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  [組圖]加工復合材料的切削刀具          【字體:
加工復合材料的切削刀具
作者:liven    專題來源:切削技術網    點擊數:2068    更新時間:2011-3-14    
與金屬切削相比,復合材料的加工提出了獨特的挑戰。增韌纖維的磨蝕性使刀具壽命縮短。與金屬切屑不同,塑料基質帶走的熱量很少,而溫度過高可能會使基質熔化。復合材料容易分層剝離,加工產生的毛刺和纖維表明鉆削的孔或銑削的邊緣質量很差。
與金屬切削相比,復合材料的加工提出了獨特的挑戰。增韌纖維的磨蝕性使刀具壽命縮短。與金屬切屑不同,塑料基質帶走的熱量很少,而溫度過高可能會使基質熔化。復合材料容易分層剝離,加工產生的毛刺和纖維表明鉆削的孔或銑削的邊緣質量很差。
其他挑戰還包括對由復合材料與鈦合金(或鋁合金)組成的壓合疊層材料進行加工和鉆削。研發出可一次完成對這種疊層材料鉆孔加工的刀具特別困難。設計復合材料切削刀具的常用策略包括采用非涂層硬質合金刀具、CVD金剛石涂層刀具、以PCD作為刀刃或刀頭的焊接刀具等。傳統的PCD刀具是通過將金剛石晶體燒結嵌入金屬基體制成,刀具的切削部分被切割成所需形狀,并焊接(或燒結)在硬質合金刀柄上。傳統的PCD刀具在刀具幾何形狀上受到一定局限,不過現在已有一些公司可以提供具有更復雜幾何形狀的整體燒結式PCD刀具。
設計復合材料加工刀具時,需要使切削力最小化,尤其在鉆削加工中,避免材料分層剝離極為重要。肯納公司高級工程師Karthik Sampath解釋說,“分層剝離通常發生在刀具鉆出工件時,此時軸向推力會對下表面的疊層施加壓力。分層剝離也容易產生在刀具鉆入工件上表面時。”盡管材料的分層剝離與軸向推力有關,但肯納公司認為,纖維的位置不同以及材料中存在孔隙也會造成分層剝離。加工金屬材料時,切屑的剪切和成形可以是均勻一致的,而復合材料的加工則有所不同,它需要切斷纖維,同時還要對基質材料進行剪切。
為了以最小的刀具磨損實現無毛刺切削,肯納公司對刀具的幾何結構進行了優化設計。Sampath指出,“我們的試驗正明,鉆削復合材料時需要采用大的螺旋角、大的后角和大的齒隙角,以使刀具較容易切入工件。”尤其需要重視切削刃后角的設計。在一次分別采用10°、20°和36°后角的對比切削試驗中,隨著刀具后角的增大,被加工孔的質量明顯改善。刀具的鋒利度也至關重要,“我們的試驗結果表明,刀具在涂層前具有鋒利的切削刃(刀尖圓弧半徑≤10µm),就可以獲得最佳加工效果”。
在刀具材料方面,肯納公司推薦采用整體燒結式PCD鉆頭和低鈷鋼金剛石涂層鉆頭。據Sampath 介紹,與未涂層的硬質合金鉆頭相比,金剛石涂層鉆頭的壽命可以提高10倍;在某些情況下,金剛石涂層鉆頭可比PCD鉆頭的壽命提高50%。“為了獲得最好的耐磨性和最佳切削性能,我們推薦采用厚度為12µm 金剛石涂層。較薄的涂層可能導致切削刃崩刃,而更厚的涂層需要增加額外的成本,性價比較差。”肯納公司為加工復合材料,開發了B531和B532系列鉆頭。
Emuge公司銑削產品經理Stephen Jean也同意,設計能使切削壓力最小化的刀具.幾何形狀對于復合材料的無毛刺切削至關重要,“我們的立銑刀具有獨特的外形,與傳統的硬質合金立銑刀相比,更像是一把螺紋銑刀。該銑刀包含兩個分離的鋸齒狀切削刃,一個刀刃向上切削,另一個刀刃向下切削。刀刃旋轉時,其效果類似于剪刀的剪切運動,可高效銑削基質材料,同時剪切纖維,并能避免磨損效應。”Emuge公司也為加工復合材料提供PCD立銑刀和刀片,以及各種CVD金剛石涂層硬質合金刀片及立銑刀。
Laeh Diamond公司為切削復合材料開發了多種鉆頭、立銑刀和刀頭。該公司加工工程師Jason Lindsey介紹說,該公司只生產采用PCD焊接刀片和CVD金剛石涂層的刀具。據稱,他們的切削試驗顯示,CVD金剛石涂層刀具的壽命比普通硬質合金刀具延長了20倍以上。“關鍵在于刀具必須有足夠大的表面積,以便將PCD刀片焊接在上面。因此,對于直徑小于4mm的鉆頭,我們推薦采用CVD金剛石涂層;對于直徑大于4mm的鉆頭,我們推薦焊接PCD鉆尖。”PCD刀具除了具有較長的壽命以外,還能對刀片進行重磨和調整后重復使用。

