加工复合材料的切削刀具
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与金属切削相比,复合材料的加工提出了独特的挑战。增韧纤维的磨蚀性使刀具寿命缩短。与金属切屑不同,塑料基质带走的热量很少,而温度过高可能会使基质熔化。复合材料容易分层剥离,加工产生的毛刺和纤维表明钻削的孔或铣削的边缘质量很差。
与金属切削相比,复合材料的加工提出了独特的挑战。增韧纤维的磨蚀性使刀具寿命缩短。与金属切屑不同,塑料基质带走的热量很少,而温度过高可能会使基质熔化。复合材料容易分层剥离,加工产生的毛刺和纤维表明钻削的孔或铣削的边缘质量很差。
其他挑战还包括对由复合材料与钛合金(或铝合金)组成的压合叠层材料进行加工和钻削。研发出可一次完成对这种叠层材料钻孔加工的刀具特别困难。设计复合材料切削刀具的常用策略包括采用非涂层硬质合金刀具、CVD金刚石涂层刀具、以PCD作为刀刃或刀头的焊接刀具等。传统的PCD刀具是通过将金刚石晶体烧结嵌入金属基体制成,刀具的切削部分被切割成所需形状,并焊接(或烧结)在硬质合金刀柄上。传统的PCD刀具在刀具几何形状上受到一定局限,不过现在已有一些公司可以提供具有更复杂几何形状的整体烧结式PCD刀具。
设计复合材料加工刀具时,需要使切削力最小化,尤其在钻削加工中,避免材料分层剥离极为重要。肯纳公司高级工程师Karthik Sampath解释说,“分层剥离通常发生在刀具钻出工件时,此时轴向推力会对下表面的叠层施加压力。分层剥离也容易产生在刀具钻入工件上表面时。”尽管材料的分层剥离与轴向推力有关,但肯纳公司认为,纤维的位置不同以及材料中存在孔隙也会造成分层剥离。加工金属材料时,切屑的剪切和成形可以是均匀一致的,而复合材料的加工则有所不同,它需要切断纤维,同时还要对基质材料进行剪切。
为了以最小的刀具磨损实现无毛刺切削,肯纳公司对刀具的几何结构进行了优化设计。Sampath指出,“我们的试验正明,钻削复合材料时需要采用大的螺旋角、大的后角和大的齿隙角,以使刀具较容易切入工件。”尤其需要重视切削刃后角的设计。在一次分别采用10°、20°和36°后角的对比切削试验中,随着刀具后角的增大,被加工孔的质量明显改善。刀具的锋利度也至关重要,“我们的试验结果表明,刀具在涂层前具有锋利的切削刃(刀尖圆弧半径≤10µm),就可以获得最佳加工效果”。
在刀具材料方面,肯纳公司推荐采用整体烧结式PCD钻头和低钴钢金刚石涂层钻头。据Sampath 介绍,与未涂层的硬质合金钻头相比,金刚石涂层钻头的寿命可以提高10倍;在某些情况下,金刚石涂层钻头可比PCD钻头的寿命提高50%。“为了获得最好的耐磨性和最佳切削性能,我们推荐采用厚度为12µm 金刚石涂层。较薄的涂层可能导致切削刃崩刃,而更厚的涂层需要增加额外的成本,性价比较差。”肯纳公司为加工复合材料,开发了B531和B532系列钻头。
Emuge公司铣削产品经理Stephen Jean也同意,设计能使切削压力最小化的刀具.几何形状对于复合材料的无毛刺切削至关重要,“我们的立铣刀具有独特的外形,与传统的硬质合金立铣刀相比,更像是一把螺纹铣刀。该铣刀包含两个分离的锯齿状切削刃,一个刀刃向上切削,另一个刀刃向下切削。刀刃旋转时,其效果类似于剪刀的剪切运动,可高效铣削基质材料,同时剪切纤维,并能避免磨损效应。”Emuge公司也为加工复合材料提供PCD立铣刀和刀片,以及各种CVD金刚石涂层硬质合金刀片及立铣刀。
Laeh Diamond公司为切削复合材料开发了多种钻头、立铣刀和刀头。该公司加工工程师Jason Lindsey介绍说,该公司只生产采用PCD焊接刀片和CVD金刚石涂层的刀具。据称,他们的切削试验显示,CVD金刚石涂层刀具的寿命比普通硬质合金刀具延长了20倍以上。“关键在于刀具必须有足够大的表面积,以便将PCD刀片焊接在上面。因此,对于直径小于4mm的钻头,我们推荐采用CVD金刚石涂层;对于直径大于4mm的钻头,我们推荐焊接PCD钻尖。”PCD刀具除了具有较长的寿命以外,还能对刀片进行重磨和调整后重复使用。

