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伊斯卡钻头和铣刀--机加工高级复合材料的解决方案 |
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作者：Elizabeth Engler Modic 来源：Aerospace Manufacturing and Design杂志 |
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这种新型碳纤维增强塑料（CFRP）和层板比以前更轻更结实，在从雪橇和网球拍到军用飞机和汽车的应用中，提高了性能水平。原因在于业界声称碳纤维增强塑料是帮助制造商达到轻巧和强度目标的最佳选择。
但是，作为一种工件材料，其主要影响是提高制作挑战，特别是在机加工方面。虽然用于机身或船身性能优越，各种类型的纤维增强环氧树脂、聚酯和乙烯基对工具来说更硬，对加工过程中的异常也毫不忽略。此外，产品的高附加值预加工使得废料公差更小了。
F-35闪电II将是第一个大规模生产的飞机，将融入非承重机身部件的结构纳米复合材料。
幸运的是，新一代切割工具正在涌现，经过特别量身定制，以在各种高级复合材料上开展最频繁要求的操作。例如，Iscar的PCD系列钻具和铣刀给业内提供了复合材料特定加工工具最广泛、最公认的选择。提供的钻具适合于底部有铝的更厚材料以及底部有CFRP的更薄材料。提供组合钻具沉头和钻铰复合刀具、切口铣刀以及组合铣刀/钻头铣刀，产品清单仍在增加。底线在于，自从出现增强复合材料以来，你或许第一次发现了一种适用于任何你能想到的复合材料加工的无损工具。
目前，复合材料切割工具材料的选择是CVD金刚石涂敷碳化物插入件、固体碳化物端铣刀、固体碳化物钻具以及钎焊PCD插入件或切割边缘的PCD纹理。在几乎成千上万的各种高级复合材料的应用中，此类Iscar工具的性能已经超越所有其他材料。材料越硬、加固强度越高，改善的幅度越大。
原因显而易见，固体碳化物杆具有维持尺寸和位置精密公差，以及平滑表面所需的刚度和尺寸精度。采用固体碳化物，在控制缺口的同时，使从优化切割形状开始，最大限度地降低切割力、热量、未切割纤维、杯形、细毛和毛刺等成为可能。CVD涂敷插入件使切割边缘比较耐磨，保持了整个长期服役时间间隔的最佳几何形状。
注意强调CVD金刚石涂层。可以将这种涂层涂敷到具有多切割边缘的不同几何形状插入件上，也可以挑选合适的几何形状进行应用。这些插入件将具有金刚石的耐磨性能，同时保留理想的切割几何形状。多切割边缘将帮助降低每个切割边缘的成本。
无论何种应用，在加工CFRP或其他堆叠材料时，均需记住几个原则。
打孔、闭合
打孔（主要是铆钉孔）是复合材料工件的一种主要工艺，要求极其严格。由于CFRP复合材料本身硬度高、尺寸稳定，不便于解决制造期间偏心铆钉孔产生的对准不良应力。
早期解决方案聚焦于使用硬质合金工具的、具有弥补和修改程序能力的数控机床的机械加工。这实际上是一种轨道铣削工艺，不是使用比孔洞直径小的工具的真正意义上的打钻。与打钻相比，这种工艺运行更冷，推力降低。它还能够使一种工具产生不同直径的孔洞和不规则的腔孔，从而降低工具库存成本。
伊斯卡钻头和铣刀的PCD线为业内特定复合材料工具提供了一个广泛的选择
然而，工具磨损仍然是个问题，从而导致了一种常见的变通方案：编程工具磨损补偿。虽然这种措施维持了尺寸，但是，对于表面处理或热量管理却没有发挥任何作用。
金刚石硬质合金工具
经证实，前面描述过的金刚石加强硬质合金钻具十分成功，因为其在复合材料机加工服务中比普通硬质合金工具更为锋利，时间更持久。下面提供四种可用于复合材料加工的金刚石加固工具：
CVD金刚石碳化物——结合了金刚石的耐磨性能和固体碳化物的尺寸精确度。不利的一面是涂层本身较厚，会降低切割边缘的锋利程度和几何形状的稳定性。
PCD涂敷固体碳化物——具有相同的优势，并在切割边缘具有更佳的锋利程度和几何形状控制。
固体碳化物杆中的PCD钎焊插入件——适合于只在前沿需要金刚石耐磨性能的情况。
