聚焦航空航天：CFRP 复合材料的钻孔和铣削

在航空航天领域，使用轻质复合材料是常态。我们最近与山特维克可乐满讨论了碳纤维复合材料中常见的金属加工问题以及解决这些问题的方法。

碳纤维增强聚合物等复合材料具有令人难以置信的磨蚀性，需要不同的铣削和钻孔方法，以避免层和拉伸纤维的分层。在制造由这些材料制成的航空航天部件时，为加工金属而设计的标准工具和方法无法将其切割。

山特维克可乐满的航空航天工业专家兼工程师 David Den Boer 说：“碳纤维以更轻的重量为您提供卓越的强度，因此在商业航空航天领域，这可以带来一些非常积极的东西。” “随着飞机的重量越来越轻，发动机的效率也越来越高。”

例如，波音 787 由大约 50% 的 CFRP 制成，并且使用的喷气燃料比同类铝飞机少 20% 到 25%。复合机身以完整的圆形桶段制造，而不是分段和分段制造。然而，构建这样的平面会给加工开发过程带来挑战。

“通常，如果我们正在研究发动机零件，我们会试验刀具和部件本身的工艺，但我们不能练习在价值 3000 万美元的机身侧面钻孔，”产品工程师 Jeffrey Washburn 说山特维克可乐满的经理。 “因此，所有流程测试和开发都是在紧密代表最终组件的‘优惠券’上单独进行的。”

想要更深入？了解更多关于航空航天中使用的轻质但坚固的材料。阅读：“切削挑战：混合基体复合材料和纤维增强复合材料。”

复合材料铣削和钻孔工具

“碳纤维材料非常耐磨，”Den Boer 说。 “因此，使用典型的硬质合金刀具可以在铝等金属上加工数百个孔，而在 CFRP 上可能只能加工 20 个孔。”

为了延长使用寿命，用于 CFRP 的机床必须是脉状多晶金刚石 (PCD) 或涂有一层亚微米金刚石颗粒——这使得每种工具都比传统工具更昂贵。但根据 Washburn 的说法，衡量生产零件成本的正确方法归结为每个钻孔的成本，而不是每个工具的成本。

另一个考虑因素是工具更换的成本。

“假设您在大型龙门 CNC 机床上铣削机身顶部，这需要 10 到 15 分钟才能下来，更换新工具并返回顶部，”Den Boer 说。 “将一个金刚石涂层刀具在整个 787 截面上所需的加工时间与更换 80 或 90 个硬质合金刀具进行比较，经济性是合理的。”

刀具材料并不是 CFRP 加工的唯一区别。根据 Washburn 的说法，与金属不同，CFRP 铣削和钻孔中最具挑战性的两个问题是孔中的纤维和分层。

“当他们分析孔的质量时，它的大小可能非常合适，但如果工具的切割动作在孔本身中留下未切割的纤维，那不被认为是一次好的切割，”Washburn 说。 “如果你沿着表面边缘铣削，你希望工具保持足够锋利，以继续干净地切割纤维，而不会将它们拉出表面或分层。”

根据 Washburn 的说法，为 CFRP 设计的工具具有非常不同的几何形状，具体取决于工艺和应用。

“典型的带有螺旋线的立铣刀总是希望将材料从切口中提起，因此，如果我们尝试将金属切削几何形状应用于碳纤维，这将倾向于使材料分层，因为螺旋角向上拉动表面，”他说。 “答案是设计从底部向上拉并同时从顶部向下推的工具——将材料挤压在一起，使其不会分层。”

将 CFRP 与金属堆叠

但这些特殊工具通常不适用于金属应用，这会导致另一个复杂问题。

“复合材料通常与其他材料堆叠在一起，因此您可能正在钻穿 CFRP，例如，然后打上一层钛或铝——而且该工具必须能够加工这两种材料才能产生一个孔，”Washburn 说。

堆叠材料之间的韧性和耐磨性差异需要创造性的解决方案。

“加工与金属板堆叠的 CFRP 的一个挑战是，许多飞机部件不能暴露在切削液中以冷却和带走切屑，”Washburn 说。 “这会带来一个问题，例如，当试图在没有冷却剂的情况下加工钛时。”

“人们尝试不同的方法来适应不同的层，例如为铝板添加断屑器，以防止长的切屑串撕裂纤维并使孔过大，”Den Boer 说。

“如果要使用自动钻孔单元钻孔，一些较新的钻孔单元具有可编程的 RPM 和进给率，因此您可以以一种速度和进给率在堆栈中钻孔 CFRP，一旦您击中钛，您就可以改变切割数据，并针对每一层进行优化，”Den Boer 说。

您是否遇到过切割 CFRP 复合材料的问题？告诉我们发生了什么以及您是如何解决的。