切削工具必须与基体材料、纤维增强材料相匹配
Iscar 的 EPN-F 系列坚硬而锋利的整体硬质合金立铣刀的铣刀齿分为用于在加工 CFRP 和蜂窝复合材料时分配立铣刀和工件上的载荷的截面，以延长刀具寿命并改善表面光洁度。碳纤维增强聚合物 (CFRP) 复合材料具有高强度重量比的重要性能优势、耐用性和极端耐腐蚀性的轻型结构，特别适用于要求苛刻的航空航天和石油和天然气工业应用。根据所选择的基体材料和纤维增强材料的组合，加工难度可能会有很大差异。由于应用广泛，没有两种 CFRP 材料ls 完全一样。据 Precorp Inc.（西班牙福克，犹他州）2013 年成立于山特维克可乐满的公司称，通过改变基体配方、纤维类型、含量、取向、堆积和成型方法，每种复合材料都可以呈现不同的特性组织。
使加工更加复杂的是，不同强度和物理特性的材料堆叠可以分层组合，以用于高度专业化和有针对性的用途。根据肯纳金属公司的复合材料加工指南，纤维增强材料包括碳纤维/石墨纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维、聚合物纤维和钨纤维。聚合物基体材料包括环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺和聚醚醚酮 (PEEK)。
CFRP/CFRP 和 CFRP/金属材料的加工特性受纤维的磨损性、纤维尺寸、纤维直径、纤维长度、纤维体积（百分比）和纤维布局、单向或织物编织。例如简单地说，纤维的磨蚀性随着强度和直径的增加而增加。短纤维倾向于分层，单向层状复合材料也是如此。为了应对分层趋势，Kennametal 开发了可在材料表面的顶部和底部产生切削力的压缩式刳刨机，以及其他工具，包括毛刺式刳刨机、下切式刳刨机和球端刳刨机。
夹层复合层带来切割挑战
为了提供更轻、更坚固、更具成本效益的产品，制造商不断开发和应用高性能工件材料。据 Seco Tools LLC（密歇根州特洛伊）的教育和技术服务经理 Don Graham 说，夹层复合材料是这种趋势的一个很好的例子。以下是 Graham 对复合材料加工现状的评估：
Seco JC840 铣刀专为加工标准复合材料而设计，但最近，该公司专注于高效切割夹层复合材料的新工具技术。航空航天制造商尤其严重依赖飞机机翼蒙皮、机身部分、机舱壁和地板等关键部件中的夹层复合结构。然而，加工一堆不同强度和物理特性的材料会带来几层挑战。主要目标是避免弯曲或磨损核心结构或使面板分层。被切割不均匀或变形的夹层复合材料会失去强度，就像瓦楞纸板的折痕会破坏其刚性一样。
与瓦楞纸板一样，夹层复合材料由轻质核心结构组成，通常类似于 h 的六角形单元蜂窝状，由刚性面板支撑。根据强度要求，蜂窝电池可以由高科技纸、纸板、碳纤维增强塑料或铝制成。面板可以是纸、塑料、铝或钛，并粘合到蜂窝单元的开口端。夹层复合材料的元素之间的弯曲力、压缩力和剪切力的平衡导致材料重量轻、刚性好且非常坚固。
夹层复合材料部件通常是平面或略微弯曲的面板，厚度范围从0.250 至 0.500 英寸（6.35–12.7 毫米）。这些面板被制造成近乎最终的形状，并经过精加工以修剪外边缘、铣出寡妇窗和其他各种形状的开口和孔。对于精加工，车间必须使用专为此类夹层复合材料设计的高速立铣刀。
锋利的立铣刀切削刃和高切削速度是干净加工夹层复合材料垫的关键因素连载。这种情况很像切面包——切得太慢，面包会被压缩而不是切得很干净。而另一方面，快速移动、锋利的切削刃会产生干净的切口。在加工夹层复合材料时，低切削速度会使面板和蜂窝结构本身变形。
然而，高切削速度会产生热量，这会带来问题，因为夹层复合材料的许多成分都是热-敏感的。因此，轻微的径向啮合——大约为刀具直径的 5%——可以最大限度地减少热量的产生。出于同样的原因，进给率保持较低。尽管采用轻啮合和低进给率，但高切削速度有助于保持生产率。