图1 Lach公司设计的Z型立铣刀
Z型立铣刀是Lach公司设计的复合材料加工刀具的一个实例(图1)。该铣刀设计用于周边粗铣加工,其特点是PCD刀头的分布具有变化的剪切角,可控制切削力。该公司开发的刀具包括插铣用和非插铣用刀具。Lindsey解释说,在围绕复合材料进行周边铣削时,这种设计可使较薄的、不稳定的碳纤维基层避免快速上下振动。为了获得最佳切削效果,推荐的切削速度为2200~3000fpm(670~914m/min)。Lach公司还生产其他4种用于切削复合材料的刀具:用于精铣加工内外轮廓的M型立铣刀;为周边铣削凯夫拉尔纤维材料而设计的P型正前角双槽立铣刀;用于周边半精铣加工的C 型双槽立铣刀;以及用于蒙皮面板加工的WA型双槽立铣刀。WA型铣刀的上下往复式剪切可以抵消切削力,降低切削压力,从而避免复合材料分层剥离。
刀具供应商通常是将复合材料加工刀具作为定制产品而不是标准目录产品来设计。目前,山特维克可乐满公司的所有复合材制击口工刀具都是定制开发的。该公司加工管理经理Francis Richt表示,在如今的市场上,主导切削数据的要素包括工件质量、表面要求、加工成本以及材料成分。在航空制造领域,复合材料的广泛使用、加工机床的多样性,使复合材料的切削条件苛刻,并需要专门定制刀具。Richt先生也同意,对叠层材料进行一次完成的钻削加工特别富有挑战性。
最近,山特维克可乐满公司推出了用于钻削加工复合材料的CorooDrill R854。这种钻头用细颗粒硬质合金制造,并采用了金刚石涂层,其几何结构的设计可减小轴向切削力。视加工要求和加工材料的不同,该公司还可提供硬质合金钻头和PCD钻头。对于碳纤维复合材料(CFRP)的表面加工、边缘加工和修整加工,该公司不仅供应刀具,而且还提供加工解决方案,包括各种焊接式或可转位式铣削刀具。铣削工艺和刀具解决方案右沂良大程度上取决于机床的类型,即加工时采用并联结构机床(PKM)、数控机床还是机器人。

图2 AMAMCO公司设计的复合材料加工刀具
AMAMCO公司是另一个看好复合材料发展前景的定制刀具供应商,该公司设计的刀具是对这一日益扩大市场的回应(图2)。据AMAMCO公司经理Andrew Gulpin介绍,该公司的复合材料钻头具有非常小的钻尖,并逐渐变粗到主直径。当小钻尖钻入工件时,实际上在复合材料中产生了一种碎裂效应;当锥形钻尖继续加工钻出该孔时,又对碎裂处进行了光整清理。通过这两种动作,就能获得无分层、无碎裂的无毛刺(光洁)孔。该公司还提供用于钻削由碳纤维增强复合材料和铝合金(或钛合金)构成的叠层材料的刀具。Gulpin认为,没有一种刀具设计能够满足叠层中所有类型材料的加工要求,为了保证孔的加工质量,就只有牺牲刀具寿命。他指出,未涂层刀具通常最适合加工压合叠层材料。
目前,AMAMCO公司使用的唯一一种涂层是由Diamond Tool Cutters公司提供的DiaTiger涂层。Diamond Tool Cutters公司总裁Roger Bollier认为,金刚石涂层用于复合材料加工时性能卓越。金刚石导热性能优异,同时具有化学隋性,在切削高温下不会与复合材料中使用的树脂发生化学反应。此外,它还具有极低的摩擦系数。金刚石涂层工艺通常采用粒度较大的聚晶结构与1µm厚的纳米金刚石结构交替涂层,而不是采用单一的金刚石涂层。这种交替涂层可以阻止裂纹从涂层表面向基体内扩展,而这种裂纹扩展正是涂层失效的首要原因。晶粒较大的聚晶涂层中的裂纹趋于向垂直于表面的方向生长,而纳米晶体涂层中的裂纹趋于沿45°方向延伸。交替涂层通过不断改变裂纹从一层到另一层的扩展角,从而抑制裂纹扩展。顶层的纳米金刚石涂层(晶粒直径仅为0.01µm)可以提供光滑的表面。
Bollier介绍了应用于圆形刀具和刀片的涂层,其基体局限于含钻量6%的硬质合金基体。DiaTiger CVD涂层刀具在发生磨损后一般不能重磨,尽管Bollier也指出了钻头被重磨钻尖的实例。Bollier指出,“随着航空制造业朝着复合材料工业化大规模加工的方向发展,金刚石涂层的应用正被越来越多地接受。我们目前关注的重点是缩短涂层蝴冗积时间。现在沉积厚度为12µm 的涂层通常需耗时20~60小时,缩短沉积时间将使金刚石涂层更具吸引力。”

