復合材料孔加工方面的新進展

山特維克可樂滿

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

同時，由于在復合材料不同工藝裝備的加工領域，孔加工居于主導地位，因而鉆頭正在經歷一次切削刀具技術的全面變革。

需要刀具具有專用性

碳纖維增強塑料(CFRP）為主體的復合材料的應用越發普遍，涵蓋了航空航天業以及其他行業，尤其是汽車業和國防工業。這些復材部件上存在著大量緊固件的孔需要加工(見圖1），其中產品的品質由于關乎產品的安全性正成為事關競爭力的關鍵問題?；趶筒谋旧硖匦缘闹圃烊毕荩@削CFRP復合材料會涉及分層和劈裂等問題。此外，當不得不使用相同的刀具在各種航空結構件中的復材和金屬疊板(如鋁合金或鈦合金）上制孔時，就需要專用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、迥然不同的材料可加工性能、切屑形成以及排屑。

在進行鉆削CFRP復材或疊板材料的工藝規劃時，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、應用的推薦以及高品質的技術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金屬零件，但由于其材料的加工特性的特殊性，凸顯關鍵技術的品質要求更為苛刻。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，導熱性差，并且沒有切屑形成，這樣一來，切削復合材料期間所產生的熱就很成問題，因為在高溫下，復合材料的樹脂存在很大風險。因此，與金屬相比，這些材料在切削工藝中更能表現出難加工性。屬性變化很大、不可預測，另一方面CFRP復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，孔加工的工序占據主導地位。 在航空航天業中，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。即使用更大的結構件來減少裝配量，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、工件質量的一致性和制程安全性時，孔加工是其重點關注的對象。

工藝規劃

令人滿意地鉆削CFRP與相關疊板材料零件孔是一項挑戰。為確保穩定的工藝過程，工藝規劃包括如下內容：應用的描述， 待加工的孔數、孔大小、深度和質量要求、制造設備或機床類型、裝夾穩定性、CFRP復材和金屬疊板屬性、搜集整理類似材料的加工經驗數據以及利用從富有經驗的專業刀具供應商處所獲得的支持。

切削CFRP和疊板零件時，正確地應用專用的切削刀具是獲得理想孔和減少粉塵污染的關鍵所在。金屬材料的制孔質量標準不完全適用于復合材料制孔。無任何切屑和傳統的表面光潔度通常不是衡量孔質量的標準?？踪|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，對刀具是否發揮相應的切削效應是一大挑戰。有些孔質量的下降甚至發生在刀具的磨損征兆發生之前。

切削過程中，由于CFRP纖維的硬度，刀具磨損很快。當粘合在較軟而粘性大的樹脂中時，就可能出現纖維剝離、彈性錯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，刀具必須具有合適的穿透能力。

將新型CFRP材料引入到生產中需要新的方法，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的測試一直是主要的參考依據。它們并非均質材料，并且可加工性的難度要超過金屬。CFRP需要根據表面、結構、纖維、樹脂和厚度(孔深）進行區分。具有疊層時，金屬疊板的種類以及厚度是重要因素。

機床設備與裝夾的能力和穩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，體現到具體的設備類別則表現為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驗有所不同，您需要在刀具選擇上做相應的補償。

所加工孔的數量往往被看作計算刀具成本因素。在大批量、單一品種CFRP材料制孔時，需要選擇經過優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、零件和裝夾和應用，則意味著應選擇通用型刀具。

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合金鉆和燒結金剛石鉆頭概念(分標準、半標準和定制）。

聚晶金剛石(PCD）是最硬的刀具材料，耐磨性最好。同時，它也是非常適合于加工CFRP以及疊板材料的刀具材料。在質量水平和一致性更趨嚴格并且對生產效率要求更高的現狀下，采用硬質合金作為鉆體材料(具有PCD切削刃）的鉆頭可作為復合材料孔加工的理想刀具。

產品品質、加工過程的安全性和可達到的生產效率是選擇刀具的主導因素。山特維克可樂滿與Precorp共同開發的PCD涂層和燒結PCD鉆頭專注于不同材質的加工和所有工況的應用。這一系列產品包括各種標準品、定制品和非標產品。圖2是專為優化不同應用而開發的標準PCD涂層鉆頭。

圖2

硬質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，硬質合金的鉆頭尤其適合此類不穩定的工況。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。作為刀具材料，硬質合金和PCD各有不同的優點和缺點，硬質合金非常堅固，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的具有PCD涂層的標準、半標準和定制品鉆頭。精心開發的鉆尖，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。

應根據現有CFRP的特性作出選擇，其中有不同的鉆尖形式和PCD材質可供選擇。在機床和定進給設備的應用中，可選用兩種標準鉆頭優化工序。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，這樣即可有效地避免劈裂和封層缺陷的發生；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。其雙頂角鉆尖結構使鉆頭能夠平穩地進入和退出工件，由此降低了分層風險?？赏ㄟ^定制選項選擇您所需的標準品系列之外的產品。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，這為客戶在大量不同應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間，不同鉆尖形式的新一代的PCD涂層刀具提升了此類產品的強度和精度。類金剛石涂層是硬質合金鉆頭上的備選，其好處包括高通用性、低成本以及可重磨。

硬質合金與PCD的完美結合

用于CFRP和疊層材料的最新鉆頭類型基于燒結技術。即在硬質合金鉆體中集成了PCD切削刃。這種先進的工藝方法得益于過去二十年間所開發的已獲得專利的技術，在高韌性的硬質合金鉆體中結合了堅固且耐磨的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連接。鉆尖的刃形角度全部經過磨削，切削刃由合金刀體漸變探出，起到了保護鉆尖的作用。

燒結技術使得開發更多的金剛石鉆尖刃形角度成為可能，采用傳統的焊接PCD工藝就無法實現這一點。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化鉆尖設計來穩定地加工出大量高品質的孔。

燒結PCD鉆頭通常應用在自動化加工設備，旨在優化刀具性能以及保證鉆削CFRP復材的時候孔質量的一致性。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過加強的刃口處理。

燒結PCD鉆頭也可針對疊有金屬疊板的CFRP復材而專門設計。在高應力的集中區域經過精密研磨。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，可保證最小化劈裂、分層和毛刺等缺陷風險。

鉆削CFRP和疊層材料時，孔質量極為重要。使用定進給鉆或手持刀具進行鉆削時，高韌性鉆柄和極耐磨的切削刃相結合可提供所需的孔質量和安全性。燒結PCD和PCD涂層鉆頭的鉆尖結構(見圖3）專為加工CFRP復材或復材金屬疊板材料而優化設計制造。

圖3

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，是您成功的前提。在更長的刀具壽命期間確保質量水平的一致性、操作員安全性、減小廢品，以及對縮短生產時間與日俱增的需求均要求更高的鉆頭技術——基于從累積投入和廣泛全球研發資源所獲得的豐富經驗。作為切削解決方案的創新者與合作供應商，山特維克可樂滿與Precorp攜手為CFRP和疊層材料提供一流的品牌聯合刀具。創新性的標準與定制PCD和硬質合金鉆頭，能夠積極應對航空航天業與其他行業中廣泛應用這些材料時所面臨的挑戰。□