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郑州华晶金刚石股份有限公司

黛杰“比梦”钻助力CFRP材料飞机零部件加工

关键词 CFRP材料 , 飞机零部件|2010-02-23 00:00:00|来源 中国金属加工在线
摘要   复合材料从基体材料、强化纤维的搭配方法以及成形构造来看具有多种多样的性质,与金属材料相比较,比强度、比刚性、耐腐蚀性都更胜一筹,作为工业用材料其应用范围日益广泛。其中,碳纤维强...

   复合材料从基体材料、强化纤维的搭配方法以及成形构造来看具有多种多样的性质,与金属材料相比较,比强度、比刚性、耐腐蚀性都更胜一筹,作为工业用材料其应用范围日益广泛。其中,碳纤维强化塑料(CFRP:Carbon Fiber Reinforced Plastic)作为轻量、高性能的材料常用于汽车、船舶、医疗器械、铁轨车辆、航空航天等领域。特别是作为飞机机体材料,过去仅用于负载较高的活动翼板等方面,但近年来由于低油耗、低成本化、对室内空间舒适度的要求,该材料使用比例有了显着的提高。但是CFRP的加工中,由于分层、表面剥离、毛刺、树脂、纤维崩缺等问题始终困扰着制造现场,是一种很难高质量加工的材料。
  
  飞机机体的组装主要靠紧固件(铆钉)等,因此需要大量钻孔操作。针对CFRP特性,黛杰主要采用金刚石烧结体(PCD)与硬质合金烧结而成的“比梦”钻VN-DTD形进行钻孔加工。
  
  1.“比梦” 钻的特长
  
  “比梦”钻是在硬质合金基体上加工螺旋槽,并向其中填充烧结金刚石粉末,在高温高压条件下一体烧结而成的。由于是烧结金刚石和硬质合金整体烧结,所以“比梦”钻具有以下特长:
  
  (1)不存在脱焊的忧虑 传统的烧结金刚石钻头,由于烧结金刚石烧结体是焊上去的,焊接部分由于切屑的摩擦容易产生空隙,从而容易产生切屑堵塞和卡住,因此对寿命、表面粗糙度都有一定影响。“比梦”钻是在硬质合金基体内注入烧结金刚石烧结而成,也就不存在焊接的烦恼了。特别是在高速、超高速加工中不存在传统PCD刀具常见的脱焊掉出的忧虑。
  
  (2)长寿命和高精度 由于切削刃采用的是烧结金刚石,与硬质合金钻头和金刚石涂层钻头相比,可大幅度延长寿命。烧结金刚石具有优质的耐粘附性,所以可稳定地到良好的表面粗糙度和孔径精度。
  
  (3)可制作小直径尺寸 由于钻头是由烧结金刚石和硬质合金整体烧结而成的,所以最小直径可做到0.4mm,不会发生焊接刃烧结金刚石钻头的硬质合金支撑部分刚性不足的情况。
  
  (4)螺旋刃烧结金刚石 由于是整体烧结,烧结金刚石制作成与硬质合金钻头同样的螺旋刃。烧结金刚石刃部外周有30°螺旋角,锋利度极好。与焊接烧结金刚石钻头相比,拥有较大的螺旋角,可防止孔口崩边及起毛的产生。
  
  (5)可对难加工材料进行钻孔 CFRP、金属基复合材料(MMC)、石墨、碳材、硬质合金等,从这些材料本身所具有的特性来看,硬质合金钻头的寿命是极短的。与此不同,“比梦”钻切屑刃基体是烧结金刚石材料,并拥有较大螺旋角的低阻力刃口,因此应对这类材料亦可达到稳定的长寿命。尤其是在CFRP加工中,纤维切断能力较强,轴向抵抗值较小,可抑制分层。
  
  (6)可进行真正意义的重磨 与硬质合金钻头相同,在烧结金刚石层范围内可进行重磨,经济性良好。
  
  并且与金刚石涂层钻头不同,重磨不会改变钻头外径的大小,同时重磨的钻头几何形状不会发生改变,从而其加工性能亦十分稳定,不会出现焊接金刚石钻头一样重磨后几何形状改变的问题。
  
  2. 加工实例
  
  (1)阶梯钻型“比梦”钻 图3表示的是飞机机身零件的加工实例,“比梦”钻带倒角刃f 4.8mm×f 10mm,切削速度为275m/min,转速18 000r/min,进给量为1 140mm/min,背吃刀量为0.064mm/r的情况下加工15mm的通孔。由于紧固件孔口需同时加工锥形倒角,因此在“比梦”钻上附加了倒角刃。在此例加工中钻头寿命等以出口分层程度来判断,大约达到1 000个孔。孔口倒角部分毛刺、纤维崩缺等情况均未发生,整个加工部分质量非常优良。另外,此钻头重磨时必须钻头先端刃口和烧结金刚石倒角刃部分同时进行。
  
  (2)CFRP+铝合金(A7075)叠板加工 图4表示的是机翼零件CFRP(2.5mm)+铝合金材料(2.5mm)的叠板加工案例,使用“比梦”钻VN-DTD-040,加工参数:切削速度126m/min,机床转速10 000r/min,进给量500mm/min,背吃刀量0.05mm/r。过去都是焊接式烧结金刚石钻头进行这类孔的加工。这种烧结金刚石钻头虽然有螺旋槽,但由于刃口处焊接了烧结金刚石平板,因此刃口没有螺旋角。加工中通常以铝合金材料出口处的毛刺来判定刀具的寿命,传统的焊接烧结金刚石钻头约加工1 000孔后即产生毛刺,达到寿命极限。另外,由于焊接的缘故,刀具强度不足,烧结金刚石部分易发生崩刃,无法得到稳定的刀具寿命。烧结金刚石部分的崩刃亦导致无法进行重磨,加工成本也随之增大。“比梦”钻良好的锋利度可有效抑制毛刺的发生,寿命可延长至2倍,约2 000个孔。此外,“比梦”钻是整体烧结的,刃口具有超群的强度可防止崩刃,因此可进行真正意义上的重磨,正是由于长寿命、可重磨,所以加工成本可削减至焊接金刚石钻头的1/3。
  
  叠板加工时根据冷却的状况,常会发生第一块板加工完加工第二块板时,加工件稍一移动,钻头就会发生折损的情况。此时,将零件进行有效固定是最重要的,另外将钻头从头部几毫米之后的钻身外径磨小,也是零件发生窜动时防止钻头折断,进行稳定加工的良策。
  
  3. 使用注意事项
  
  由于切削刃上是既硬又脆的烧结金刚石,因此对加工系统需要超出使用硬质合金钻头时的刚性。推荐使用高刚性机床,高刚性装夹工件。
  
  以上主要阐述了关于CFRP材料飞机零部件的孔加工。该材料与金属材料相比较具有压倒性的比强度及优越的耐腐蚀性,因此今后在其他领域该材料的运用比例也会逐步增加。与该材料加工相关的成本、品质的课题还有很多,但我们坚信“比梦”钻作为解决方法之一,一定会为航空宇宙产业作出有价值的贡献。
 

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