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山特维克可乐满PCD直接压制烧结技术的成功应用

2013年11月28日 10:43中国机床商务网点击:4770

  近年来,复合材料钻削刀具中,讨论得最多的刀具创新是PCD直接压制烧结技术。为理解这种概念,首先需要了解PCD及其以前的局限性。通常来说,在硬质合金层上附上扁片状的PCD,在制作切削刀具时,将PCD用铜焊的方式焊接在刀具刀体上。
  
  这种方法有两大缺点:1.刀具槽型加工受限,因为是采用平片制作;2.将平片焊接在刀具的铜焊接头上距切削刃很近。如果温度接近铜焊的熔点,那么加工中产生热量,会使焊接接头失效。
  
  战略定位
  
  为了克服这些缺点,并充分利用PCD的优势,山特维克可乐满和Precorp潜心研究,采用PCD材料的直接压制烧结技术,从战略上专注制造PCD刀具毛坯。制作这类刀坯时,将金刚石粉装入硬质合金刀具刀体上开的槽内,在高温/高压下将金刚石与硬质合金烧结成为一体,烧结好的刀具毛坯用铜焊的方式焊接在刀柄上。最终按照刀具刃形的设计要求,进行精密的刀具刃形加工。
  
  对于加工车间来说,这是一个好消息,因为烧结PCD的特性,可以使得在刀具加工时准确的定位PCD刀刃。此外,还可精确地制成螺旋式切削刃或其他复杂刃型,这是在使用焊接PCD平片时无法做到的。烧结PCD技术为山特维克可乐满提供了设计优化切削刃型的保证,这种优化的刃形既可适应欠刚性设置,还可适应精密的稳定大批量加工。采用PCD直接压制烧结技术,还能解决上述铜焊接头失效的难题。诚然,直接压制烧结刀具仍然有铜焊接头——这仅仅位于刀柄偏上方的位置,离切削部位较远,不受发热的影响。
  
  特殊刀具刃型
  
  通常来说,PCD直接压制烧结刀具具有锋利的切削刃型,即使在加工耐磨料磨损性最大的复合材料时,也能保持锋利的刃口。这种技术甚至还可进一步加强,例如强化刀具的圆角部分,以提高切削速度,而不影响表面质量或尺寸公差。
  
  对于加工复合材料和金属叠层材料,PCD直接压制烧结刀具可以采用微磨技术,以便加工高应力集中部位,还有助于保持锋利度,延长刀具使用寿命。刀具锋利的刃口切削合成纤维时,需要的推力小,可将加工缺陷(例如分层、基材熔融/软化、纤维拉出及表面烧焦)减至最低。
  
  核心驱动力
  
  复合材料和零件加工工艺中,孔加工继续占据主导地位。例如,航空工业中,在准备安装复合材料机架和零件的紧固件时,需要花费大量的时间。即使采用最新的降低了装配要求的统一结构,从加工效率和成本的角度看,钻削仍然是主导因素。
  
  山特维克可乐满的PCD钻头,采用直接压制烧结技术,切削刃可制成各种槽型,将进出孔位置的分层倾向减至最低,但应用方法仍然是刀具选型的一个主要因素。例如,使用自动进给设备时,PCD直接压制烧结钻头(例如85或86PT系列CD10),采用PCD刃形保护设计,增加了加工过程的稳定性。此时,在切削刀具PCD刃口部分加了保护层,缩短了PCD外露部分的总长度。这样可防止切削刃崩裂,从而延长刀具的使用寿命。这些钻头还可采用内冷方式,这种方式特别推荐用于加工铝合金和/或钛合金堆叠的复合材料。
  
  数控机床
  
  在固定床身数控机床上进行CFRP零件的孔加工时,我们已经对另一款CD10PCD直接压制烧结钻头、CoroDrill859V进行了优化,可用于单向带材料例如M21E,及环氧和BMI(马来酰亚胺)树脂。这款钻头具有锋利的双角度刃型,可减少分层现象,在有覆层的CFRP(例如玻璃纤维和铜)上钻削时,性能也很优异。
  
  在固定床身数控机床上进行CFRP/金属堆叠材料的孔加工时,需要采用CD10PCD直接压制烧结钻头,例如86A和86B系列。前者有一个118°的定心点,用于加工CFRP/铝合金堆叠材料,而后者有一个135°的定心点,用于加工CFRP/钛合金堆叠材料,两种设计都可减少毛刺和纤维碎裂。
  
  采用钛合金堆叠的碳化纤维是最难加工的材料组合之一,但是山特维克可乐满和Precorp齐心协力,攻坚克难,提高了此类材料的孔加工效率。为给出CoroDrill直接压制烧结PCD性能的思路,采用15mm厚的CFRP夹层,10mm的钛合金薄板,在钻通孔时,切削速度为大约12m/min,进给量为0.05mm/rev。
  
  一次钻削
  
  为了在加工CFRP(碳纤维增强塑料)或CFRP/金属堆叠材料时缩短停机时间、改进孔的表面质量和孔径误差,采用优化钻尖构型的直接压制烧结技术PCD钻头和优化加工工艺是至关重要的。尽管人们希望使用一次性完成钻孔的刀具以缩短生产时间,但是当要求很高的精度时,钻孔时需要二次或者三次操作,即预钻削、钻削和铰削。
  
  尽管人们一直认为,要想在复合材料上进行精密钻孔,通过稳定、可靠、可重复的一次钻削工序完成是一件难以实现的事情,但是这种观念即将得到改变。山特维克可乐满正在进行大量试验,旨在对航空零件进行钻削时,缩短加工时间,减小刀具使用数量。这些试验重点考虑单次完成的钻削工序,采用动力进给型机床,钻通铝/钛合金堆叠的CFRP(CFRP/Ti/Alu)材料。首次试验结果,让大型航空制造业看到了希望,钻孔质量完全能达到期望的需求水平。
  
  直接压制烧结PCD技术帮助了山特维克可乐满满足此类公司的需求,研制出了专用的槽型,以适应不同材料需要的不同条件。
  
  但是,PCD直接压制烧结刀具并非只用于孔加工,还可用于表面加工和边缘加工工序。典型的实例是,由复合材料制成的飞机垂直尾翼,这种材料的边缘加工难度相当大。但是,采用PCD直接压制烧结技术的CoroMillPlura立铣刀最适合这种加工,从而减少纤维碎裂现象,增加金属去除率。
  
  从复合材料加工能力和降低成本的角度分析,PCD直接压制烧结技术无疑都是最大的技术驱动力,对于各种应用,都具有巨大潜力和竞争优势。
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