為了有效地鉆削加工由多層復(fù)合材料與金屬疊加而成的航空材料，需要采用合適的刀具和正確的切削參數(shù)。

　　已在航空工業(yè)——從F-35閃電II型戰(zhàn)斗機(jī)到巨無霸式的空客A380和波音787夢(mèng)想客機(jī)——大量使用的復(fù)合材料/金屬疊層材料通常由多層碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）復(fù)合材料與鋁（或鈦）合金構(gòu)成常携。例如，波音787夢(mèng)想客機(jī)所使用的材料（按重量計(jì)）包括50％的復(fù)合材料淌窄、20％的鋁础呈、15％的鈦韭购、10％的鋼和5％的其他材料。每一架波音787都包含了大約35噸CFRP紧视，其中有很大一部分是與鋁合金或鈦合金一起構(gòu)成疊層材料引晌。

　　飛機(jī)制造商很愿意使用疊層材料焙恬，因?yàn)樗鼈儗⒔饘俚母邚?qiáng)度與復(fù)合材料重量輕硝荚、耐腐蝕的特性集于一身。據(jù)美國國防制造與加工國家中心（NCDMM）項(xiàng)目工程師Glenn Sheffler介紹琢窗，疊層材料種類的增加與其應(yīng)用范圍的擴(kuò)大幾乎一樣快焙蹭。他說，“復(fù)合疊層材料正在取代在鋁層之間夾入蜂窩紙構(gòu)成的鋁合金蜂窩材料嫂伞。通常孔厉，疊層材料由多層不同的復(fù)合材料，或復(fù)合材料/金屬疊層組合帖努，或泡沫（或其他內(nèi)核材料）疊加在一起撰豺，然后用復(fù)合材料包覆起來∑从啵”有些疊層材料可能還包含一層薄銅網(wǎng)（用于預(yù)防雷擊）或其他材料污桦。整個(gè)疊層的厚度可能從小于1/4英寸到幾英寸不等。

　　Sheffler說匙监，“復(fù)合材料層壓技術(shù)也會(huì)使其可加工性大相徑庭凡橱，而且可能會(huì)使用多種類型的復(fù)合材料。為了使復(fù)合材料結(jié)構(gòu)達(dá)到要求的強(qiáng)度亭姥，在很多時(shí)候稼钩，需要根據(jù)不同的應(yīng)用要求，在多個(gè)方向排列碳纖維和采用不同的層壓方式达罗∶团矗”

　　美國國防制造與加工國家中心（NCDMM）是在幾年前為F-35戰(zhàn)機(jī)開發(fā)制造工藝時(shí)開始研究疊層材料加工的。從那時(shí)以來放干，該組織一直與一些國防制造商合作笼肴，開發(fā)疊層材料鉆削工藝。項(xiàng)目工程師Joe Slusarcyk表示胀司，“疊層材料可用于制造飛機(jī)蒙皮峦爪，也可用于制造武器系統(tǒng)部件——無論用于何處，主要目的都是為了減輕重量坚达。隨著復(fù)合材料的發(fā)展辅蜡，其應(yīng)用將會(huì)越來越多○形溃”
NCDMM針對(duì)國防制造商送來的一些疊層材料樣品迅撑，開發(fā)最佳鉆削工藝门贫。除了測試數(shù)據(jù)以外，工程師們很少有其他參考資料驼功，而且玷秋，由于樣品的專有性，他們對(duì)構(gòu)成疊層的這些材料可能只有一般概念——這就使開發(fā)最佳鉆削工藝的任務(wù)更具挑戰(zhàn)性递沪。Sheffler說豺鼻，“我們不斷進(jìn)行鉆孔實(shí)驗(yàn)，直至找到滿意的解決方案款慨。有時(shí)可能只需要鉆5個(gè)孔儒飒，有時(shí)則需要鉆5,000個(gè)孔￠莸欤”

　　工程師們利用測力計(jì)監(jiān)測鉆孔時(shí)的切削力桩了。通常，最佳鉆削工藝是在低切削力與刀具壽命之間選取某種折衷方案埠戳。Sheffler說井誉，“我們希望減小切削力，以盡可能減少復(fù)合材料的分層剝離和作用于材料上的壓力整胃。但是颗圣，我們找到的小切削力鉆頭可能會(huì)在鉆削很少的孔后就嚴(yán)重磨損。因此爪模，我們開發(fā)刀具時(shí)欠啤，只能在低鉆削力與刀具壽命之間進(jìn)行折衷權(quán)衡《：郑”

