加工航空复合材料的7个技巧
加工航空复合材料的7个技巧
航空复合材料的加工是一个复杂且具有挑战性的过程，但通过采用正确的技术和策略，可以显著提高生产效率和产品质量。本文总结了7个关键技巧，帮助制造商更好地应对航空复合材料加工中的各种难题。
纤维增强复合材料机翼部件通常与铝和钛堆叠在一起，可能会对加工过程提出挑战，包括刀具安全性和最终表面质量。Sandvik Coromant航空航天工业越来越多地转向复合材料，使现代飞机更轻、更坚固、更高效。复合材料的重量比金属材料轻20%，重量比铝、钢和钛更坚固，非常适合轻量化的大型结构和机身部件。它们还为工程师提供了更大的设计灵活性，因为它们可以被塑造成传统材料无法实现的复杂形状。
对制造商来说，不利的一面是这些材料很难加工，因为它们具有磨蚀性，容易碎裂。例如，碳纤维增强聚合物（CFRP）的极高磨蚀性含量将带来各种挑战，从切削刀具的快速磨损和切削质量的降低，到高温、振动和不稳定的切削条件。与传统的金属加工相比，在切割CFRP时，标准硬质合金切削刀具的使用寿命可能只有其通常刀具寿命的5%。
克服这些挑战没有简单的公式，因为复合材料可以具有如此广泛的特性。然而，每个商店都可以应用一些关键的最佳实践和切割原则来驾驭这些动态并改进运营。
了解你的材料
首先要了解的是，复合材料可以通过基质或分层增强材料包含广泛的组成材料，这意味着它们可以具有各种各样的物理和化学性能。除了碳纤维外，复合材料可能还有其他增强材料，如玻璃纤维、芳纶（凯夫拉尔）或其他纤维合成材料。还可以添加陶瓷或金属粉末以及各种添加剂，如二氧化硅或二氧化硅，以提高材料性能。
了解复合材料的组成及其在加工过程中的行为对于实现最佳的机器设置至关重要。例如，切割由单层组成的单向带（UD）材料可能会带来独特的挑战。当纤维沿同一方向排列时，它们不会为材料结构提供支撑，并且在加工操作过程中容易受到拉扯和磨损。工厂需要从适当的角度和方向接近切割，在某些情况下，需要使用从材料顶部和底部接近切割的压缩式工具。
复合材料的另一个挑战是，它们通常与其他材料（如钛、铝或铜）以各种组合堆叠在一起。在一次钻孔中钻穿这些组合时，车间需要了解钻头将如何与每一层材料相互作用。使用堆叠的碳纤维和铝，操作员可以在切割过程中保持相同的激进切割速度，但对于钛等较硬的材料，在每层钻孔操作期间可能需要调整切割速度和进给速度。
控制灰尘
复合材料在加工过程中会产生大量有害粉尘。这不仅对呼吸健康有害，而且灰尘颗粒对机器电子设备和设备也极具破坏性。此外，大多数飞机制造商不能允许碎片被留在飞机结构内，因此必须进行有效的除尘。为了控制这些颗粒，请安装合适的筒式除尘器，并在可能的情况下密封机床外壳。如果主轴被正确封闭，一个简单的车间真空附件也足够了。
用工具变得强硬
由于复合材料的极高耐磨性，高速钢甚至硬质合金刀具都可能很快失效。由于故障而频繁更换刀具会导致生产率下降，特别是在加工大型结构部件（如翼盒）或钻数千个铆钉孔时。在这些应用中，投资聚晶金刚石（PCD- polycrystalline diamond）刀具是值得的，因为它们的使用寿命比标准切削刀具长10-15倍，提高了工艺安全性和表面质量。这些工具可以更长时间地保持锋利，并在复合材料中提供更清洁的切割，降低磨损或故障的风险，从而导致报废的组件。
高性能整体硬质合金钻头，如Sandvik Coromant的CoroDrill 863，旨在轻松钻穿各种碳纤维增强材料和金属堆叠材料。
金刚石工具的表面可能有一层金刚石涂层，使用化学气相沉积（CVD- chemical vapor deposition）工艺施加，或者它们可以用烧结成碳化物的金刚石脉制成。静脉切削刀具代表了复合材料加工的重大进步，使PCD能够放置在螺旋静脉中，以获得更好的螺旋几何形状和切屑流动。这减少了切削力，特别是在钻头出口处。
一个好的切削刀具供应商将使用复合材料对PCD刀具进行广泛的测试，以提供有关性能和预期寿命的明确数据，从而帮助实现更可预测的结果。他们还可以通过修复来延长工具的寿命，这是近年来有所改善的领域。以前PCD刀具可以重新磨削两到三次，现在您可以重新磨削一些刀具多达10次。再磨削的成本通常是新切削刀具成本的20%，因此这大大提高了投资回报率。
消除分层
无效的加工工艺会导致复合材料层压板分层，这会对部件的结构完整性和表面质量产生不利影响。为了避免这种层分离，必须使用能够最大限度地减少材料提升的切削刀具几何形状。例如，选择低螺旋角（最多10°至15°）的铣削工具进行材料去除，可以防止铣削操作将材料拉开。