例如，直径为 0.500 英寸（12.7 毫米）、径向啮合率为 10% 的山高 Jabro 860 整体硬质合金立铣刀将以 400 sfm (121 m/min) 的速度运行，进给率为 0.005 ipt (0.13 mm/t)。这些参数适用于夹层复合材料 wi内部 Ti-Al 蜂窝结构。
刀具几何形状还可以提高夹层复合材料的生产效率。例如，山高的 Jabro 860 立铣刀专为加工这些类型的复合材料而设计。该工具的双螺旋工具槽配置可消除纤维断裂、防止分层并改善零件边缘光洁度。当 Jabro 860 旋转时，工具下部的凹槽螺旋将材料向上推，而上部螺旋将材料向下推。相反且平衡的切削力可实现干净利落的切削作用。
夹层复合材料的成分可能具有磨蚀性，因此用于加工它们的刀具通常由微粒碳化物制成，以最大限度地提高边缘完整性和耐磨性.为了进一步抵抗磨损，一些切削刃采用了金刚石涂层。例如，山高的 DURA 薄金刚石涂层是通过 CVD 施加的，结合了低表面粗糙度以提供润滑性和高增强其耐磨性的粘附特性。涂层需要在工具工程中取得平衡，因为它足够薄以将对锋利度的影响降至最低，但又足够厚以提供耐磨性。
加工夹层复合材料的开放式结构和轻质材料特性需要非常低的切削力, 因此通常不需要高扭矩机床主轴。然而，大多数夹层复合材料零件都很大，例如膨胀的航空航天机翼蒙皮，切割它们的机器尺寸非常大，功率也很大。
业界正在研究加工夹层复合材料的不同方法，包括水射流和其他磨料切割方法。所有替代方案都有优点和缺点。最重要的是，夹层复合材料的完美加工至关重要，尤其是那些用于航空航天应用的复合材料。机翼蒙皮上的任何缺陷都可能是裂纹萌生点，而振动会导致飞机中的其他力会导致裂缝扩大。山高的 Graham 总结道，为了可靠性和安全性，制造商在加工夹层复合材料时将继续采用经过长期开发和验证的切削刀具和技术。
用于发动机、结构部件的复合材料
Iscar 用于复合材料钻孔的 SUMOCHAM ICF 钻头几何形状可提供低轴向力，以便在切割过程中顺利穿透而不会出现开裂现象。
复合材料用于航空航天应用可能包括用于框架结构部件的聚合物基复合材料和用于发动机应用的陶瓷基复合材料。 “由 GE、Pratt & Whitney 和 Rolls R 开发的陶瓷基复合材料用于最新飞机发动机的 oyce 提出了特殊的加工挑战，”复合材料行业专家 Linn Win 说，山特维克可乐满（新泽西州费尔劳恩）。 “陶瓷基复合材料具有极强的磨蚀性和脆性。增加加工难度的是所需的轻量化。当考虑到轻型应用的实际加工时，很难从轻型部件中获得成本节约优势，因为叶片和叶盘等复杂部件需要更昂贵的工具，”Win 说。
聚晶金刚石脉纹刀具是一种已被证明对加工复合材料非常有效的技术。 “PCD 因其在复合材料加工应用中的耐磨性能而非常出色，这可能会延长刀具寿命，但为了充分发挥 PCD 的潜力，刀具需要具有正切削几何形状，”Win 说。 “常规 brazed 工具，包括将 PCD 晶圆钎焊到凹槽中，最多允许形成微小的正角形状，而不是加工复合材料的最佳选择。山特维克可乐满的子公司 Precorp 生产的 PCD 脉纹刀具使 PCD 切削刀具能够制造出具有有效加工复合材料所需的高前角和螺旋角。
Precorp 的 PCD 脉纹刀具是如何制造的
在硬质合金毛坯上开槽并填充金刚石粉末。硬质合金毛坯被插入 Precorp 的一台高压高温压力机中，并承受 270°F (132.2°C) 和 876,000 psi (60,398 bar) 的压力。在这个过程中，金刚石粉末被压缩，金刚石晶体相互结合并结合到硬质合金坯料上。然后将 PCD 笔尖钎焊到硬质合金刀柄上。钎焊距离工具尖端足够远，以避免任何潜在的热损坏。这允许使用高温高强度笔尖和硬质合金柄之间的长度钎焊接头。磨削钻头几何形状以生产成品 PCD 刀具。该专利工艺允许使用传统 PCD 刀片工艺无法实现的许多刀具几何形状。
