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复合材料孔加工技术的新进展

2013年04月16日 10:43中国机床商务网点击:4894

  JC35导读:以碳纤维增强塑料(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,尤其是汽车工业和国防工业。与铝合金相比,不难看出复合材料倍受青睐的原因所在:碳纤维增强塑料(CFRP)的抗拉强度通常较铝合金高14倍以上,而其热膨胀系数还不到铝材的1/19;此外其刚度可高出5倍以上,而重量仅为铝合金的1/2。空中客车A380飞机采用了25%的高级复合材料,而新的波音787梦之翼客机使用复合材料的比重高达50%。甚至是现代军用飞机(比如美国的F-22)也采用复合材料,其结构至少1/3采用复合材料制造;预计将来会上升到2/3。
  
  复合材料机翼,包括翼梁、桁条和蒙皮等这样的结构件,通常由各种不同成分的碳纤维复合材料构成。其他要求苛刻的结构(例如中央翼盒),由几种复合材料构成,通常还覆以铝合金和钛合金叠层。这些复材部件上存在着大量紧固件的孔需要加工,由于紧固件孔的制造品质直接关乎产品的安全性,因而相关孔加工刀具的发展正日益成为复合材料加工行业的关注要素。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,如果用同一支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,就需要选择专注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、迥然不同的材料加工性能、切屑成形以及排屑。
  
  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,但由于其材料加工性能的特殊性,对产品品质要求更为苛刻。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。复合材料导热性差并且没有成形的切屑,这样一来,加工过程中所产生的切削热的移除就很成问题,因为在高温下,复合材料的树脂基体会被破坏。因此,与金属相比,这些材料在切削过程中表现出极大的难加工性,属性变化很大、不可预测。CFRP复材作为零件材料的比重与日剧增,这些方面都要求刀具行业提供不断改善的刀具方案来满足日益增长的工艺需求。
  
  在切削这些材料和零件的工艺过程中,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个难题。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。
  
  切削CFRP和叠板零件时,正确地应用专用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。无切屑残留和传统的表面粗糙度通常不是衡量复材孔质量的标杆。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考验。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。当粘合在较软而且粘性大的树脂中时,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,刀具必须具有足够的穿透能力。
  
  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,并且可加工性能比金属要差。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也是需要计入工件加工性能分析的重要因素。
  
  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,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的因素。在大批量、单一品种CFRP材料制孔时,需要选择经过优化的专用刀具才能更有效率。另一方面,如果孔数量较少,再加上CFRP增强复材的种类、零件外形、加工特征以及工件的装卡有很大变化,则意味着应选择通用型刀具。
  
  新解决方案
  
  目前,主要的CFRP和叠板材料刀具解决方案是基于金刚石涂层硬质合金钻头和烧结金刚石钻头概念(分标准、半标准和定制产品)。
  
  1复材加工的最佳刀具材质
  
  聚晶金刚石(PCD)是最硬的刀具材料,耐磨性最好。同时,它也是用于加工CFRP以及叠板材料的最佳刀具材料。在质量水平和一致性要求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(带有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。同样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。作为切削刀具材料,硬质合金和PCD各有不同的优缺点。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2种刀具材料组合到一起,一定可获得最佳的效果。
  
  2钻尖结构对复材加工缺陷的影响
  
  针对不同的材料和切削工况,需要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。
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