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尚亚-复合材料加工用的先进刀具
来源:尚亚国际 作者: 浏览次数:0
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  全世界航空用客机每年约需增加5%,能降低航行成本的新型喷气客机和现有机型更新要求也在逐年增多。对飞机的运行和制造维修方面降低成本和提高效率的要求也越来越高。为此人们首先考虑了如何减轻飞机自身重量提高传动效率和热效率问题.以前是采用了铝合金代替钢材,目前更多是采用复合材料和耐热合金钛合金等,这些材料的使用比率越来越高。
 
  如过去波音767的使用材料铝合金达到了77%,钢占10%,钛合金占6%,复合材料占3%。2003年波音787的使用材料,铝合金下降到20%,钢下降到10%,而钛合金增加到15%,复合材料更增加到50%,其他材料增加到5%。其中可见复合材料增加比率最显著如图1,今后碳纤维的需求动向将进一步扩大到体育用品汽车等其它工业用途如图2。
 
  复合材料是由高分子材料,金属、陶瓷等的两种或两种以上的材料经过复合工艺而制出的多相材料。其综合性能优于原组成材料,可满足各种不同的特殊要求。它由连续相的基体和被基体包围的增强体相组成。目前主要复合材料的基体多为合成树脂。增强材料主要是碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等。它们的性能好,生产周期和成本低,其结构件还可熔融焊接,便于维修,其废料也可以回收再利用,节约资源有利于保护环境,受到航空航天、汽车、能源、医药、体育用品等许多工业部门的欢迎。其中用得最多的是碳纤维增强合成树脂复合材料CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic)。碳纤维是从聚丙烯腈纤维通过聚合喷丝,牵伸,碳化,上浆等处理后形成.将它们集束后,织成布状浸润环氧树脂而制成。具有高强度和高弹性模量,还具有尺寸稳定性,减振性,高导热系数,非磁性,耐腐蚀性,高疲劳强度,不生锈等优点。除碳纤维外也有用到玻璃、芳纶等纤维增强的合成树脂复合材料,它们代号GFRP、AFRP等。CFRP的比重仅为1.7克/立方厘米,与钢具有同等承重能力,但重量较钢约可减轻80%。GFRP的比重大于CFRP,AFRP比重小于CFRP。目前飞机机体上许多零件由CFRP制成了如机身、座舱、机尾、发动机机壳、机翼等、对它们的加工主要是修边,切断,边缘和端面的精加工以及钻孔,倒角等。一般钻与铣加工用得最多。
 
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  图1 飞机用材近年的变化

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  图2 碳纤维需求的动向
 
  复合材料的性能虽好,但由于纤维强度大、硬度高、加工时有如切削磨料,易使刀具磨损,切后材料的回弹,又如磨料流动加剧了磨损作用,复合材料导热性差,易使切削热积聚在刀具刃口,形成的高温更加剧了其磨损。局部的树脂也可能因切削热脆化而脱落。被加工复合材料在承受垂直于层间的轴向力时,材料易造成分层。特别在钻孔的出入口更易造成分层和撕裂。另外加工后表面会产生毛刺和抽拔出未能切除的纤维等缺陷如图3.大型零件由于自身刚性不足、夹紧状况不佳时,会引起振动,也使加工精度和表面质量受到影响。另外在加工中产生的粉尘和气体会污染环境,影响操作者的健康,进入机床会造成损伤。在航空航天工业中,此类复合材料还与铝合金或钛合金板材等组成叠合层板,二者结合在一起加工后使用。两类性能完全不同的材料结合在一起加工时,适应的刀具和切削条件也是不同的,钻叠层板上的一个孔会因不同材料收缩率不同,加工出的孔径存在差异 ,随着今后复合材料种类性能的不断改进,多种叠层板的出现,开发适应它们的先进刀具和工艺方法,就成为迫切的需要。
 
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  图3 CFRP孔加工出现问题


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  图4新旧涂层表面

 
  为了高效加工这些先进的复合材料三菱公司首选了具有金刚石涂层的硬质合金钻头铣刀金刚石的硬度可达到10000HV,热传导率达到2100W/m.k远超过其他刀具材料。抗机械磨损和热磨损的能力最高。虽金刚石在加工铁族元素的铁、钴、镍时,这些元素易和构成金刚石的碳发生反应,会使自身的耐磨性下降,但在切削CFRP等纤维增强复合材料、陶瓷等时,却能发挥它的长处。三菱公司采用的CVD方法沉积金刚石膜涂层,先要准备原料气如甲烷、乙炔、一氧化碳等,将它们和氢混合后导入装置中,再激发原料气活性化,同时加热基板使之沉积生成结晶核再成长最后互相连接在一起成为膜状覆盖在刀具的表面。当然在这过程中,选择合成方法,控制气体的浓度、基板的温度、合成的压力、确定结合相等等必须加以严格控制。这些注意了并适当加以处理,就可形成高质量的金刚石涂层。三菱公司对加工不同难加工材料和不同加工方式,开发出多种最适合的金刚石涂层。如对CFRP等他们应用了独特的多层CVD金刚石微粒结晶控制技术,开发了用于钻削的DD涂层和用于铣削的DFC涂层,DD涂层晶粒非常细,硬度极高是多层膜,膜层间结合力强,多层膜有助于防止膜中裂纹的生成延伸和扩大。它兼备了优异的耐磨性和平滑性。其表面状态如图4。
 
