得最佳的效果。

針對不同的材料和切削工況，可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，可選用兩種標(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的極強(qiáng)能力。鉆頭周邊處有用以切斷纖維的尖刺，這樣即可有效地避免劈裂和封層缺陷的發(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)地進(jìn)入和退出工件，由此降低了分層風(fēng)險(xiǎn)?？赏ㄟ^定制選項(xiàng)選擇您所需的標(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于高纖維基復(fù)合材料，這為客戶在大量不同應(yīng)用中找到最佳的通用解決方案提供了便利。

為了獲得更長的刀具壽命、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的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，其好處包括高通用性、低成本以及可重磨。

硬質(zhì)合金與PCD的完美結(jié)合

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二十年間所開發(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，我們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)過加強(qiáng)的刃口處理。

燒結(jié)PCD鉆頭也可針對疊有金屬疊板的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。這樣使鉆頭更能保持鋒利性，并確保更長的刀具壽命。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，可保證最小化劈裂、分層和毛刺等缺陷風(fēng)險(xiǎn)。

鉆削CFRP和疊層材料時(shí)，孔質(zhì)量極為重要。使用定進(jìn)給鉆或手持刀具進(jìn)行鉆削時(shí)，高韌性鉆柄和極耐磨的切削刃相結(jié)合可提供所需的孔質(zhì)量和安全性。燒結(jié)PCD和PCD涂層鉆頭的鉆尖結(jié)構(gòu)(見圖3）專為加工CFRP復(fù)材或復(fù)材金屬疊板材料而優(yōu)化設(shè)計(jì)制造。

圖3

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，是您成功的前提。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、減小廢品，以及對縮短生產(chǎn)時(shí)間與日俱增的需求均要求更高的鉆頭技術(shù)——基于從累積投入和廣泛全球研發(fā)資源所獲得的豐富經(jīng)驗(yàn)。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和疊層材料提供一流的品牌聯(lián)合刀具。創(chuàng)新性的標(biāo)準(zhǔn)與定制PCD和硬質(zhì)合金鉆頭，能夠積極應(yīng)對航空航天業(yè)與其他行業(yè)中廣泛應(yīng)用這些材料時(shí)所面臨的挑戰(zhàn)?！?/p>