　　由于除了工件以外称桶，還有許多其他變量，因此最佳工藝的確定相當(dāng)復(fù)雜炕常。對(duì)加工質(zhì)量的不同要求枚甫、疊層材料的交疊順序，乃至是在數(shù)控機(jī)床上加工還是手動(dòng)加工贿魄，所有這些變量都會(huì)使所需要的刀具和切削參數(shù)大相徑庭胎拥。Slusarcyk說，“不同的加工對(duì)孔的檢測要求也各不相同秕颖。有時(shí)可能只需要進(jìn)行目視檢查角术，有時(shí)則需要采用超聲波或其他方法進(jìn)行檢測【魏”

　　如果金屬層是在工件表面持结，則鉆入方向至關(guān)重要。Slusarcyk說枕厅，“確定從工件的哪一面鉆入惋粟，可能會(huì)改變整個(gè)鉆削工藝犁柜。有時(shí)，如果金屬層有襯底材料堂淡，則鉆削過程會(huì)相當(dāng)穩(wěn)定馋缅。而在另一些情況下，金屬層可能很薄绢淀，當(dāng)鉆頭開始推擠它時(shí)就會(huì)完全移位萤悴。因此，夾具是確保加工成功的一個(gè)非常重要的因素更啄≈烧睿”

　　幸運(yùn)的是居灯，有一些刀具供應(yīng)商正在與NCDMM和其他機(jī)構(gòu)合作祭务，共同開發(fā)有效鉆削復(fù)合材料/金屬疊層材料所需的刀具。一家經(jīng)常與NCDMM合作研發(fā)的刀具供應(yīng)商是Amamco刀具公司怪嫌。該公司的工廠經(jīng)理Peter Diamantis表示义锥，“鉆削刀具的幾何形狀根據(jù)疊層材料的構(gòu)成而各不相同。但是岩灭，雖然這些幾何形狀千變?nèi)f化拌倍，仍有一些普遍規(guī)律可循∽蹋”

　　據(jù)Diamantis介紹京思，構(gòu)成復(fù)合材料/金屬疊層的多種材料截然不同的加工特性，是難以實(shí)現(xiàn)高效鉆削的主要障礙鳖灰。他說须涕，“采用長鉆尖角和長錐角的鉆頭從復(fù)合材料中鉆出時(shí)，孔口質(zhì)量最佳潦春。鉆削復(fù)合材料時(shí)會(huì)積聚大量切削熱肚让，當(dāng)疊層材料較薄時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生太大問題材哺，但當(dāng)材料較厚時(shí)级嘀，為了加快鉆進(jìn)速度，就需要采用較窄的排屑槽恨摩、較寬的齒距和較緊密的螺旋槽胖讶。”

　　長錐角鉆頭往往會(huì)對(duì)材料中的鋁合金產(chǎn)生拖曳現(xiàn)象屋嘉，并增大鉆頭載荷斯娃，因此，了解鋁合金在疊層中所在的部位至關(guān)重要谷市。Diamantis說蛔垢，“如果鋁合金位于疊層的背面击孩，具有銳利鉆尖角的高剪切鉆頭就能最大限度地減小鉆出孔口處的毛刺高度。如果鉆頭是在復(fù)合材料上鉆出鹏漆，則需要調(diào)整鉆頭幾何形狀以及進(jìn)給率巩梢。在這種情況下，鉆/鉸復(fù)合刀具和具有多棱面鉆尖的鉆頭可以獲得非常不錯(cuò)的加工效果艺玲±穑”

　　Diamantis認(rèn)為，在所有疊層材料中饭聚，鉆削加工復(fù)合材料/鈦合金疊層的難度最大忌警。他說，“鉆削鈦合金時(shí)秒梳，通常應(yīng)該采用較小的后隙面法绵、前角、進(jìn)給率和主軸轉(zhuǎn)速——而鉆削復(fù)合材料時(shí)則正好相反酪碘。因此熏萎，你必須考慮所有因素，包括疊層厚度和希望達(dá)到的鉆孔數(shù)量解夜。工件的裝夾吃会、鉆削工具、使用冷卻液還是干切削李狼、手動(dòng)鉆削還是數(shù)控鉆削——必須對(duì)整個(gè)工藝進(jìn)行全面評(píng)估炊办。”