图3 钻削加工复合材料的一些问题包括:分层剥离、切削刃跳动、毛刺、纤维暴露和未能切除
欧士机公司(OSG Tap and Die)也为复合材料的加工定制设计刀具。该公司制造用于加工复合材料的钻头、立铣刀、铣刀刀头和铰刀等。该公司高级加工工程师Tod Petrik介绍说,每一种复合材料的加工可能都不相同,因此必须调整刀具设计以获得最佳性能。目前,OSG可提供未涂层硬质合金刀具、PCD焊接刀具和金刚石涂层刀具。“为用户定制刀具使我们能自由地为获得最佳性能而调整刀具设计。举例来说,当用户的生产需求发生变化时,为了持续提高用户的生产率,我们在短短几个月内将钻头设计修改了三次。而对于标准化的产品,要在两个月内修改三次设计是很困难的。”通过控制钻尖设计、螺旋角、径向前角和钻头横刃厚度,可以实现特定的加工约束,“例如,为了控制工件下表面孔的出口处的分层剥离,我们经常需要改变钻头的螺旋角。用于安装紧固件的孔通常需要倒棱,因此用户并不担心孔的入口处的质量。通过与正确的物理设计特征相结合,在那些通常容易发生分层剥离的部位,我们可以保持刀具的推力小于30N。”
Petrik说,“我们更看好CVD金刚石涂层硬质合金刀具,因为借助CVD工艺,可以对各种复杂多变的刀具几何形状进行涂层,与镶PCD刀尖的刀具相比,我们可以有更大的设计自由度。”但他也表示,如果加工需要,他们也会供应PCD刀具。该公司更青睐CVD涂层的原因之一是OSG拥有自己专有的CVD工艺。利用这种低成本涂层工艺,可以对磨损的刀具进行重新涂层,而不是扔掉,即刀具可以重磨和再使用。
PCD能否用于制造具有复杂几何形状的刀具?Mega Diamond 公司产品设计经理Scott Horman指出,将PCD应用于切削刀具的传统方式是对沉积的PCD复合片进行切割并将其焊接到刀具上。这种方式不仅局限了切削刃的几何形状设计,而且由于焊接点靠近温度很高的切削表面,容易导致刀具失效。一个解决方案是:首先加工出硬质合金铣刀和钻头的刀坯,在刀坯上成形加工出复杂几何形状或切出凹槽,然后将金刚石粉末填入这些凹槽中并烧结成PCD 。经过开槽和刃磨,就可以用这些混合材料刀坯制造出具有复杂几何尺寸的刀具。与传统的PCD焊接刀具相比,这种整体烧结式PCD刀具的焊接点远离切削表面,因此减少了因焊接点失效而引起的刀具失效。MegaDiamond公司将经过半精加工的刀坯提供给合作企业,然后由他们进行刀具开槽和刃磨,获得刀具的最终几何形状。
从机床的角度来看,切削复合材料具有一定优势。“你可以用比切削金属(尤其是钛合金)以及(在某种程度上)钢或铸铁时快得多的表面速度进行切削。加工复合材料时,我们以最大主轴速度运行,可达数千英尺/每分钟,与加工钛合金时的200~500fpm(61~152m/min)相比,相差悬殊。”MAG Cincinnati公司的加工经理Mike Sess如是说。他也认为,钻削复合材料时,“钻出”是个问题,“有时我们在复合材料背面加一个垫层,当复合材料被钻通时,可以对材料起到支撑作用”。为了保护刀具免受磨损和高温影响,Sess推荐采用PCD焊接刀具(看来他不是CVD金刚石涂层的爱好者)。
他认为,还有一些需要注意的问题,“我们发现,有时在刀具钎焊接头处,复合材料中的纤维会被剔出;或者,如果在干切削状态下运行,有时热量可能会使得焊接处熔化。”在后一种情况下,使用冷却液会有帮助。不过,有些复合材料可能会与冷却液(特别是油基冷却液)发生反应而造成污染残留,或者需要用户在加工后进行其它操作以清洗工件。
由于过大的切削推力和摩擦会导致材料分层剥离,那么能否利用不同的切削加工概念来解决某些问题呢?考虑一下带螺旋插补运动的偏心式钻削技术。由瑞典Novator公司开发和拥有专利的偏心式钻削装置有一个独立的主轴,它使钻头在绕自身轴线旋转的同时还能围绕其中心轴转动。肯纳公司的Sampath 介绍说,该公司开发了一系列具有专有几何形状设计、基体材料和涂层的刀具,为Novator的偏心式钻削装置配套。与麻花钻相比,肯纳刀具的多槽设计可以减小轴向压力。
MAG Cincinnati公司的Sess认为,螺旋插补对于复合材料加工是一种很呼的切削策略。“在我们的小型机床上,我们实际上可以通过螺旋插补运动来提高复合材料加工效率。但在我们的大型机床上,我们更愿意直接在机床主轴上安装Novator偏心式钻削装置,我们能恻故到这一点。”

