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當前位置: 首頁 > 新聞頻道 > 解決方案 > 改進航空鉆銑加工的挑戰及解決方案
改進航空鉆銑加工的挑戰及解決方案
來源:中國數控機床網   發表時間:2018-12-28 7:24:00  瀏覽次數:
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【編者按】金剛石涂層、PCD 涂層技術和其他創新方法都可以改進航空鉆銑加工,但是讓這些技術釋放出威力的關鍵還是知識。

不斷攀升的燃油成本、嚴苛的法規要求,使得減輕重量成為航空工業的日常課題。該行業通過采用諸如碳纖維增強塑料(CFRP)、利用金屬部件和層疊復合材料制成的夾芯部件等新的、輕量化復合結構材料對此作出了回應。而這些又對機加工專業人員在耐磨損、工具幾何參數等方面提出了新的挑戰,尤其是象CFRP 這樣特別耐磨的材料,更具有挑戰。

目前,航空工業越來越多地采用CFRP 來制造結構部件, 如空客A350 和波音787,整個飛機的外殼幾乎都采用了這類材料。在使用的過程中,一般而言,幾層碳纖維會植入塑料基體, 以提供更高的強度。盡管強度在很大程度上取決于作用力的方向,但這樣做還是賦予了CFRP 在纖維長度方向以特別的拉伸強度。如果拉伸載荷不是作用于纖維方向,材料不耐拉伸,在發生事故時,更容易斷裂。因此,會在飛機底部使用金屬型材。和鋁這種輕量化結構材料一樣,鈦也適合加工成這種金屬型材。鈦的剛度很高,而且由于拉伸強度不依賴于纖維,不會產生力的方向問題。這樣,飛機結構件如門框、肋拱和增強型材都可以采用鈦鋼,因為它的膨脹系數接近于CFRP。尤其是構建棧板時,往往和CFRP 一起使用。

要求嚴格的鉆孔

棧板一般用鉚釘接頭鏈接。在制造棧板時,會先將兩層或三層重疊的材料鉆穿,然后用鉚釘連接。由于這些材料的性能不完全一致,這種連接操作存在很大挑戰,尤其是在鉆銑相對小、公差緊的孔時。

象鈦鋼這樣的材料可以用裸露的硬質合金銑刀加工,CFRP 則需要更硬的切削刃。因為60% 的CFRP 含有數百萬根極其細微的纖維,每根只有8μm 粗。而人的頭發約為70μm,由此可見一斑。在切削時,這些細微的纖維就像是打磨工具一樣,磨掉合金刀具的切削刃,直至它變圓。這會造成層的分離(纖維被扯開)和纖維毛刺,尤其是在孔的出口處。

割穿CFRP 的PCD

這就是金剛石發揮作用的場合。這種切削材料的硬度居世界之首。聚晶金剛石(PCD)是一種通過合成手段制造的極其堅硬的刀具材料,由金剛石顆粒附著在金屬基體上。維氏硬度(HV) 為6000 的PCD 硬度遠超過硬度介于1600HV ~ 2200HV 的硬質合金。PCD 適用于諸如CFRP 這樣的耐磨性很強的材料的高速切削和鉆孔。

多種配置

有各種不同規格的硬質合金刀具可供,如階梯鉆和兩齒或四齒階梯式鉸刀。

切削點的角度

◆手動反鏜鈦- 鋁- 碳纖維材料:20°;

◆ CFRP 材料一般為85°;

◆鋁-CFRP 棧板:155°;

◆ E 形點磨:特殊的凸形部件、薄型棧板和CFRP。

注:金剛石涂層合金刀具使用壽命長,但不能對其再進行打磨。

一段時期以來,PCD 在飛機加工領域發揮著重要作用,但由于采用了PCD 礦脈技術這樣的新型加工工藝,PCD 刀具的可靠性和精密性得到了進一步的改善。采用PCD 礦脈技術的硬質合金刀具頂端槽中充滿了PCD 粉末。施加高溫高壓后,在刀具頂端形成多晶金剛石。最后還要對刀槽和刀刃進行腐蝕和打磨。

