复合材料孔加工方面的新进展

作者：山特维克可乐满

欢迎访问e展厅 展厅 2 钻头/丝锥/板牙展厅 麻花钻, 钻咀, 丝攻, 丝锥, 板牙, ... 在不断发展的复合材料领域，加工面临着新的挑战。从根本上而言，这些材料并非难以加工。目前的挑战在于更为高效、安全地加工出更高质量要求的孔 – 尤其是加工带有金属叠板材料的复合材料。这就要求我们开发出更为优异的刀具解决方案来应对不断提升的需求。 同时，由于在复合材料不同工艺装备的加工领域，孔加工居于主导地位，因而钻头正在经历一次切削刀具技术的全面变革。 需要刀具具有专用性 碳纤维增强塑料（CFRP）为主体的复合材料的应用愈发普遍，涵盖了航空航天业以及其他行业，尤其是汽车业和国防工业。这些复材部件上存在着大量紧固件的孔需要加工，其中产品的品质由于关乎产品的安全性正成为事关竞争力的关键问题。基于复材本身特性的制造缺陷，钻削CFRP复合材料会涉及分层和劈裂等问题。此外，当不得不使用相同的刀具在各种航空结构件中的复材和金属叠板（如铝合金或钛合金）上制孔时，就需要专用于具体应用的解决方案，这一点非常重要。如此一来，刀具也就必须应对完全不同的工况、迥然不同的材料可加工性能、切屑形成以及排屑。 在为钻削CFRP复材或叠板材料进行工艺规划时，需要考虑许多因素。在大量不同的部件材料中理想地钻削孔绝非易事，这时刀具供应商对试切参数、应用的推荐以及高品质的技术支持会祝您一臂之力。 CFRP和CFRP/金属叠板零件上需要加工的部位通常少于传统金属零件，但由于其材料的加工特性的特殊性，凸显关键技术的品质要求更为苛刻。CFRP复材的加工涉及到纤维的割断，这时为了获得净切削，在刀具和加工方法上就需要有所改变。导热性差，并且没有切屑形成，这样一来，切削复合材料期间所产生的热就很成问题，因为在高温下，复合材料的树脂存在很大风险。因此，与金属相比，这些材料在切削工艺中更能表现出难加工性。属性变化很大、不可预测性，另一方面CFRP复材作为零件材料的比重与日剧增，这些方面都需要不断改善才能保切削工艺富有竞争力。 在切削这些材料和零件的工艺中，孔加工的工序占据主导地位。 在航空航天业中，大部分加工集中于基于复合材料的框架和零件上紧固件孔的制备。即使用更大的结构件来减少装配量，孔加工仍对效率、成本和制程的安全性起着决定性的作用。这也就是说，在考虑提高刀具性能、工件质量的一致性和制程安全性时，孔加工是其重点关注的对象。 工艺规划 令人满意地钻削CFRP与相关叠板材料零件孔是一项挑战。为确保稳定的工艺过程，工艺规划包括如下内容：应用的描述， 待加工的孔数、孔大小、深度和质量要求、制造设备或机床类型、装夹稳定性、CFRP复材和金属叠板属性、搜集整理类似材料的加工经验数据以及利用从富有经验的专业刀具供应商处所获得的支持。 产品的品质、制程的安全性和可达的生产效率水平是刀具选择的主导因素。山特维克可乐满与Precorp共同开发的PCD涂层和烧结PCD钻头专注于不同材质的加工和所有工况的应用。这一系列产品包括各种标准品、定制品和非标产品。如图是专为优化不同应用而开发的标准PCD涂层钻头。 切削CFRP和叠板零件时，正确地应用专用的切削刀具是获得理想孔和减少粉尘污染的关键所在。金属材料的制孔质量标准不完全适用于复合材料制孔。无任何切屑和传统的表面光洁度通常不是衡量孔质量的标杆。孔质量一般是基于复合材料底层分离的程度（分层）和孔中任何残余的纤维剥离（破裂）。这些有的不能直接检测到的缺陷，对刀具是否发挥相应的切削效应是一大挑战。有些孔质量的下降甚至发生在刀具的磨损征兆发生之前。 切削过程中由于CFRP纤维的硬度，刀具磨损很快。当粘合在较软而粘性大的树脂中时，就可能出现纤维剥离、弹性错配以及层间破裂的趋势。这样很容易损坏孔入口、出口和孔壁，使其不符合质量要求。另外，当加工叠有钛或铝一类的金属时，刀具必须具有合适的穿透能力。 将新型CFRP材料引入到生产中需要新的方法，并且在建立工件材料属性时，基于刀具供应商推荐的应用最佳的刀具和切削参数的测试一直是主要的参考依据。它们并非均质材料，并且可加工性的难度要超过金属。CFRP需要根据表面、结构、纤维、树脂和厚度（孔深）进行区分。具有叠层时，金属叠板的种类以及厚度是重要因素。 机床设备与装夹的能力和稳定性会影响到切削刀具的选择。通常分自动型、动力型或手持型，体现到具体的设备类别则表现为CNC机床、机器人、轻便型自动进给设备或手动风钻。 此外，由于工序要求和操作员的工作经验有所不同，您需要在刀具选择上做相应的补偿。 所加工孔的数量往往被看作计算刀具成本因素。在大批量、单一品种CFRP材料制孔时，需要选择经过优化且一般更为昂贵的刀具才能更有效率。 