PCD脉纹固体碳化物——特点是PCD脉纹粘合加工到碳化物杆中的槽内。
复合材料和堆叠打钻的一项最近创新是用于Multi-Master系列的Iscar新创新加工头。Multi-Master系统的特点是不需要设置时间，可以十分快速和便捷地将各种可互换加工头安装到一根轴上。这种新颖的加工头含有PCD切割边缘和复合材料优化几何形状。加工头依据顺序开展粗糙化、半表面处理以及表面处理操作。采用这种几何形状，可以打开腔孔和插槽并执行肩部应用。由于杆比切割尖细，因此与壁的接触和摩擦降低，因而操作运行起来较冷。
另一种即将推出的新产品是Iscar Solidrill-Ream，是一种组合铰钻复合刀具，能够一步加工更多孔洞，精确度更高。由同一杆上的独立钎焊PCD插入件处理打钻和铰除。
改进打孔
也就是说，在此提供一些提高复合材料打孔操作或故障处理的技巧。
保持切割力轻巧，以降低材料分层和应力。在铝质蜂窝状或泡沫核心中，硬质合金钻具可能已经足够。基体越硬，增强纤维含量越高，则在切割边缘需要的PCD涂层/插入件越多。
当孔洞尺寸允许时，最好使用硬质合金端铣刀的机械加工或者采用带有PCD涂敷尖的多主机的铣削修改，以用于平直螺旋打钻。
虽然在飞机机架或船舶框架方面是一流的，纤维增强环氧树脂、聚酯和乙烯基等类型对工具来说较硬，而且对加工过程中的变化非常敏感。此外，其高附加值的预加工使废料更少。幸运的是，新一代的切削工具正在出现，专门执行所有类型先进复合材料最频繁需要的操作。
对于较浅的孔洞，使用结实的直杆钻具。而对于较深的孔洞，则设计所有类型碎屑绝对可靠喷射的工艺。如有可能，考虑啄钻甚至冷却剂冲洗。
匹配夹层内的层速度和进刀，并准备随着钻具进度更改每一层的参数。
基于堆叠中的最后材料来选择工具的几何形状。如果是塑料，则使用具有长尖角的锥形钻具。如果最后层是铝或钛，则带有锐利尖角的高剪切力钻具退出时更清洁，留下的毛刺更少。锥形钻具只会涂污铝。
在较厚的复合材料结构中，必须注意热量聚积以及碎屑堵塞。应选择流槽较窄、喉部较宽和螺旋较紧密的钻具，以在材料变得太热之前完成孔洞，同时也可考虑添加冷却剂。
钛的情况如何？
当堆叠中有钛时，最佳实例是复合材料排斥的各种东西。为了避免工件硬化和过热，并保持碎屑可控，应选择浮纹较浅、具有倾角，以及心轴速度较低的工具。虽然一般不使用冷却剂或薄雾，但是由于热量和/或冲洗碎屑，对于钛来说，这或许不可避免。
简而言之，考虑选择工具时的各种情况，包括金属和塑料层的相对厚度和位置。这是一种平衡。对于金属较重的堆叠采用具有内部冷却剂的硬质合金工具。如果CFRP是主要部件，则最好使用PCD碳化物工具。
确保工艺将钛碎屑可靠地破碎为较小的方便弹出的碎片。您肯定不想冒钛屑卡在复合材料孔洞中的风险。不过，最有效的补救措施是更慢的速度和啄钻周期。
复合材料铣削
铣削复合材料（例如打钻）具有同等挑战。如果工具同时碰到几种不同的层，则需要设计工艺，并考虑所有的限制。如果正在逐层进行，则必须更改参数以匹配对应的层。
这就是Iscar已经设计出多款最流行的、可优化用于CFRP和复层板版本铣刀和刳刨工具的原因。Iscar的硬质合金端铣刀、铣削和插入件现在配有最佳金刚石涂层。
目前，Tangslit和Tangslot可以提供PCD尖，多功能型Heli2000指数插入件就配有PCD尖。经证明，这些在成千上万种商用、军用翼架和机身的应用中十分有效。
Iscar可应客户要求采用真空钎焊工具的形式，为其提供特殊定制的解决方案，以用于复合材料加工。
紧跟潮流
如果您在最近两年没有查看用于复合材料的加工工具，您绝对错过了在一个快速发展的领域大幅提升效率、质量、边缘使用寿命以及竞争力的机会。大量的变化会形成差异。在这一要求严格的加工领域，请在工艺早期向经验丰富的全面工具提供商索取指南。您将很快获得更佳答案，并会发现生产效率大幅提高。(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(1/4/2013) |
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