　　據(jù)Diamantis介紹榆模，Amamco刀具公司致力于通過一次操作完成疊層材料的孔加工何哎。他說，“我們通過一次進(jìn)刀完成全部加工——我們不需要先鉆孔掩软，然后再進(jìn)行二次鉸孔加工填阅。厚度為6.35mm的疊層材料并不是太難加工，但疊層越厚侮夸，加工難度就越大茶壹。因此，必須使用為鉆削深度為鉆頭直徑4－5倍的孔而專門設(shè)計(jì)的刀具揍庄∨剌铮”

　　英國刀具制造商Cajero公司的業(yè)務(wù)經(jīng)理Alex Harding對(duì)Diamantis的許多看法表示贊同。Harding說蚂子，“最終用戶要與刀具供應(yīng)商緊密合作沃测，確定自己的加工應(yīng)采用的合適刀具，這一點(diǎn)非常重要食茎。刀具供應(yīng)商對(duì)用戶負(fù)有責(zé)任蒂破，沒有人愿意讓用戶的機(jī)床和價(jià)值5萬美元的零件損壞報(bào)廢馏谨。”

　　Harding強(qiáng)調(diào)附迷，不同的鉆削加工方式——CNC數(shù)控鉆削或手動(dòng)鉆削——可能會(huì)選用截然不同的刀具惧互。他說，“對(duì)于復(fù)合材料/鈦合金疊層的CNC數(shù)控鉆削喇伯，最佳解決方案可能是具有內(nèi)冷卻功能的整體硬質(zhì)合金刀具喊儡，雖然也可以考慮采用CVD金剛石涂層刀具〉揪荩”

　　雖然在鉆削碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）時(shí)艾猜，通常不使用冷卻液或噴霧冷卻（CFRP可能會(huì)因?yàn)槲绽鋮s液而膨脹），但在鉆削容易發(fā)生冷作硬化的鈦合金時(shí)霉枢，冷卻液卻可能必不可少首冒。

　　Harding建議用戶在鉆削鈦合金時(shí)降低切削速度，以減少切削刃處產(chǎn)生的切削熱吐梗，并盡量減少傳入復(fù)合材料中的熱量突仆。他說蔫横，“同樣重要的是桐赠，將降低切削速度與選用合適的進(jìn)給率結(jié)合起來，以形成細(xì)小的切屑刊濒。長的帶狀切屑可能會(huì)在復(fù)合材料孔中造成二次切削涌粱。”

　　對(duì)于手動(dòng)鉆削埃的，Cajero公司建議用戶仔細(xì)核查侵选，以確保所使用的氣動(dòng)工具在低速鉆削時(shí)具有足夠的扭矩。Harding補(bǔ)充說愕匪，“可能也有必要考慮使用‘啄擊式’進(jìn)給的鉆削工具盐儿。”
該公司還建議采用整體硬質(zhì)合金涮较、CVD金剛石涂層硬質(zhì)合金或PCD鉆頭來加工復(fù)合材料/鋁合金疊層材料稠鼻。Harding指出，CVD金剛石涂層鉆頭和PCD鉆頭的刀具壽命應(yīng)該能超過3,000個(gè)孔狂票『虺荩“有些鋁合金在切屑控制上可能會(huì)出現(xiàn)問題，在這種情況下闺属，無論是CNC數(shù)控鉆削還是手動(dòng)鉆削慌盯，可能都需要采用啄擊式進(jìn)刀，以有效斷屑掂器⊙窃恚”

　　與Amamco公司一樣俱箱，Cajero公司也致力于生產(chǎn)無需二次鉸削加工就能達(dá)到很高尺寸精度的鉆頭。Harding說灭必，“不過匠楚，我們還可以生產(chǎn)將鉆/鉸幾何形狀集成在一起的專用復(fù)合鉆頭，用于加工高精度的孔厂财∮蟛荆”

　　眾所周知，金剛石鉆頭對(duì)碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）的加工效果極佳穴眨，用這種鉆頭加工疊層材料同樣可以獲得很高的生產(chǎn)率扎瞧。

