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金刚石刀具促进复合材料钻孔加工应用的发展

信息来源:hhuu.biz  时间:2014-05-22  浏览次数:19356

    优化的刀具设计方案具有关键性的作用
    
    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。
    
    刀具开发过程
    
    为了开发一款高性能的 PCD 刀具产品,应当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。
    
    在生产用于复合材料加工的合成金刚石钻头产品时,有 4 种主要技术可以应用:
    
    - CVD(化学气相淀积)金刚石涂层钻头
    
    整体硬质合金钻在最后一个工艺经过 CVD 金刚石涂层处理。这是一种成本效益很好的产品,但刃口锐度受到了涂层厚度的影响。此外,因为硬质合金基体部分和金刚石涂层部分的硬度不同,这款产品吸收冲击能量的性能不佳。防崩刃性能也很有限。
    
    - PCD 镶刃钻头
    
    圆锥型的 PCD 材料按照特点钻尖槽型烧结至较小尺寸的硬质合金基体之上。然后,将这些半成品钎焊至整体硬质合金钻体之上。为了处理硬质合金和 PCD 联接面之间的高应力问题,这款 PCD 产品在 PCD 材质优化方面受到了限制。后烧结工艺还会导致成本高昂,因为需要去除非功能区的金刚石材料,还要增加内部冷却孔。
    
    - PCD 纹络钻头
    
    在整体硬质合金棒料之上预先加工的槽内填入 PCD 粉末原料,然后经过高温高压处理形成 PCD 排列结构。在经过高温高压过程之后,对棒料进行剪切后钎焊至钻体之上,最后按照规定槽型进行磨削处理。这种 PCD 纹络技术可以制造复杂槽型,以及具有高正前角外形的刀具产品;与 PCD 镶刃刀具产品相比,只需较少的磨削处理。这种刀具受到尺寸限制,因为要对复杂 3D 槽型进行高温高压处理。此外,因通常需要使用高钴成分的材料,因此也降低了 PCD 材料的硬度和耐磨性。
    
    - PCD 钎焊钻头
    
    最成熟的 PCD 钻头加工技术为 2D 技术(例如 PCD 扁钻) 对于较小尺寸刀具,可以使用一种特殊的硬质合金和 PCD 夹层材料;对于较大尺寸刀具,可以使用纯 PCD 钻尖材料。这款产品在槽型方面有严重的缺陷,因为很难增加一个用于复合材料加工的前角。3D 钎焊需要多个所需材质的 PCD 刀座,并且微观结构应按照设计切割为螺旋形状。在整体硬质合金钻头上应磨削出一个对应的螺旋槽,以安装 PCD 刀片。与 PCD 镶刃产品相比,这款 3D 钎焊产品只在功能区采用 PCD 材料,大大增加了加工性能。这项 3D 钎焊技术被用于开发本文所述的 PCD 测试钻头。
    
    选择 PCD 材质的另一个重要因素是金刚石材料的机械加工性能。机械加工性能是通过计算由不同 PCD 原材料制成相同刀具的时间评定的。重点关注各个制造步骤,包括 PCD 刀盘的腐蚀和 PCD 材料的磨削。了解机械加工性能测试结果请参看表一中的测定等级。机械加工性能越好,等级就越高,制造时间就越短,成本也就越低;这与在开发一款具有竞争性的刀具产品时,刀具性能的重要性是一样的。
    
    PCD 钎焊
    
    本文中介绍的刀具产品需要将 PCD 螺旋切片钎焊至碳化钨刀体上,选用的钎焊技术应避免处于亚稳态的多晶金刚石石墨化,还需要将 PCD 与碳化钨进行粘结处理。这需要采用高效的钎焊技术。高效的钎焊材料通常包括高熔点聚合物材料,如钛材料。钎焊温度因此很高,对金刚石相的稳定性有负面影响。为了避免石墨化,在钎焊过程中应避免氧化环境。最新的技术包括氩气环境中的感应钎焊,以及真空钎焊。
    