圖1 Lach公司設計的Z型立銑刀
Z型立銑刀是Lach公司設計的復合材料加工刀具的一個實例(圖1)。該銑刀設計用于周邊粗銑加工,其特點是PCD刀頭的分布具有變化的剪切角,可控制切削力。該公司開發的刀具包括插銑用和非插銑用刀具。Lindsey解釋說,在圍繞復合材料進行周邊銑削時,這種設計可使較薄的、不穩定的碳纖維基層避免快速上下振動。為了獲得最佳切削效果,推薦的切削速度為2200~3000fpm(670~914m/min)。Lach公司還生產其他4種用于切削復合材料的刀具:用于精銑加工內外輪廓的M型立銑刀;為周邊銑削凱夫拉爾纖維材料而設計的P型正前角雙槽立銑刀;用于周邊半精銑加工的C 型雙槽立銑刀;以及用于蒙皮面板加工的WA型雙槽立銑刀。WA型銑刀的上下往復式剪切可以抵消切削力,降低切削壓力,從而避免復合材料分層剝離。
刀具供應商通常是將復合材料加工刀具作為定制產品而不是標準目錄產品來設計。目前,山特維克可樂滿公司的所有復合材制擊口工刀具都是定制開發的。該公司加工管理經理Francis Richt表示,在如今的市場上,主導切削數據的要素包括工件質量、表面要求、加工成本以及材料成分。在航空制造領域,復合材料的廣泛使用、加工機床的多樣性,使復合材料的切削條件苛刻,并需要專門定制刀具。Richt先生也同意,對疊層材料進行一次完成的鉆削加工特別富有挑戰性。
最近,山特維克可樂滿公司推出了用于鉆削加工復合材料的CorooDrill R854。這種鉆頭用細顆粒硬質合金制造,并采用了金剛石涂層,其幾何結構的設計可減小軸向切削力。視加工要求和加工材料的不同,該公司還可提供硬質合金鉆頭和PCD鉆頭。對于碳纖維復合材料(CFRP)的表面加工、邊緣加工和修整加工,該公司不僅供應刀具,而且還提供加工解決方案,包括各種焊接式或可轉位式銑削刀具。銑削工藝和刀具解決方案右沂良大程度上取決于機床的類型,即加工時采用并聯結構機床(PKM)、數控機床還是機器人。

圖2 AMAMCO公司設計的復合材料加工刀具
AMAMCO公司是另一個看好復合材料發展前景的定制刀具供應商,該公司設計的刀具是對這一日益擴大市場的回應(圖2)。據AMAMCO公司經理Andrew Gulpin介紹,該公司的復合材料鉆頭具有非常小的鉆尖,并逐漸變粗到主直徑。當小鉆尖鉆入工件時,實際上在復合材料中產生了一種碎裂效應;當錐形鉆尖繼續加工鉆出該孔時,又對碎裂處進行了光整清理。通過這兩種動作,就能獲得無分層、無碎裂的無毛刺(光潔)孔。該公司還提供用于鉆削由碳纖維增強復合材料和鋁合金(或鈦合金)構成的疊層材料的刀具。Gulpin認為,沒有一種刀具設計能夠滿足疊層中所有類型材料的加工要求,為了保證孔的加工質量,就只有犧牲刀具壽命。他指出,未涂層刀具通常最適合加工壓合疊層材料。
目前,AMAMCO公司使用的唯一一種涂層是由Diamond Tool Cutters公司提供的DiaTiger涂層。Diamond Tool Cutters公司總裁Roger Bollier認為,金剛石涂層用于復合材料加工時性能卓越。金剛石導熱性能優異,同時具有化學隋性,在切削高溫下不會與復合材料中使用的樹脂發生化學反應。此外,它還具有極低的摩擦系數。金剛石涂層工藝通常采用粒度較大的聚晶結構與1µm厚的納米金剛石結構交替涂層,而不是采用單一的金剛石涂層。這種交替涂層可以阻止裂紋從涂層表面向基體內擴展,而這種裂紋擴展正是涂層失效的首要原因。晶粒較大的聚晶涂層中的裂紋趨于向垂直于表面的方向生長,而納米晶體涂層中的裂紋趨于沿45°方向延伸。交替涂層通過不斷改變裂紋從一層到另一層的擴展角,從而抑制裂紋擴展。頂層的納米金剛石涂層(晶粒直徑僅為0.01µm)可以提供光滑的表面。
Bollier介紹了應用于圓形刀具和刀片的涂層,其基體局限于含鉆量6%的硬質合金基體。DiaTiger CVD涂層刀具在發生磨損后一般不能重磨,盡管Bollier也指出了鉆頭被重磨鉆尖的實例。Bollier指出,“隨著航空制造業朝著復合材料工業化大規模加工的方向發展,金剛石涂層的應用正被越來越多地接受。我們目前關注的重點是縮短涂層蝴冗積時間。現在沉積厚度為12µm 的涂層通常需耗時20~60小時,縮短沉積時間將使金剛石涂層更具吸引力。”

