在底特律车展上展示的 1965 年谢尔比眼镜蛇 427 是由美国能源部橡树岭国家实验室 (ORNL) 在辛辛那提 BAAMCI 机器上增材制造的，该实验室是高级复合材料制造创新研究所的七个创始成员之一。底特律 IACMI 分支机构将获得 7000 万美元，用于开发强大的供应链，以改善汽车复合材料的材料、处理和加工性能。
随着复合材料在航空航天领域的使用日趋成熟，先进材料的加工方式也在不断发展同样，借助先进的工具解决方案和经过测试的方法
得益于航空航天工业和大型质量密集型项目，例如空中客车 380 和波音 787，加工复合材料的业务已成为制造业的主流.当今有大量关于如何加工复合材料的工具、专用工具和专业知识，这有助于使复杂材料成熟到可以扩展到其他工业领域。
汽车行业是复合材料提供的轻量化、强度和设计灵活性的下一个重要增长领域。 BMW 去年推出的 Vision Future Luxury 概念车展示了如何使用“减法建模”来设计内部结构部件，包括碳纤维增强塑料 (CFRP) 和铝结构承重层以及装饰性和功能性木材和织物——铣削到减少总重量。
更多用复合材料制成的汽车和卡车部件，以及支持它们的完善的供应链，正在开发中。当 Strati 3D 打印汽车在去年 9 月推出 IMTS 2014 时，它代表了 Cincinnati Inc. 的 BAAMCI（大面积增材制造机器）上 44 小时的增材制造和 Local Motors Inc.（凤凰城）的一整天减材铣削, AZ) 的 ABS 塑料/碳纤维复合材料在 CNC 路由器上。 Local Motors 说 24 小时 AM 是一个可以实现的目标。
At the DetrORNL 的 oit 车展是高级复合材料制造创新研究所 (IACMI) 的七个创始成员之一，展示了 3D 打印的 1965 年谢尔比眼镜蛇 427。该研究所 122 家成员公司的 2.59 亿美元公共合作伙伴关系中的 7000 万美元将资助 IACMI 的底特律分公司将为先进复合材料开发稳健、无风险的供应链——以改善汽车应用的材料、处理和加工性能。
汽车追求复合材料的轻量化承诺
Fives Cincinnati（希伯伦，肯塔基州）技术销售总监 Randy Von Moll 表示，汽车制造商正在效仿航空航天业，探索复合材料在减轻重量和提高燃油效率方面的潜力。 “在未来的某一天，我们可能会看到汽车的主底盘由复合材料制成。引擎盖就是一个很好的例子，它说明了重量很大并且可以从轻量化中获益的部件，”Von Moll 说。
“汽车制造商正在努力将复合材料零件制造成最终形状。它们可以非常接近最终形状，但实际上每个由复合材料制成的零件都需要某种形式的机加工才能完成。我可以引用复合材料中只有几个零件可以一直制成最终形状。由于复合材料部件的构建方式，通常在航空航天部件的周边周围存在一定量的多余材料，它总是必须对其进行轮廓修整，通常还要钻孔，”Von Moll 说。
“对于较大的飞机部件，我们重新设计的 PMT [精密、铣削、修整] 移动式龙门式机器可以为大型单个部件延长 X 轴，或者在多个工作区设置区域之间的光幕分隔或物理屏障。所有新飞机的设计都变得更加精确，以最大限度地减少或消除历史上发生的手工装配 d在飞机制造过程中。飞机制造商希望制造飞机更像汽车制造商制造汽车并将它们拉到一条移动的生产线上，他们正在朝着这个方向取得很大进展。今天，几乎所有较新的波音机型都是在移动生产线上制造的，”Von Moll 说。
“针对不同类型的切割材料，有各种各样的工具。已经开发出具有左手和右手螺旋的压缩式切割机，用于加工层压材料堆而不会分层。复合材料的许多加工还涉及其他材料。我们为含有碳纤维的复合材料提供解决方案并不少见，Kevlar，通常是非金属蜂窝芯或泡沫，用于雷击的铜网，以及用于其他设计目的的钛板。我们只有一种统一的材料类型会更不寻常。三明治结构越来越更复杂，”Von Moll 说。
加工 CFRP 不像切削金属
山高刀具公司（密歇根州特洛伊）的 Don Graham 表示，碳纤维增强塑料 (CFRP)由一系列脆性断裂加工而成，其中切削作用粉碎了磨蚀性硬碳纤维，产生粉末或刷状切屑。 “复合材料在钻孔中的加工优化必须解决纤维拉出、未切割纤维和分层问题，特别是通过解决由钝边、准备不当、进给速度过快和错误的钻孔角度引起的问题来退出材料。对于铣削应用，纤维拉出、未切割纤维、分层、颤振/振动和撕裂纤维受益于更换钝刀具、补救准备、降低激进的进给率、改变过高的螺旋角、提高刀具攻角和更好的组合夹具”，Graham 说。
“工具可以分为两类之一是的，”格雷厄姆说。 “双螺旋立铣刀——包括左旋和右旋螺旋——切削作用采用断头台作用，对蜂窝材料和纤维增强材料也特别有用。这个想法是你剪切纤维，而不是磨损、分裂或分层，”格雷厄姆说。山高刀具的 Jabro JPD 和 JC 立铣刀专为复合材料开发。 JPD 系列整体硬质合金立铣刀采用钎焊多晶金刚石板，带有用于排屑和排尘的直通冷却通道，可用于方头、球头和压缩型立铣刀。 JC 系列包括具有特殊刃口处理和金刚石涂层的 875 整体硬质合金铣刀。