這種加工工藝,可以采用角磨和點磨的方式,以滿足加工纖維復合材料的要求。在加工CFRP 時,還需要區分單向和多向纖維取向。盡管單向CFRP 在纖維方向上的拉伸強度極高,但加工時,硬度遠比多向材料高。多向材料的特點是加工性能更好, 層之間不會脫開,機械加工時纖維毛刺少。兩種類型的材料以及鈦、鋁-CFRP 棧板以及凸形部件,均可以用最新的PCD 礦脈型鉆銑刀具進行加工。

另外,傳統的焊料失效問題,也會發生在PCD 鉆孔點的直接釬焊,但不會發生在PCD 礦脈結構工藝中。與未涂層的硬質合金鋼刀具相比,PCD 礦脈結構刀具的切削速度非?,刀刃穩定,可以經常重新打磨,而不會影響質量。目前,業內越來越多地傾向于選擇PCD 礦脈結構刀具,尤其是因為PCD 礦脈結構鉆銑刀具有各種幾何尺寸可供。有的配備了冷卻液通道,最大程度地減少了潤滑油用量;有的帶有下沉角和刀柄設計。

硬度最高

與PCD 刀具一樣,硬質合金刀具廣泛用于航空結構件的加工中。硬質合金鉆頭極其適合高韌高強的材料,如鈦、高合金鋼或者Inconel 718。但是,如前所述,未涂層的硬質合金刀具在CFRP 材料加工過程中磨損很快。這個問題已經通過新一代涂有8μm ~ 20μm 厚、硬度為10000HV 的PCD 涂層合金鉆刀得到了解決。

這種新型涂層鉆頭在加工飛機外殼部件時非常有效。為了確保飛機外殼表面的加工盡可能光滑,會采用埋頭鉚釘。需要確保埋頭部分和孔之間的過渡半徑非常精確。未涂層硬質合金刀具在使用了很短的時間后,就不能保持過渡半徑的加工公差。新一代金剛石涂層硬質合金刀具可以更長時間地保持所需加工公差,對于這種外飾件加工特別有利。通過采用合適的形狀和涂層,金剛石涂層硬質合金刀具幾乎可以用于任何應用。

另一個特點是,PCD 礦脈結構刀具只能用于CNC 機床,硬質合金刀具可以用于CNC、半自動甚至是手動鉆銑刀具?瓷先, 用手工方法加工高科技產品,如今天的先進飛機這種想法很奇怪,但是在組裝過程中,飛機零部件所在的位置可能很難觸及。在這些場合,零部件會用壓縮空氣鉆銑刀具進行加工,并且必須使用硬質合金刀具。

使用鉆頭進給單元時,需要裝配的時間長,對員工的體力強度要求高、切屑容易堆積、刀具磨損厲害,因此各個企業都努力使用一次性鉆銑,也即, 鉆孔和打埋頭孔一次性完成。鉆頭進給單元適用于在組裝車間組裝加工相對容易觸及的零部件。

外殼鉆銑不只是限于鉆頭進給單元。一種采用稱作一次性組裝的技術,它結合了CNC 鉚接系統以及帶末端執行器的機器人,將鉆孔、打埋頭孔和鉚接工序一次性完成。PCD 礦脈刀具可以用于這些加工。這些全自動的系統具有最大的加工精度和可重現性,但只有在需要多孔加工時才具有成本優勢。目前為止,僅用于大批量易于觸及的零部件的加工。

這些代表了當今航空零部件最復雜的解決方案,但是,還有一個潛在的問題,即刀具供應商的能力。刀具供應商是否具有經驗,可以提供滿足這些應用的產品?另外, 刀具供應商還需要能夠按照不同機加工要求,提供具有理想切削數據、售后服務、重新打磨服務的定制刀具,以及完整的及加工解決方案。在現今的航空加工背景下,缺乏這點是不行的。

 

 
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