    优化的刀具槽型
    
    在对复合材料/钛材料层叠板进行钻孔加工时,选择优化的刀具槽型非常困难,因为这两种材料在切削过程中表现出不同的特性。CFRP 材料的钻孔加工通常需要大螺旋角和长切削刃,因为碳纤维应当沿着切削刃发生剪切作用。长切削刃通过小钻尖角而实现。此外,CFRP 材料的钻孔加工还应降低轴向力,以避免在退刀时发生加工材料层裂现象。这些特点可以形成非常锋利的切削刃槽型,同时也减小楔块角度。后角可以高达 20 度,螺旋角约为 30 度。钛材料的切削原则上也可使用锋利的切削刃,但与 CFRP 材料的钻孔加工相比,需要一个更加稳定的楔块角。钛材料加工中的刀具后角通常在 8-14 度之间的范围。与钢材料加工相比,这些后角通常更大(在本文展示产品中约为 12 度),因为后刀面上的热量应当尽可能降低,一减少刀侧面磨耗的形成。大后角与典型的 30 度螺旋角结合应用时,会明显降低切削刃的强度。螺旋角已减小至 15-20 度范围,从而可对大后角做出平衡。本文展示的这项制造工艺可以根据所需刀具槽型,选择不同的螺旋角。这是本文展示工艺的主要优势之一,因为普通的 PCD 刀尖镶刃刀具允许使用的最大螺旋角仅为 8 度。
    
    为了实现孔径紧密公差,钻尖应当具备卓越的自定中心性能,这一点是绝对必要的。从另一个角度而言,钻尖角度对毛刺的形成也起到重要的影响。我们知道,钻尖角在低于 90 度或高于 150 度时,可以帮助降低钻孔出口处的毛刺高度。因此,钻尖角为 155 度的钻头适合钛材料加工的需求,但定中心性能不好。所以,推荐使用双钻尖角设计方案,其中内部钻尖角为 130 度,外部钻尖角为 155 度。与普通应用的长切削刃钻头相比,这款钻头产品的整体钻尖高度较低。因此,第三条和第四条刃带可以很快接触材料,有益于形成更紧密的孔径公差。
    
    采用 PCD 钎焊刀片的定制模块化钻头
    
    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。
    
    实验性研究
    
    这款开发的 PCD 刀具产品经过了实验性测试,目的在于评估在规定应用中最合适的 PCD 材质和刀具槽型。测试过程中的刀具设置和切削参数如下。
    
    - 测试刀具
    
    PCD 钎焊钻头,直径为 11.113 毫米(7/16 英寸),三种不同的 PCD 材质(G4、KD1415,和 KD1425),未经涂层处理相同槽型的钻头。
    
    - 测试材料
    
    测试材料包括一块厚度为 8.7 毫米(0.342 英寸)的购置 CFRP 板材(Isocarbon 3k),并与一块 厚度为 10.8 毫米(0.425 英寸)的 Ti-6Al-4V 板材牢固地层叠在一起。使用测试刀具进行通孔加工,从 CFRP 侧进刀,从钛板侧出刀
    
    - 机床刀具及冷却剂
    
    一台 CNC 加工中心(Heckert CWK 400),水平主轴,主轴贯通式微量润滑方式(Vascomill MMS FA2)。
    
    - 切削参数
    
    切削速度为 20 米/分钟(65 SFM),进给率为 0.05 毫米/转(0.002 ipr),同时适用于 CFRP 和钛材料加工。不使用啄钻加工法。
    
    - 刀具检测
    
    为了监控刀具磨损过程,在完成 4 个孔的钻孔加工后,使用显微镜对钻头进行检测。在完成 24 个孔的钻孔加工后,在扫描电子显微镜下观察刀具的磨耗结构。
    
    - 钻孔测量
    
    在完成所有加工测试后,对测试材料进行清洗和标注。对所有钻孔进行检测。对 4 个孔的内部进行直径测量(两个在 CFRP 板材的进口处和出口处附近,两个在 钛板材的相同位置)。同时还对钛板材底部出口孔表面的毛刺高度进行测量。
    
    结果及分析
    
    超长、可预测,以及稳定的使用寿命是决定刀具产品是否能够赢得客户的主要因素。在对 CFRP/Ti 复合基体材料进行钻孔加工时,为了获得满意的钻孔质量,必须同时满足几个要求。钻孔尺径为紧公差尺寸,以安装紧固件,钻孔出口处的毛刺高度必须符合规定要求,以减轻或避免去毛刺工序。为了避免因刀具突变失效而导致的钻孔损坏,并尽力维护刀具的可修磨性,钻尖的崩刃现象必须尽可能降低,并对其进行监控。以下标准被用来作为确定测试刀具是否已达到使用寿命极限:
    
    a)钻孔尺寸公差为 11.113 + 70 微米(H10);
    
    b)毛刺尺寸为 0.2 毫米;
    
    c)出现钻尖崩刃
    
    测试表明,PCD 钻头在使用寿命即将结束时的主要失效模式是钻尖出现崩刃;。
    
    硬质合金钻的失效模式表现为毛刺高度超限。在这次测试中,所有钻孔都符合钻孔质量要求。
    
    钻孔尺寸
    
    图一显示内容为测试 PCD 刀具的钻孔加工尺寸。在对每个钻孔检测时,孔径的测量位置选择在 4 个不同的位置;2 个在 CFRP 板材部位,2 个在钛板材部位;分别对应在钻孔进口表面和出口表面。
    