另一方面，如果孔数量较小，再加上需要能够处理各种类型的CFRP、零件和装夹和应用，则意味着应选择通用型刀具。 新解决方案垂手可得 目前，主要的刀具解决方案基于金刚石涂层硬质合金钻和烧结金刚石钻头概念（分标准、半标准和定制）。 聚晶金刚石（PCD）是最硬的刀具材料，耐磨性最好。同时，它也是非常适合于加工CFRP以及叠板材料的刀具材料。在质量水平和一致性更趋严格并且对生产效率要求更高的现状下，采用硬质合金作为钻体材料（具有PCD切削刃）的钻头可作为复合材料孔加工的理想刀具。 硬质合金刀具可通过其钻尖设计和钻柄进行增强，同时在保证刀具后角和排屑能力最大化的前提下，确保最佳的切削效应。使用手持刀具加工、操作员施加的推力不均匀或者钻头和导向套间隙容易变化时，硬质合金的钻头尤其适合此类不稳定的工况。这些钻头也可以应用于定进给设备以及在机床上需要一次走刀加工叠层材料的时侯。作为刀具材料：硬质合金和PCD各有不同的优点和缺点，硬质合金非常坚固，但加工研磨材料时磨损很快；PCD非常耐磨但易碎。如果把这两种刀具材料组合到一把刀具中一定可获得最佳的效果。 钻削CFRP和叠层材料时，孔质量极为重要。使用定进给钻或手持刀具进行钻削时，高韧性钻柄和极耐磨的切削刃相结合可提供所需的孔质量和安全性。烧结PCD和PCD涂层钻头的钻尖结构专为加工CFRP复材或复材金属叠板材料而优化设计制造。 针对不同的材料和切削工况，可提供不同钻尖形式和材质的具有PCD涂层的标准、半标准和定制品钻头。精心开发的钻尖，可以作为CFRP高纤维基或高树脂基的复合材料的首选，同时也可以加工复材金属叠板材料。 应根据现有CFRP的特性作出选择，其中有不同的钻尖形式和PCD材质可供选择。在机床和定进给设备的应用中，可选用两种标准钻头优化工序。一种钻头最适合于高纤维含量材料 – 具有降低孔中纤维破裂趋势的极强能力。钻头周边处有用以切断纤维的尖刺，这样即可有效地避免劈裂和封层缺陷的发生；同时，它也适合于CFRP和铝叠层材料。 另一种标准钻头擅长于钻削高树脂基的CFRP复材。其双顶角钻尖结构使钻头能够平稳地进入和退出工件，由此降低了分层风险。可通过定制选项选择您所需的标准品系列之外的产品。要获得加工CFRP与铝叠层材料时的通用型钻头，可采用半标准化方式。此类方式所获得的通用性主要针对于高纤维基复合材料，这为您在大量不同应用中找到最佳的通用解决方案提供了便利。 为了获得更长的刀具寿命、更精确的孔公差和缩短加工时间，不同钻尖形式的新一代的PCD涂层刀具提升了此类产品的强度和精度。类金刚石涂层是硬质合金钻头上的备选，其好处包括高通用性、低成本以及可重磨。 硬质合金与PCD的完美结合 用于CFRP和叠层材料的最新钻头类型基于烧结技术。即在硬质合金钻体中集成了PCD切削刃。这种先进的工艺方法得益于过去二十年间所开发的已获得专利的技术，在高韧性的硬质合金钻体中结合了坚固且耐磨的PCD切削刃。这样一来，就使PCD切削刃融合为钻头的一部分，由于距钻尖足够远，因此就能够应用高强度的钎焊连接。钻尖的刃形角度全部经过磨削，切削刃由合金刀体渐变探出，起到了保护钻尖的作用。 烧结技术使得开发更多的金刚石钻尖刃形角度成为可能，采用传统的焊接PCD工艺就无法实现这一点。这样，无论在刚性差还是刚性好的不同工况下，我们都可以提供不同的优化钻尖设计来稳定的加工出大量高品质的孔。 烧结PCD钻头通常应用在自动化加工设备，旨在优化刀具性能以及保证钻削CFRP复材的时候孔质量的一致性。同时为了应用更高的切削速度并保证更小的孔入口和出口缺陷，其独特的切削刃要经过加强的刃口处理。 烧结PCD钻头也可针对叠有金属叠板的CFRP复材而专门设计。在高应力的集中区域经过精密研磨。这样使钻头更能保持锋利性，并确保更长的刀具寿命。同时也能确保刀具在低钻削力下切削CFRP纤维，这样在复材层或金属层的孔出端，可保证最小化劈裂、分层和毛刺等缺陷风险。 应用最新的刀具技术加工CFRP复合材料以及CFRP复材+金属叠板材料，是您成功的前提。在更长的刀具寿命期间确保质量水平的一致性、操作员安全性、减小废品以及对缩短生产时间与日俱增的需求均要求更高的钻头技术 – 基于从累积投入和广泛全球研发资源所获得的丰富经验。作为切削解决方案的创新者与合作供应商，山特维克可乐满与Precorp携手为CFRP和叠层材料提供一流的品牌联合刀具。创新性的标准与定制PCD和硬质合金钻头能够积极应对航空航天业与其他行业中广泛应用这些材料时所面临的挑战。(end)

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