图4 偏心式钻削原理

图5 偏心式钻削灵活应用

链接1 : Novator偏心式钻削技术

Novator公司拥有专利的偏心式钻削技术(Orbital Drilling™)是基于切削刀具在绕其自身轴线旋转的同时,还围绕一个中心轴线转动,而该中心轴线与刀具轴线之间存在偏移。因此,刀具可以既作轴向运动进行钻削或孔加工,同时又作任意横向运动以加工开口或凹腔。
通过调整偏移量,可用一个具有特定直径的刀具去钻削不同直径的孔(图4),这意味着可以大大减少刀具库存。
目前该产品可分为两个系列:①计算机数控(CNC)偏心式钻削装置,可通过编程设定不同的偏积偏心量;②可编程逻辑控制(PLC)偏心式钻削装置,可以手动调整偏柳偏心量。
由CNC控制偏移的偏心式钻削装置可以采用各种方式确定和优化钻削过程,这就使图5所示的各种形式灵活的可控偏心钻削加工(如用相同直径和设置的直槽钻头钻削一个复杂形状的孔并完成精加工操作)成为可能。

链接2:整体烧结式PCD钻头

整体烧结式PCD钻头于1987年获得专利并应用于印刷电路板行业。从那时以来,此类刀具已在医疗、陶瓷、硬质合金坯料、金属基复合材料、汽车和航空工业中得到广泛应用。
整体烧结式PCD钻头的制造是在硬质合金坯料上磨出窄槽,并在槽中填满金刚石粉末,然后在高温高压下通过PCD烧结工艺进行烧结,其最终产品即为带有条纹状PCD的硬质合金刀坯。这种条纹结构可被磨削成切削刀具所需的任意几何形状,因此,用这种刀坯可磨制出具有PCD切削刃的刀具。
整体烧结式PCD钻头的优势在于可以形成正角切削几何形状,也能制成小尺寸钻头。普通的PCD钻头是将PCD复合片通过银焊焊接到刀体上,这种刀具不具有正角切削几何形状,而且受到焊接接头面积的隅制,钻头尺寸不可能做得太小。

英文原文

  • Cutting Tools for Composites
  • 本文作者:胡红兵(编译)
    原载:《工具展望》2009年第3期
    上载于:2011-1-5 11:45:35

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