“我们发现，在陶瓷基复合材料的钻孔应用中，我们在进入时不会遇到太多问题材料;当我们退出材料时会出现问题。在出口表面，我们发现由于工具出口时施加到工件上的轴向压力很高，所以断裂可能很差。在不受支撑的环境中，材料的背面往往会爆裂，这可能会导致质量问题。在不受支撑的应用中，由于材料固有的脆性，我们认为没有一种有效的方法来加工陶瓷基复合材料，”Win 说。 “但我们发现，当我们使用 PCD 脉纹金刚石刀具应用正刀具几何形状时ing，您实际上可以减少施加的应力量，因为现在您拥有更自由的切削刃，并且能够以更低的推力生产所需的特征。”
Sandvik Precorp 88 系列脉纹 PCD 几何形状。“PCD 金刚石脉纹刀具可应用于几乎所有类型的机加工操作，”Win 说。 “对于框架的结构产品，我认为它更容易一些。我在钻碳纤维和钛叠层时发现，一旦清除碳材料并遇到钛材料界面，钛屑有时会划伤复合材料，再次可能导致质量问题。为了缓解这个问题，我们在钻孔循环中采用了微孔技术，允许e 形成较小的钛屑以清除。关于微啄的幅度，我们是在以毫米为单位进行讨论。在 360° 旋转中，啄距约为 0.1–0.2 毫米，频率为 1.5 至 2.5 微啄。微啄钻技术的作用是在钻孔循环中打碎钛屑，并允许适当排出更小、更易于处理的切屑。结果是我们用一个金刚石脉纹工具切割两种材料——复合材料和钛。”山特维克可乐满正在开发用于 CNC 应用的新型 88 系列几何形状 PCD 脉纹刀具和用于动力进给刀具的新型 86 系列。
由于应用广泛，没有两种 CFRP 材料是完全相同的。根据 Precorp 的说法，通过改变基体配方、纤维类型、含量、取向、堆积和成型方法，每种复合材料都可以呈现不同的特性。
加工复合材料的创新工具posite Materials
Iscar Metals Inc.（德克萨斯州阿灵顿）开发了一系列用于加工复合材料的新型刀具，包括可转位刀具和硬质合金刀具。由于切削刀具的强烈磨损会导致切削刀具几何形状的急剧恶化，从而导致性能问题，因此 Iscar R&D 将重点放在钻孔和铣削操作过程中可能导致分层的磨损上。为了显着提高切削工具在钻孔过程中的性能，伊斯卡开发了一种基于其 SUMOCHAM 产品线的可互换刀头的解决方案。专为复合材料钻孔而设计的新型 ICF 钻头几何形状可提供低轴向力，以便在切削过程中顺利穿透而不会出现开裂现象。新刀头基于新的硬质合金亚微米基体和金刚石涂层，可延长和可预测的刀具寿命。
用于复合材料的 SUMOCHAM 适用于任何类型的机器- 诸如 CNC 机床、机器人甚至动力进给机床 (ADU) 之类的工具，它们都可以使用特殊的螺纹连接器。快速更换头和高定位重复性可最大限度地减少机器停机时间。与长的全硬质合金钻头相比，带有金刚石涂层的相对较小的可转位钻头具有经济优势，而且易于库存管理。用于复合材料的 SUMOCHAM 系列目前涵盖的直径范围从 0.250 到 0.500″（6.35-12.7 毫米）。
伊斯卡还提供一系列整体硬质合金钻头，从 0.118″（3 毫米）开始。 CFD 系列的刀具几何形状设计有阶梯点和两个工作部分，显着改善了表面光洁度，并允许在非常难以加工的复合材料（如 RTM 或热塑性材料）上进行平滑切割。
对于铣削应用，多功能 Multi-Master 工具系统具有可互换的刀头，具有带钎焊 PCD 刀尖的硬质合金刀头。由于这种创新设计，加工后的复合材料工件的负载和切屑排出问题更少，表面光洁度也得到改善。这些刀具的主要应用是轨道铣削、修边和斜坡铣削。
另一个铣削系列 EPX 主要用于加工碳纤维增强聚合物 (CFRP)。该系列的压缩立铣刀具有相反的切削刃方向——沿一个槽的左右螺旋的组合。这种渐进式切削刃几何形状减少了分层并提高了铣削 CFRP 时的刀具性能，特别推荐使用该技术来提高进给率。
Iscar 的 EPN-F 系列硬质合金立铣刀的切削刃分为部分。这种设计可以更好地分配立铣刀和机加工工件上的载荷，从而延长刀具寿命并改善表面光洁度，尤其是在加工碳纤维和蜂窝复合材料时。
本文首次发表于 2016 年 9 月版的《制造工程》杂志。
