复合材料/金属叠层材料的钻削加工

　　为了有效地钻削加工由多层复合材料与金属叠加而成的航空材料，需要采用合适的刀具和正确的切削参数。

　　已在航空工业——从F-35闪电II型战斗机到巨无霸式的空客A380和波音787梦想客机——大量使用的复合材料/金属叠层材料通常由多层碳纤维增强塑料（CFRP）复合材料与铝（或钛）合金构成。例如，波音787梦想客机所使用的材料（按重量计）包括50％的复合材料、20％的铝、15％的钛、10％的钢和5％的其他材料。每一架波音787都包含了大约35吨CFRP，其中有很大一部分是与铝合金或钛合金一起构成叠层材料。

　　飞机制造商很愿意使用叠层材料，因为它们将金属的高强度与复合材料重量轻、耐腐蚀的特性集于一身。据美国国防制造与加工国家中心（NCDMM）项目工程师Glenn Sheffler介绍，叠层材料种类的增加与其应用范围的扩大几乎一样快。他说，“复合叠层材料正在取代在铝层之间夹入蜂窝纸构成的铝合金蜂窝材料。通常，叠层材料由多层不同的复合材料，或复合材料/金属叠层组合，或泡沫（或其他内核材料）叠加在一起，然后用复合材料包覆起来。”有些叠层材料可能还包含一层薄铜网（用于预防雷击）或其他材料。整个叠层的厚度可能从小于1/4英寸到几英寸不等。

　　Sheffler说，“复合材料层压技术也会使其可加工性大相径庭，而且可能会使用多种类型的复合材料。为了使复合材料结构达到要求的强度，在很多时候，需要根据不同的应用要求，在多个方向排列碳纤维和采用不同的层压方式。”

　　美国国防制造与加工国家中心（NCDMM）是在几年前为F-35战机开发制造工艺时开始研究叠层材料加工的。从那时以来，该组织一直与一些国防制造商合作，开发叠层材料钻削工艺。项目工程师Joe Slusarcyk表示，“叠层材料可用于制造飞机蒙皮，也可用于制造武器系统部件——无论用于何处，主要目的都是为了减轻重量。随着复合材料的发展，其应用将会越来越多。”
NCDMM针对国防制造商送来的一些叠层材料样品，开发最佳钻削工艺。除了测试数据以外，工程师们很少有其他参考资料，而且，由于样品的专有性，他们对构成叠层的这些材料可能只有一般概念——这就使开发最佳钻削工艺的任务更具挑战性。Sheffler说，“我们不断进行钻孔实验，直至找到满意的解决方案。有时可能只需要钻5个孔，有时则需要钻5,000个孔。”

　　工程师们利用测力计监测钻孔时的切削力。通常，最佳钻削工艺是在低切削力与刀具寿命之间选取某种折衷方案。Sheffler说，“我们希望减小切削力，以尽可能减少复合材料的分层剥离和作用于材料上的压力。但是，我们找到的小切削力钻头可能会在钻削很少的孔后就严重磨损。因此，我们开发刀具时，只能在低钻削力与刀具寿命之间进行折衷权衡。”

　　由于除了工件以外，还有许多其他变量，因此最佳工艺的确定相当复杂。对加工质量的不同要求、叠层材料的交叠顺序，乃至是在数控机床上加工还是手动加工，所有这些变量都会使所需要的刀具和切削参数大相径庭。Slusarcyk说，“不同的加工对孔的检测要求也各不相同。有时可能只需要进行目视检查，有时则需要采用超声波或其他方法进行检测。”

　　如果金属层是在工件表面，则钻入方向至关重要。Slusarcyk说，“确定从工件的哪一面钻入，可能会改变整个钻削工艺。有时，如果金属层有衬底材料，则钻削过程会相当稳定。而在另一些情况下，金属层可能很薄，当钻头开始推挤它时就会完全移位。因此，夹具是确保加工成功的一个非常重要的因素。”

　　幸运的是，有一些刀具供应商正在与NCDMM和其他机构合作，共同开发有效钻削复合材料/金属叠层材料所需的刀具。一家经常与NCDMM合作研发的刀具供应商是Amamco刀具公司。该公司的工厂经理Peter Diamantis表示，“钻削刀具的几何形状根据叠层材料的构成而各不相同。但是，虽然这些几何形状千变万化，仍有一些普遍规律可循。”

　　据Diamantis介绍，构成复合材料/金属叠层的多种材料截然不同的加工特性，是难以实现高效钻削的主要障碍。他说，“采用长钻尖角和长锥角的钻头从复合材料中钻出时，孔口质量最佳。钻削复合材料时会积聚大量切削热，当叠层材料较薄时，不会产生太大问题，但当材料较厚时，为了加快钻进速度，就需要采用较窄的排屑槽、较宽的齿距和较紧密的螺旋槽。”