对于钻 CFRP 材料，山高刀具提供两种不同几何形状的钻头：C1 几何形状具有针对碳纤维的优化钻尖和当出口在碳纤维中时，在堆叠的钛/碳纤维或铝/碳纤维中.金刚石涂层钻头具有双倒角和两个不同的角度，可在碳纤维上钻孔而不会碎裂和分层。 C2 几何形状用于进入碳纤维并离开钛或铝的堆叠，控制切屑，使金属切屑不会使碳纤维表面粗糙。 C1 和 C2 钻头涂有 CVD Dura 涂层。
许多行业都受到复合材料的影响
Adrian von Rohr 表示，谈到复合材料，每个人都会首先想到航空航天， KOMET of America Inc.（伊利诺伊州绍姆堡）。 “那是完全错误的。如果环顾四周，复合材料在应用中变得越来越有趣，在这些应用中，由钢或铸铁制成的较重的材料部件可以用移动物体所需能量较少的复合材料代替。此外，复合材料允许将极端积极的特征以及物理硬度和韧性设计到组件中。在汽车工业中，复合材料的重量减轻站点导致燃油效率。例如，宝马推出了一款完全由复合材料制成的汽车，除了发动机和传动系统。它不是原型车，BMW 拥有该车的生产线，”von Rohr 说。
纤维增强塑料 (FRP) 经久耐用，而且重量轻，可减少负载、阻力和能源消耗。然而，复合材料存在其自身的特殊加工挑战。它们很脆，其中的玻璃纤维特别耐磨。 FRP 的玻璃部分需要特别坚固的钻头和工具，而塑料袋则需要小心加工。 “KOMET 的工具组合包括钻头、铣刀和刳刨机，用于开孔、铣槽、清洁修整和钻孔以获得最终形状。这些工具用于手动和 CNC 机床。 “真正的挑战是将刀具解决方案与正确的涂层、刀具几何形状和刀具主体相匹配r 基于客户提供给我们的信息的复合材料应用，”von Rohr 说。
复合材料加工产品的全系列
复合材料在据 OSG USA Inc.（伊利诺伊州格伦代尔海茨）的 Jeffrey Stephens 称，几乎每个行业，包括航空航天、汽车和医疗。 “我们有许多专为飞机生产而设计的工具。 EXOPRO AERO BNC 刳刨机具有我们获得专利的超细金刚石涂层，专为修剪碳纤维和玻璃布而设计。它具有用于粗加工以及与精加工重叠的精细切口几何形状。缺口实际上是一个平坦的部分，使该工具能够高效地生产干净的切削刃，而不会在 CNC 机器上使用时分层或留下未切割的纤维。 CNC 铣刨机是主力军，能够进行切入和螺旋插补，”Stephens 说。
“如果您看看我们目前的复合材料产品，我们已经开发了适用于 CNC 应用的粗加工和精加工铣床和钻头，是根据客户要求量身定制的解决方案。在飞机上仍然有很多应用，零件很笨拙，有时夹具不是很好。他们可能会使用真空框架甚至粘合剂来固定零件，我们必须开发能够降低切削力的切削工具，”斯蒂芬斯说。 “EXOPRO AERO HBC 铣刀具有金刚石涂层人字形，适用于高进给 CNC 应用，可产生出色的表面光洁度。 EXOPRO AERO 钻头采用金刚石涂层，可以干净地进入和退出复合材料。”
加工蜂窝是完全不同的事情。 “在我们最初的人字形压缩路由器设计中，我们采用了 30° 螺旋。压缩式刳刨机用左手和右手螺旋将层压板压缩在一起，在顶部和底部留下干净的边缘。我们发现 30° d并非在所有情况下都有效，尤其是对于强度较高的纤维。因此，我们开发了一种 45° 螺旋，具有更高的剪切能力，适用于更难处理的纤维。对于最难切割的 Kevlar 蜂窝材料，我们开发了一种 60° 螺旋线，其性能就像一把剪刀，可以非常干净地切割 Kevlar 材料，”Stephens 说。
PCD 脉纹钻具有独特的解决方案
许多最困难的挑战仍然普遍来自飞机生产，特别是喷气发动机应用。新飞机和改装应用的喷气发动机设计和生产的最新激增将增加对加工最坚硬材料、陶瓷复合材料以及最坚硬材料金刚石的需求。
山特维克可乐满（费尔劳恩） , NJ) 开发了一系列用于钻头、铣刀和立铣刀的 PCD 脉纹切削刀具的独特解决方案。 “85 系列几何切削刀具真正替代了钎焊金刚石刀具s，特别是对于需要最硬材料才能钻削的陶瓷复合材料，”山特维克可乐满复合材料产品专家 Linn Win 表示。 “我们的 PCD 脉纹系列 85 几何切削刀具在结构上是整体式的。这意味着它们可以被研磨成各种几何形状和特征，而这些在过去使用传统的钎焊方法曾经难以实现，”Win 说。
整体式 PCD 脉纹刀具是通过切割硬质合金刀尖而形成的根据客户要求，在精确定位和配置的情况下，将金刚石粉末填充到硬质合金笔尖，然后在高压和高温下烧结工具。一旦笔尖从压力和热容器中取出，金刚石就与硬质合金结合成为一个整体结构，不会留下任何钎焊薄弱点，并在磨削刀具面几何形状时提供更多选择。 “整体结构允许刀具多次重磨，因此 t帽子工具具有金刚石的耐用性和硬质合金的多功能性，”Win 说。
本文首次发表于 2015 年 4 月版的《制造工程》杂志。
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