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  图5各种专用钻头

  
  对钻头的结构设计,三菱在原通用钻头MWE/MWS和MVE/MVS的基础上,除为针对高效钻削钢铁、铝合金、不锈钢、淬硬钢开发了专用钻头系列以外,针对复合材料CFRP等加工的特点,易出现的问题又开发了MCC系列钻头,针对CFRP+Al层板和CFRP+Ti层板分别开发了MCA和MCT系列钻头,以及对CFRP和这两种层板通用的MCW系列钻头,针对CFRP和CFRP+Al用手电钻钻孔开发出了MCCH和MCAH系列钻头图5。能使CFRP纤维一下子被切断图6,可使切屑顺利排出,也能抑制层间剥离如。钻CFRP+Al层扳的钻头 MCA的特点是其特殊设计的槽形,切铝层过程中,抑制铝切屑流向防止其摩擦CFRP的孔壁,而形成该处孔的内凹,使孔精度下降。又将MCA型钻头冷却液孔设计成三角形,这种孔型冷却效果好,可使切削热下降,保证了CFRP层孔精度,并使二孔均达到质量要求图7。CFRP和Ti的叠板所用的MCT型钻头的特点是;采用直线刀刃刃口锋利,切CFRP板和切钛板用不同切削速度,还可采用步进的送进方式,这样可保持切削均衡,使二材料上的孔加工后,均在要求的公差范围以内。能通用钻削CFRP和CFRP+铝或CFRP+钛层板的MCW型钻头的特点是;在MCT优点基础上考虑到钻铝材时切屑易形成流动切屑,在主刀刃的外侧开出角槽,以抑制铝切屑流向,使之沿螺旋槽方向排出,而不与CFRP孔壁摩擦,不损伤孔壁影响孔精度,并使切削力更多地集中在轴向,而抑制毛刺发生。在航空航天领域中,大多数孔径都不大,以上各种钻头直径在Φ4-12间,钻CFRP切削速度可取100m/min,进给量0.05-0.20mm/rev。钻铝板时切削速度可不变,进给量需降为0.02-0.04mm/rev。钻钛板时切削速度应降为10-15m/min,进给量再降为0.01-0.03mm/rev。且需采用1mm左右的步进式进给方法
 
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  图6大前角易切断纤维防分层  图7新旧槽形比较
  
  只用于钻CFRP孔的MCC钻头特点是顶角为锐角,横刃被修磨去,使轴向力大为减少,减轻了层间剥离,用特殊加工方法使磨制出刃口平直,刃口半径小.特殊槽形设计又构成了具有非常锋利大前角的刀刃,
 
  MCCH型是手电钻专用钻CFRP孔的钻头,它用韧性高的硬质合金材料制作,以防止突发折断事故。由于具有双重顶角在稳定的进给条件下,可实现高品质加工,前面的顶角先切出工件,后面形成锐角的第二顶角穿过材料时进给力会显著减小,这样材料的分层可能性和未切削的纤维会减少。MCAH型手电钻用钻头专用于钻CFRP+Al层扳的孔,专门设计的槽形和合理选定的螺旋角,使铝切屑易于排出而不堵塞,防止了由此造成的折断事故,而实现稳定加工。
 
   三菱公司加工CFRP的立铣刀主要采用专用的CVD法沉积的DFC涂层硬质合金立铣刀,型号为DFC4JC常为4刃。也有6刃的,用于一般加工和精加工。通常立铣刀螺旋角是30º,45º甚至60º。铣CFRP时采用的螺旋角很小是10º,螺旋角是刀刃相对于轴线构成的角度,螺旋角越小,铣削产生向下的轴向分力越小。有利于减少了CFRP大构件加工时的的变形,形成毛刺,这是一大特点。型号为DFCJRT的交叉刃立铣刀,其交叉刃上还带有分屑槽,这种结构可以降低切削力和切削热可以实现高效的粗加工。也可减少纤维的残留和分层。
 
   在金刚石涂层适用化,商品化过程中,人们又开发了DLC(Diamond Like Carbon)涂层,即类金刚石涂层,又称类金刚石碳。它是金刚石与石墨的非晶质碳膜,具有接近金刚石的高硬度,以不同的涂层方法制成后,其硬度约为HV1000-8000,摩擦系数低(0.005-0.200)加工和表面粗糙度很低可达Ra0.01。通常用CVD法沉积DLC涂层,三菱公司开发新的PVD法沉积DLC涂层,硬度可达Hv8000。涂层中氢、碳团及不纯物质少,其品质可与金刚石涂层相当。价格有优势,目前多用于加工GFRP玻璃纤维增强复合材料也可加工CFRP、铝合金、铜合金等。三菱公司的类金刚石涂层立铣刀有两种;DLC2MA为直角头立铣刀,直径范围是(Φ1-Φ20),DLC2MB为球头立铣刀,直径范围是(Φ0.2-Φ20),它们均可进行一般加工到精加工。铣削效率可比氮化铝钛涂层的寿命高出4倍。加工的表面质量更为优异。
 

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