　　长锥角钻头往往会对材料中的铝合金产生拖曳现象，并增大钻头载荷，因此，了解铝合金在叠层中所在的部位至关重要。Diamantis说，“如果铝合金位于叠层的背面，具有锐利钻尖角的高剪切钻头就能最大限度地减小钻出孔口处的毛刺高度。如果钻头是在复合材料上钻出，则需要调整钻头几何形状以及进给率。在这种情况下，钻/铰复合刀具和具有多棱面钻尖的钻头可以获得非常不错的加工效果。”

　　Diamantis认为，在所有叠层材料中，钻削加工复合材料/钛合金叠层的难度最大。他说，“钻削钛合金时，通常应该采用较小的后隙面、前角、进给率和主轴转速——而钻削复合材料时则正好相反。因此，你必须考虑所有因素，包括叠层厚度和希望达到的钻孔数量。工件的装夹、钻削工具、使用冷却液还是干切削、手动钻削还是数控钻削——必须对整个工艺进行全面评估。”

　　据Diamantis介绍，Amamco刀具公司致力于通过一次操作完成叠层材料的孔加工。他说，“我们通过一次进刀完成全部加工——我们不需要先钻孔，然后再进行二次铰孔加工。厚度为6.35mm的叠层材料并不是太难加工，但叠层越厚，加工难度就越大。因此，必须使用为钻削深度为钻头直径4－5倍的孔而专门设计的刀具。”

　　英国刀具制造商Cajero公司的业务经理Alex Harding对Diamantis的许多看法表示赞同。Harding说，“最终用户要与刀具供应商紧密合作，确定自己的加工应采用的合适刀具，这一点非常重要。刀具供应商对用户负有责任，没有人愿意让用户的机床和价值5万美元的零件损坏报废。”

　　Harding强调，不同的钻削加工方式——CNC数控钻削或手动钻削——可能会选用截然不同的刀具。他说，“对于复合材料/钛合金叠层的CNC数控钻削，最佳解决方案可能是具有内冷却功能的整体硬质合金刀具，虽然也可以考虑采用CVD金刚石涂层刀具。”

　　虽然在钻削碳纤维增强塑料（CFRP）时，通常不使用冷却液或喷雾冷却（CFRP可能会因为吸收冷却液而膨胀），但在钻削容易发生冷作硬化的钛合金时，冷却液却可能必不可少。

　　Harding建议用户在钻削钛合金时降低切削速度，以减少切削刃处产生的切削热，并尽量减少传入复合材料中的热量。他说，“同样重要的是，将降低切削速度与选用合适的进给率结合起来，以形成细小的切屑。长的带状切屑可能会在复合材料孔中造成二次切削。”

　　对于手动钻削，Cajero公司建议用户仔细核查，以确保所使用的气动工具在低速钻削时具有足够的扭矩。Harding补充说，“可能也有必要考虑使用‘啄击式’进给的钻削工具。”
该公司还建议采用整体硬质合金、CVD金刚石涂层硬质合金或PCD钻头来加工复合材料/铝合金叠层材料。Harding指出，CVD金刚石涂层钻头和PCD钻头的刀具寿命应该能超过3,000个孔。“有些铝合金在切屑控制上可能会出现问题，在这种情况下，无论是CNC数控钻削还是手动钻削，可能都需要采用啄击式进刀，以有效断屑。”

　　与Amamco公司一样，Cajero公司也致力于生产无需二次铰削加工就能达到很高尺寸精度的钻头。Harding说，“不过，我们还可以生产将钻/铰几何形状集成在一起的专用复合钻头，用于加工高精度的孔。”

　　众所周知，金刚石钻头对碳纤维增强塑料（CFRP）的加工效果极佳，用这种钻头加工叠层材料同样可以获得很高的生产率。

　　美国Precorp公司生产的整体烧结PCD钻头是首先在硬质合金刀坯上开槽，并在槽中填入PCD粉料，然后将刀坯置于高压、高温压机中，对PCD粉料进行压制烧结，使金刚石晶体相互之间以及与硬质合金刀坯之间紧密结合在一起。然后，将这种整体烧结PCD的钻尖钎焊到整体硬质合金钻柄上，并在刀具上刃磨出所需要的几何形状。

　　Precorp公司总裁Rich Garrick介绍说，利用这种获得专利的刀具制造工艺，可以获得用常规PCD刀片很难实现或不可能实现的刀具几何形状。“Precorp公司希望开发出一种可用于加工各种叠层材料的通用钻头，以最大限度地延长刀具寿命和缩短加工时间。这种钻头既能用于CNC数控钻削，也适合使用气动、电动工具的手动钻削。”