圖3 鉆削加工復合材料的一些問題包括:分層剝離、切削刃跳動、毛刺、纖維暴露和未能切除
歐士機公司(OSG Tap and Die)也為復合材料的加工定制設計刀具。該公司制造用于加工復合材料的鉆頭、立銑刀、銑刀刀頭和鉸刀等。該公司高級加工工程師Tod Petrik介紹說,每一種復合材料的加工可能都不相同,因此必須調整刀具設計以獲得最佳性能。目前,OSG可提供未涂層硬質合金刀具、PCD焊接刀具和金剛石涂層刀具。“為用戶定制刀具使我們能自由地為獲得最佳性能而調整刀具設計。舉例來說,當用戶的生產需求發生變化時,為了持續提高用戶的生產率,我們在短短幾個月內將鉆頭設計修改了三次。而對于標準化的產品,要在兩個月內修改三次設計是很困難的。”通過控制鉆尖設計、螺旋角、徑向前角和鉆頭橫刃厚度,可以實現特定的加工約束,“例如,為了控制工件下表面孔的出口處的分層剝離,我們經常需要改變鉆頭的螺旋角。用于安裝緊固件的孔通常需要倒棱,因此用戶并不擔心孔的入口處的質量。通過與正確的物理設計特征相結合,在那些通常容易發生分層剝離的部位,我們可以保持刀具的推力小于30N。”
Petrik說,“我們更看好CVD金剛石涂層硬質合金刀具,因為借助CVD工藝,可以對各種復雜多變的刀具幾何形狀進行涂層,與鑲PCD刀尖的刀具相比,我們可以有更大的設計自由度。”但他也表示,如果加工需要,他們也會供應PCD刀具。該公司更青睞CVD涂層的原因之一是OSG擁有自己專有的CVD工藝。利用這種低成本涂層工藝,可以對磨損的刀具進行重新涂層,而不是扔掉,即刀具可以重磨和再使用。
PCD能否用于制造具有復雜幾何形狀的刀具?Mega Diamond 公司產品設計經理Scott Horman指出,將PCD應用于切削刀具的傳統方式是對沉積的PCD復合片進行切割并將其焊接到刀具上。這種方式不僅局限了切削刃的幾何形狀設計,而且由于焊接點靠近溫度很高的切削表面,容易導致刀具失效。一個解決方案是:首先加工出硬質合金銑刀和鉆頭的刀坯,在刀坯上成形加工出復雜幾何形狀或切出凹槽,然后將金剛石粉末填入這些凹槽中并燒結成PCD 。經過開槽和刃磨,就可以用這些混合材料刀坯制造出具有復雜幾何尺寸的刀具。與傳統的PCD焊接刀具相比,這種整體燒結式PCD刀具的焊接點遠離切削表面,因此減少了因焊接點失效而引起的刀具失效。MegaDiamond公司將經過半精加工的刀坯提供給合作企業,然后由他們進行刀具開槽和刃磨,獲得刀具的最終幾何形狀。
從機床的角度來看,切削復合材料具有一定優勢。“你可以用比切削金屬(尤其是鈦合金)以及(在某種程度上)鋼或鑄鐵時快得多的表面速度進行切削。加工復合材料時,我們以最大主軸速度運行,可達數千英尺/每分鐘,與加工鈦合金時的200~500fpm(61~152m/min)相比,相差懸殊。”MAG Cincinnati公司的加工經理Mike Sess如是說。他也認為,鉆削復合材料時,“鉆出”是個問題,“有時我們在復合材料背面加一個墊層,當復合材料被鉆通時,可以對材料起到支撐作用”。為了保護刀具免受磨損和高溫影響,Sess推薦采用PCD焊接刀具(看來他不是CVD金剛石涂層的愛好者)。
他認為,還有一些需要注意的問題,“我們發現,有時在刀具釬焊接頭處,復合材料中的纖維會被剔出;或者,如果在干切削狀態下運行,有時熱量可能會使得焊接處熔化。”在后一種情況下,使用冷卻液會有幫助。不過,有些復合材料可能會與冷卻液(特別是油基冷卻液)發生反應而造成污染殘留,或者需要用戶在加工后進行其它操作以清洗工件。
由于過大的切削推力和摩擦會導致材料分層剝離,那么能否利用不同的切削加工概念來解決某些問題呢?考慮一下帶螺旋插補運動的偏心式鉆削技術。由瑞典Novator公司開發和擁有專利的偏心式鉆削裝置有一個獨立的主軸,它使鉆頭在繞自身軸線旋轉的同時還能圍繞其中心軸轉動。肯納公司的Sampath 介紹說,該公司開發了一系列具有專有幾何形狀設計、基體材料和涂層的刀具,為Novator的偏心式鉆削裝置配套。與麻花鉆相比,肯納刀具的多槽設計可以減小軸向壓力。
MAG Cincinnati公司的Sess認為,螺旋插補對于復合材料加工是一種很呼的切削策略。“在我們的小型機床上,我們實際上可以通過螺旋插補運動來提高復合材料加工效率。但在我們的大型機床上,我們更愿意直接在機床主軸上安裝Novator偏心式鉆削裝置,我們能惻故到這一點。”