　　美國Precorp公司生產(chǎn)的整體燒結(jié)PCD鉆頭是首先在硬質(zhì)合金刀坯上開槽，并在槽中填入PCD粉料料悟，然后將刀坯置于高壓草颤、高溫壓機(jī)中，對(duì)PCD粉料進(jìn)行壓制燒結(jié)墙弛，使金剛石晶體相互之間以及與硬質(zhì)合金刀坯之間緊密結(jié)合在一起捏表。然后，將這種整體燒結(jié)PCD的鉆尖釬焊到整體硬質(zhì)合金鉆柄上降井，并在刀具上刃磨出所需要的幾何形狀镊迟。

　　Precorp公司總裁Rich Garrick介紹說，利用這種獲得專利的刀具制造工藝隘吆，可以獲得用常規(guī)PCD刀片很難實(shí)現(xiàn)或不可能實(shí)現(xiàn)的刀具幾何形狀箭溜。“Precorp公司希望開發(fā)出一種可用于加工各種疊層材料的通用鉆頭晕石，以最大限度地延長刀具壽命和縮短加工時(shí)間桦陨。這種鉆頭既能用于CNC數(shù)控鉆削，也適合使用氣動(dòng)据途、電動(dòng)工具的手動(dòng)鉆削绞愚。”

　　該公司的PD系列鉆頭用于CNC數(shù)控鉆削加工颖医。該鉆頭采用具有大橫刃和寬槽口的刀槽形狀位衩，以提高鉆頭的強(qiáng)度和排屑能力。雙刃帶設(shè)計(jì)可以提高孔的圓度以及鉆頭在鉆套中的穩(wěn)定性便脊。該鉆頭加工復(fù)合材料和鋁合金時(shí)推薦的起始切削參數(shù)為：表面切削速度60m/min蚂四，進(jìn)給率0.08mm/r；加工鈦合金的切削參數(shù)為18m/min和0.05mm/r哪痰。加工復(fù)合材料/鈦合金疊層時(shí)遂赠，則需要每一層分別調(diào)整切削速度和進(jìn)給率。

　　該公司的CMD系列鉆頭用于手動(dòng)鉆削加工。該鉆頭分為導(dǎo)向型和非導(dǎo)向型兩種型式跷睦，其鉆尖設(shè)計(jì)旨在使鉆頭能夠快速鉆進(jìn)筷弦，一旦鉆頭進(jìn)入切削，操作者無需用太大的力就能完成鉆孔抑诸。

　　聯(lián)合機(jī)械與工程公司（AMEC）是另一家為疊層材料加工生產(chǎn)PCD鉆頭和CVD金剛石涂層鉆頭的刀具制造商友移。該公司產(chǎn)品經(jīng)理Rob Brown表示，“許多航空材料的加工需要采用鋒利的切削刃玷仗，而金剛石涂層鉆頭的潛在缺點(diǎn)是涂層通常都比較厚——10－12μm洽灿。這就是我們也開發(fā)了PCD鉆頭的原因，因?yàn)镻CD鉆頭可以獲得真正鋒利的切削刃仅犬∨枋觯”

　　與整體燒結(jié)式PCD鉆頭不同，AMEC的PCD鉆頭是將一根PCD條釬焊到硬質(zhì)合金刀具上而形成切削刃案哄。Brown說霜铸，“我們通過傾斜的刀座來形成前角。PCD條通常相當(dāng)薄——厚度一般為1.6mm沐亏，而其上的金剛石材料層只有大約0.5mm或0.75mm厚灌大。因此，必須要仔細(xì)地將切削刃幾何形狀制備在金剛石層上耸挟∷来剑”

　　無論是手動(dòng)鉆削還是數(shù)控鉆削，是采用硬質(zhì)合金刀具還是金剛石刀具悔叽，在復(fù)合材料/金屬疊層上高效鉆削高質(zhì)量的孔都是一種挑戰(zhàn)莱衩。但是，隨著疊層材料的加工不斷增多娇澎，許多刀具和機(jī)床制造商正在采取行動(dòng)，應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)睹晒。