    可以看出,位于钛板材部位的钻孔质量非常好,尺寸在规定公差值的中间范围,上下浮动范围很小,为10 微米。钛板材钻孔入口处和出口处的尺寸非常接近。但在 CFRP 板材部位,钻孔入口处和出口处的孔径差较大。这种现象是因为在排屑过程中,切屑对钻孔避刮擦造成的结果。对于减少切屑的刮擦,以及增加钻孔尺寸的一致性而言,提高切屑控制性能是非常必要的。仅仅依靠刀具设计而提高切屑控制性能是非常困难的。在加工实践中,一种成熟的工艺是增加啄钻操作,或是通过振动支持钻孔操作,以实现控制切屑长度并减弱切屑刮擦效果。
    
    测试结果表明,在此展示的新型钻尖产品可以加工出 H10 公差等级的钻孔尺寸。在优化加工条件以及加工过程稳定的情况下,甚至可以实现 H8 公差等级的钻孔尺寸。不能证明钻孔质量与切削刃材料有必然关系。相同钻尖槽型的 PCD 钻头和硬质合金钻头的钻孔加工质量是相似的。
    
    毛刺
    
    在探讨与毛刺高度控制和磨损结构相关的钻孔结果时,可以清晰地看到不同切削刃材料产生的不同结果。图二显示内容为一款硬质合金刀具和两款 PCD(KD1415 和 G4 材质)刀具钻孔加工时毛刺高度的发展过程与钻孔数的对比情况。
    
    可以看出,硬质合金钻仅完成 14 个钻孔加工之后,在钛板材出口处的毛刺高度就明显增加;而两款 PCD 刀具在加工过程中,首次出现毛刺超过规定的钻孔分别是第 57 个钻孔和第 117 个钻孔。
    
    从理论上讲,毛刺高度的发展过程与刀具钻尖部位的磨耗紧密相关。这一点可以在硬质合金刀具和 PCD 刀具的对比中显明,因为这两种材料的硬度有很大的不同;所以,PCD 刀具钻尖处的磨耗发展过程较慢。与硬质合金钻相比,PCD 钻的钻尖磨耗要少得多。这三种 PCD 材质的磨耗发展情况区别很小。PCD 材质的主要磨耗类型为切削刃/钻尖部位的崩刃。
    
    表格一对这三种 PCD 测试材质的刀具寿命做了综合对比。可以看出,G4 和 KD1415 材质在刀具平均寿命方面非常相似。KD1415 在刀具使用寿命的稳定性方面表现更好,并且因为机械加工性能更好,可以减少制造成本。因此在本文所述的加工应用中,被选为最适宜的材质。
    
    结论
    
    我们开发了三款采用不同 PCD 材质以及优化槽型的 PCD 整体硬质合金钎焊钻头产品,并对这些产品进行了测试。测试结论如下:
    
    1)在 PCD 刀具制造过程中,3D 钎焊技术允许刀具采用灵活的螺旋角角度,因此也可以采用大前角设计方案。与 PCD 镶刃产品相比,3D 钎焊产品因为去除了刀具功能区表面的 PCD 材料,所以具有更好的机械加工性能;
    
    2)这款开发的 PCD 钻产品采用优化的刀具槽型(双钻尖角度、螺旋槽、内部螺旋冷却通道、大前角),因此可以加工高质量的钻孔(钻孔尺径及毛刺高度控制)。
    
    3)与未经涂层处理的整体硬质合金钻相比,PCD 钻在使用寿命方面有显著的改善。
    
    4)所有测试 PCD 刀具有相同的磨损形态,从前刀面出现细微裂缝开始,最终会因钻尖崩刃导致突变性失效。
    
    5)在刀具寿命稳定性和机械加工性能方面,KD1415 要比 G4 和 KD1425 材质有更佳的表现。所以,KD1415 是最适合本文所述加工应用的材质。
    
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