航空航天领域 CFRP 复合材料钻削与铣削优化

航空航天领域常用轻量化复合材料。我们近期与 Sandvik Coromant 交流，探讨碳纤维复合材料常见金属加工问题及解决之道。

碳纤维增强聚合物等复合材料极具磨蚀性，铣削和钻削需采用不同方法以避免层间分层和纤维拔出。为金属设计的标准刀具和方法无法满足这些材料制造航空航天部件的需求。

“碳纤维以更轻重量提供卓越强度，商业航空航天因此获益良多，”Sandvik Coromant 航空航天行业专家兼工程师 David Den Boer 说。“飞机越轻，发动机效率越高。”

例如，波音 787 约 50% 采用 CFRP，比同级铝合金飞机节省 20% 至 25% 喷气燃料。复合材料机身以完整圆筒段制造，而非分段分件。但制造此类飞机给加工工艺开发带来挑战。

“通常加工发动机零件时，我们会在零件本身上试验刀具和工艺，但我们无法在 3000 万美元的机身侧面练习钻孔，”Sandvik Coromant 产品经理 Jeffrey Washburn 说。“因此所有工艺测试和开发都在紧密代表最终零件的‘样板’上单独进行。”

想深入了解？阅读“切削挑战：混合基复合材料和纤维增强复合材料”，了解航空航天用轻量高强材料。

复合材料铣削和钻削刀具

“碳纤维材料极具磨蚀性，”Den Boer 说。“典型硬质合金刀具在铝等金属上可钻数百孔，在 CFRP 上可能仅钻 20 孔。”

为延长寿命，CFRP 加工刀具必须是脉纹多晶金刚石 (PCD) 或涂覆亚微米金刚石颗粒层 —— 这使每把刀具成本高于传统刀具。但据 Washburn，衡量生产零件成本的正确方式在于每孔成本，而非每刀具成本。

另一考量是换刀成本。

“假设您在大型龙门 CNC 机床上铣削机身顶部，换刀需 10 至 15 分钟，”Den Boer 说。“对比一把金刚石涂层刀具完成整个 787 机段所需机床时间与更换 80 或 90 把硬质合金刀具，经济性可成立。”

刀具材料非 CFRP 加工的唯一差异。与金属不同，铣削和钻削 CFRP 两大最棘手问题是孔内残留纤维和分层，据 Washburn。

“分析孔质量时，尺寸可能完美，但若刀具切削动作在孔内留下未切断纤维，不算合格切削，”Washburn 说。“若沿表面边缘铣削，需保持刀具足够锋利以持续清洁切断纤维，避免将其从表面拔出或导致分层。”

据 Washburn，CFRP 刀具具有截然不同的几何形状，取决于工艺和应用。

“典型带螺旋角的立铣刀总想从切削处提起材料，若将金属切削几何应用于碳纤维，螺旋角上拉会导致分层，”他说。“答案是设计既从底部向上拉又从顶部向下压的刀具 —— 也就是挤压材料使其不分层。”

CFRP 与金属叠层加工

但这些特殊刀具通常不适用于金属应用，引出另一复杂性。

“复合材料常与其他材料叠层，可能钻穿 CFRP 后遇到钛或铝层 —— 刀具必须能加工两者以形成单一孔，”Washburn 说。

叠层中材料韧性和磨蚀性差异要求创新方案。

“加工 CFRP 叠层金属板的挑战之一是许多飞机部件不能接触切削液冷却排屑，”Washburn 说。“例如无冷却加工钛即成问题。”

“人们尝试不同方法适应不同层，如为铝层加断屑槽，防止长切屑串拉扯纤维导致孔径过大，”Den Boer 说。

“若用自动钻孔单元，一些新型可编程转速和进给，可在叠层中以一组参数钻 CFRP，一碰到钛即改变切削数据，针对每层优化，”Den Boer 说。

您是否遇到过 CFRP 复合材料切削问题？告诉我们发生了什么及如何解决。