此外，一旦刀具开始变钝，它会立即开始推动材料，而不是进行平滑切割，从而导致碎裂。为了避免这种情况，请选择保持锋利边缘更长的刀具，如带有PCD尖端的钻头，不要突破预期寿命的限制——当切削刀具开始失去边缘时，请更换切削刀具。为了更长时间地保持锋利度，可以通过在侧铣操作中定位刀具以在槽上进一步切削等策略来管理刀具磨损。这可以更均匀地分散刀具磨损，延长刀具寿命。
专门设计的压缩螺旋刀具，如Sandvik Coromant的CVD涂层CoroMill Plura，有助于减少修边时的分层和悬挂（未切割纤维）。
有各种各样的锋利工具可供选择，这些工具的设计目的是在与复合材料一起使用时提高性能。例如，压缩螺旋刀具，如Sandvik Coromant的CVD涂层CoroMill Plura，有助于减少修边时的分层和悬挂（未切割的纤维），而带纹理的PCD端铣刀在开槽、修边和开槽等正交切削中表现良好。对于钻孔，带纹理的金刚石钻头通常配有特殊的边缘倒角、半径，甚至是经过修改的尖头（类似于木工钻头），以防止在穿透时分层或碎裂。
典型的机器操作员在切割过程中会倾听，当声音不对劲时，他们往往会降低切割速度和进给速度。这也是保护切削刀具寿命的常见做法。但在复合材料中，这种谨慎的加工方法往往会导致问题。复合材料加工的声音更难读取，进给和切屑负载（切削刃每次旋转产生的切屑宽度）过低会导致摩擦、颤振、分层和刀具过度磨损。
机械师还必须学会读取切削刀具上的磨损模式，并相应地调整刀具路径。如果铣刀出现过度磨损，操作员可能需要考虑在Z方向上调整刀具，以使用更多的刀具来减少磨损并避免分层。对于钻孔，改用尖头钻头可能会防止孔背面分层。由于复合材料的多样性，尝试不同类型的刀具和工艺参数，或与工具提供商合作寻找正确的几何形状，通常是最好的方法。
要有攻击性
切割复合材料，特别是用于飞机地板和客舱隔板的夹层蜂窝材料，可能具有挑战性——大多数时候，工具只是将面板推开。这里的关键是保持积极进取，保持6000-10000 rpm的切削参数和每齿0.002-0.003英寸的高切屑载荷。这也有助于通过将热量通过切屑传递到切削刀具，从而最大限度地减少材料中的热量积聚。当使用热固性材料和可热成型/热塑性材料时，这一点尤为重要，这样材料就不会粘附在工具上。如果工具在小于0.001英寸的切屑负载下操作，它们将很快被破坏。
在切割复合材料时，保持侵略性至关重要，保持6000-10000 rpm的切割参数和每齿0.002-0.003英寸的高切屑载荷。
在这里使用PCD或CVD工具将使操作能够保持所需的激进切割。例如，Sandvik Coromant的CoroDrill 863具有-O几何形状，可提供专为钻削复合材料而设计的PCD或CVD选项。优化后的钻头具有独特配方的基材，可更好地与涂层粘附，以及高轴向前角，可减少分层。PCD纹理CoroDrill 859V针对可能使用预浸料系统以及环氧树脂和双马来酰亚胺的UD材料进行了优化。双角度几何形状有助于减少高要求材料的分层。
另一个考虑因素是冷却液的使用。使用冷却剂管理热量通常不是一种选择，因为冷却剂可能会进入复合材料层压板并污染材料。为了降低热量，工厂可以在切割区使用压缩空气或冷空气枪，并配备足够大的集尘系统，作为一种低成本的解决方案。
保护您的设置
刚性和安全的工具固定至关重要，否则对好工具的投资将因表面光洁度差而浪费。
刚性和安全的刀架至关重要，可以防止切削中的颤振，这可能会破坏对优质加工工具的投资。液压卡盘将最大限度地减少用尽和工具拔出的可能性，这些事件可能会导致价值40000美元的CFRP机翼零件报废。在较高的主轴速度下（高于20000 rpm），最好将刀架作为一个完整的组件进行平衡，安装切削刀具和固定旋钮以保持刀架的安全。
夹持复合材料工件也很重要。如果工件有足够的表面积来产生足够的夹紧力，真空夹具是有用的。在大多数情况下，夹具是最好的选择，特别是对于复合工件常见的复杂3D形状。这些设计应避免任何无支撑的切割区域，同时仍能牢牢抓住，以防止零件移动和振动。
与工具提供商合作
由于加工复合材料涉及如此多的变量，使用正确的工艺进行正确的机器设置可能会令人望而生畏。通过测试证明新组件或材料的工艺需要许多商店没有的时间和资源。然而，重要的是要记住，你不是一个人。与工具提供商合作可以带来的不仅仅是工具建议；它们可以成为工程和支持的宝贵资源。除了刀具选择指导外，他们还可以使用与您的车间相同类型的设备在测试设施中帮助进行刀具路径编程、模拟和加工新部件。Sandvik Coromant等供应商甚至可以定制客户特定的刀具，以满足零部件的需求。
复合材料是任何机械师都会面临的最具挑战性的材料之一。加工这些材料是一个多尘、艰巨和磨蚀的过程，对切削工具来说很难。但是，只要将切割工具、切割策略和内部团队和/或工具提供商合作伙伴的专业知识正确组合在一起，任何工厂都可以为更成功的航空航天复合材料生产做好准备。