　　采用軌道鉆削加工疊層材料

　　疊層材料鉆削技術(shù)的發(fā)展并不只局限于針對(duì)工藝特點(diǎn)優(yōu)化刀具趟庄。瑞典的Novator公司開發(fā)了一種獲得專利的鉆削工藝——軌道鉆削。該工藝可以減小鉆削力伪很，從而最大限度地減少金屬毛刺和復(fù)合材料的分層剝離戚啥，并顯著提高刀具壽命。

　　軌道鉆削工藝采用其直徑小于孔徑的刀具進(jìn)行加工锉试。刀具在圍繞自身軸線旋轉(zhuǎn)的同時(shí)猫十，也圍繞與刀具軸線有一偏心距的中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣呆盖，刀具可以同時(shí)沿軸向和徑向兩個(gè)方向移動(dòng)拖云，加工出一個(gè)孔，以及在徑向上加工出某個(gè)特征（如凹腔）。通過調(diào)整偏心距宙项，就能用一把刀具加工出不同直徑的孔石被，從而可以減少刀具的種類和數(shù)量。

　　但是定岳，該工藝的真正好處是可以減少工藝步驟低吠、提高鉆孔質(zhì)量和延長刀具壽命，在鉆削加工碳纖維復(fù)合材料（CFRP）/鈦合金疊層材料時(shí)尤其如此池膜。除了可以采用澆注式冷卻以外非淹，軌道鉆削工藝還可以采用干式切削或最小量潤滑（MQL）切削。

　　Novator公司首席執(zhí)行官Hans-Petter Andersson介紹說盘称，該公司生產(chǎn)用于CNC數(shù)控鉆削和手動(dòng)鉆削兩種加工方式的軌道鉆削裝置拆楣。CNC軌道鉆削裝置可以加工復(fù)雜形狀的孔，并用同一直徑的刀具和裝置進(jìn)行精加工肩降。例如浅仑，該公司的D100型軌道鉆削裝置可以安裝在機(jī)器人的機(jī)械臂上或機(jī)床門架上，在CFRP和疊層材料上鉆削加工圓柱孔屁样、圓錐孔屿扮、復(fù)雜形狀孔和沉孔。它可以通過在鉆削時(shí)改變偏心距我衬，實(shí)現(xiàn)對(duì)孔徑的連續(xù)控制叹放，并自動(dòng)適應(yīng)疊層鉆削的要求——即當(dāng)鉆頭從疊層材料的某一層鉆到另一層時(shí)改變切削參數(shù)。

　　該公司最近的一項(xiàng)創(chuàng)新是開發(fā)了用于疊層鉆削的刀具磨損自動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)（正在申請(qǐng)專利）挠羔。這種軟件算法能以很小的步長對(duì)孔徑進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整井仰。Andersson說，“在鉆削像CFRP和疊層材料這種具有高磨蝕性的材料時(shí)破加，刀具磨損始終是一個(gè)棘手問題俱恶。在某些情況下，僅僅鉆削幾個(gè)孔范舀，刀具就被磨鈍而不得不報(bào)廢或重磨合是。而軌道鉆削工藝與刀具磨損自動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)相結(jié)合，就能鉆削加工出大量高精度的孔锭环〈先”

　　據(jù)Andersson介紹，軌道鉆削裝置已被用于（或正在評(píng)估）一些航空零部件（包括機(jī)翼與機(jī)身的連接件辅辩、機(jī)翼难礼、水平穩(wěn)定翼、機(jī)身零部件墩倔、發(fā)動(dòng)機(jī)掛架和襟翼）的加工涂颠。該工藝的切削參數(shù)根據(jù)是手動(dòng)鉆削還是CNC數(shù)控鉆削而有所不同固脸。例如，手動(dòng)鉆削時(shí)扑认，加工鈦合金的轉(zhuǎn)速范圍為1,200－5,600r/min逻事；加工鋁合金和復(fù)合材料的轉(zhuǎn)速范圍為5,600－13,000r/min。軌道運(yùn)動(dòng)為逆時(shí)針方向犯舆，轉(zhuǎn)速為60－100r/min畜溺。加工鈦合金的進(jìn)給率范圍為18－24mm/min；加工鋁合金和復(fù)合材料的進(jìn)給率范圍為20－120mm/min壮僵。所有切削參數(shù)都取決于刀具直徑理章。

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