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金刚石刀具促进复合材料钻孔加工应用的发展
发布时间:2015-10-21 16:36

碳纤维增强复合材料(CFRP)具有极高的强度重量比,并且在极端条件下具有稳定的材料属性,因此在全球航天航空行业内有着广泛的应用。这种材料可以单独使用,也可以与钛板和铝板配合使用。举例而言,波音787 梦幻客机 80% 的制造材料为复合材料,相当于其重量的 50%,可以减少1,500 张铝板和 50,000个固定件的使用。与波音 767 相比,可以节省 20% 的燃油消耗。目前,类如胶粘和焊接之类的联接技术还有很多问题;因此,铆接固定技术在实际应用中依然占有主流地位。因为碳纤维材料和金属材料的机械性能有极大的差别,在对紧固孔进行有效的钻孔加工时,需要使用具有高耐磨性和优化槽型的切削刀具产品。

在加工航天航空行业内的零配件时,多晶金刚石(PCD)刀具要比传统的碳化钨硬质合金刀具有更高的加工效率。一些领先的刀具制造商正在开发并生产 PCD 钎焊钻头产品。这些刀具产品的切削刃采用 PCD 材料,钻体部分为整体硬质合金材料。硬质合金钻体有很好的刚性和尺寸精度,确保钻孔的加工质量,同时具有内部螺旋冷却通道,螺旋式排屑槽可以提高冷却性能和排屑性能,这些特性对钻孔加工是非常必要的。位于功能区的切削刃部分采用 PCD 材料,具有极好的耐磨性,提高加工效率。

优化的刀具设计具有关键性的作用,在加工先进的航天航空复合材料时可以确保极好的钻孔质量。在刀具尺寸设计中,很多必要因素对钻孔质量都起着重大的影响作用,例如,为了降低切削力而提高刀尖半径的锐度,增大前角等。其它因素还包括,为了减小推进力,以及避免纤维材料的撕裂现象而减小钻尖角度,为了改善毛口高度控制性能而优化刃口设计。机床刀具、主轴及整体刀具的刚性、刀柄、内冷或射流冷却方式,以及钻孔工件材料在刀具设计过程中也都是需要考虑的重要因素。在多数情况下,为了满足客户的不同需求,需要为客户及时提供定制刀具产品。为了开发一款高性能的 PCD 刀具产品,在考虑综合因素的情况下进行深入的研究。这种开发过程不仅决定了刀具的性能,还对刀具的加工效率和成本起到了重要的影响作用。

这款展示的钻头产品另一个优势在于其具备内冷性能。在对纯 CFRP板材进行钻孔时,在压缩空气的作用下,内冷孔可以促进 CFRP 切屑经钻头排屑槽快速排出。在对 CFRP/钛层叠板材料进行加工时,可以通过密封的内部冷却通道进行微量润滑(MQL),在促进润滑的同时还可以降低在钛材料加工中形成的高热,因为这种材料的热传导率较低。在使用 PCD 刀具进行钻孔加工时,微量润滑是绝对必要的;否则切削刃部位形成的高热会导致石墨化,或相应形成碳化钛。这种反应会形成排屑槽部位出现化学磨耗,最终会导致排屑槽内的 PCD 材料崩裂。

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