　　该公司的PD系列钻头用于CNC数控钻削加工。该钻头采用具有大横刃和宽槽口的刀槽形状，以提高钻头的强度和排屑能力。双刃带设计可以提高孔的圆度以及钻头在钻套中的稳定性。该钻头加工复合材料和铝合金时推荐的起始切削参数为：表面切削速度60m/min，进给率0.08mm/r；加工钛合金的切削参数为18m/min和0.05mm/r。加工复合材料/钛合金叠层时，则需要每一层分别调整切削速度和进给率。

　　该公司的CMD系列钻头用于手动钻削加工。该钻头分为导向型和非导向型两种型式，其钻尖设计旨在使钻头能够快速钻进，一旦钻头进入切削，操作者无需用太大的力就能完成钻孔。

　　联合机械与工程公司（AMEC）是另一家为叠层材料加工生产PCD钻头和CVD金刚石涂层钻头的刀具制造商。该公司产品经理Rob Brown表示，“许多航空材料的加工需要采用锋利的切削刃，而金刚石涂层钻头的潜在缺点是涂层通常都比较厚——10－12µm。这就是我们也开发了PCD钻头的原因，因为PCD钻头可以获得真正锋利的切削刃。”

　　与整体烧结式PCD钻头不同，AMEC的PCD钻头是将一根PCD条钎焊到硬质合金刀具上而形成切削刃。Brown说，“我们通过倾斜的刀座来形成前角。PCD条通常相当薄——厚度一般为1.6mm，而其上的金刚石材料层只有大约0.5mm或0.75mm厚。因此，必须要仔细地将切削刃几何形状制备在金刚石层上。”

　　无论是手动钻削还是数控钻削，是采用硬质合金刀具还是金刚石刀具，在复合材料/金属叠层上高效钻削高质量的孔都是一种挑战。但是，随着叠层材料的加工不断增多，许多刀具和机床制造商正在采取行动，应对挑战。

　　采用轨道钻削加工叠层材料

　　叠层材料钻削技术的发展并不只局限于针对工艺特点优化刀具。瑞典的Novator公司开发了一种获得专利的钻削工艺——轨道钻削。该工艺可以减小钻削力，从而最大限度地减少金属毛刺和复合材料的分层剥离，并显著提高刀具寿命。

　　轨道钻削工艺采用其直径小于孔径的刀具进行加工。刀具在围绕自身轴线旋转的同时，也围绕与刀具轴线有一偏心距的中心轴转动。这样，刀具可以同时沿轴向和径向两个方向移动，加工出一个孔，以及在径向上加工出某个特征（如凹腔）。通过调整偏心距，就能用一把刀具加工出不同直径的孔，从而可以减少刀具的种类和数量。

　　但是，该工艺的真正好处是可以减少工艺步骤、提高钻孔质量和延长刀具寿命，在钻削加工碳纤维复合材料（CFRP）/钛合金叠层材料时尤其如此。除了可以采用浇注式冷却以外，轨道钻削工艺还可以采用干式切削或最小量润滑（MQL）切削。

　　Novator公司首席执行官Hans-Petter Andersson介绍说，该公司生产用于CNC数控钻削和手动钻削两种加工方式的轨道钻削装置。CNC轨道钻削装置可以加工复杂形状的孔，并用同一直径的刀具和装置进行精加工。例如，该公司的D100型轨道钻削装置可以安装在机器人的机械臂上或机床门架上，在CFRP和叠层材料上钻削加工圆柱孔、圆锥孔、复杂形状孔和沉孔。它可以通过在钻削时改变偏心距，实现对孔径的连续控制，并自动适应叠层钻削的要求——即当钻头从叠层材料的某一层钻到另一层时改变切削参数。

　　该公司最近的一项创新是开发了用于叠层钻削的刀具磨损自动补偿技术（正在申请专利）。这种软件算法能以很小的步长对孔径进行动态调整。Andersson说，“在钻削像CFRP和叠层材料这种具有高磨蚀性的材料时，刀具磨损始终是一个棘手问题。在某些情况下，仅仅钻削几个孔，刀具就被磨钝而不得不报废或重磨。而轨道钻削工艺与刀具磨损自动补偿技术相结合，就能钻削加工出大量高精度的孔。”

　　据Andersson介绍，轨道钻削装置已被用于（或正在评估）一些航空零部件（包括机翼与机身的连接件、机翼、水平稳定翼、机身零部件、发动机挂架和襟翼）的加工。该工艺的切削参数根据是手动钻削还是CNC数控钻削而有所不同。例如，手动钻削时，加工钛合金的转速范围为1,200－5,600r/min；加工铝合金和复合材料的转速范围为5,600－13,000r/min。轨道运动为逆时针方向，转速为60－100r/min。加工钛合金的进给率范围为18－24mm/min；加工铝合金和复合材料的进给率范围为20－120mm/min。所有切削参数都取决于刀具直径。

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