圖4 偏心式鉆削原理

圖5 偏心式鉆削靈活應用

鏈接1 : Novator偏心式鉆削技術

Novator公司擁有專利的偏心式鉆削技術(Orbital Drilling™)是基于切削刀具在繞其自身軸線旋轉的同時,還圍繞一個中心軸線轉動,而該中心軸線與刀具軸線之間存在偏移。因此,刀具可以既作軸向運動進行鉆削或孔加工,同時又作任意橫向運動以加工開口或凹腔。
通過調整偏移量,可用一個具有特定直徑的刀具去鉆削不同直徑的孔(圖4),這意味著可以大大減少刀具庫存。
目前該產品可分為兩個系列:①計算機數控(CNC)偏心式鉆削裝置,可通過編程設定不同的偏積偏心量;②可編程邏輯控制(PLC)偏心式鉆削裝置,可以手動調整偏柳偏心量。
由CNC控制偏移的偏心式鉆削裝置可以采用各種方式確定和優化鉆削過程,這就使圖5所示的各種形式靈活的可控偏心鉆削加工(如用相同直徑和設置的直槽鉆頭鉆削一個復雜形狀的孔并完成精加工操作)成為可能。

鏈接2:整體燒結式PCD鉆頭

整體燒結式PCD鉆頭于1987年獲得專利并應用于印刷電路板行業。從那時以來,此類刀具已在醫療、陶瓷、硬質合金坯料、金屬基復合材料、汽車和航空工業中得到廣泛應用。
整體燒結式PCD鉆頭的制造是在硬質合金坯料上磨出窄槽,并在槽中填滿金剛石粉末,然后在高溫高壓下通過PCD燒結工藝進行燒結,其最終產品即為帶有條紋狀PCD的硬質合金刀坯。這種條紋結構可被磨削成切削刀具所需的任意幾何形狀,因此,用這種刀坯可磨制出具有PCD切削刃的刀具。
整體燒結式PCD鉆頭的優勢在于可以形成正角切削幾何形狀,也能制成小尺寸鉆頭。普通的PCD鉆頭是將PCD復合片通過銀焊焊接到刀體上,這種刀具不具有正角切削幾何形狀,而且受到焊接接頭面積的隅制,鉆頭尺寸不可能做得太小。

英文原文

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