如何切削加工复合材料

【编者按】如何切削加工复合材料对于一架飞机而言,初始购机成本在其最终总成本中并不占大头。飞机零部件材料的显著改变也引起了飞机零部件制造方式的重大变化。一架主要由复合材料制成的商用飞机对于航空制造业有何意义呢?说得更具体一些,这对飞机零部件的加工意味着什么呢?


了解复合材料

波音787是世界上第一种主要由碳纤维复合材料制成的大型商用客机:复合材料占到这种飞机结构重量的50%和飞机体积的大约80%。与之相比,波音777型客机所用复合材料的重量仅占11%。波音公司正在实现一个重大承诺:用复合材料取代金属材料。航空公司从中获得的经济效益可以解释这样做的原因。如何切削加工复合材料对于一架飞机而言,初始购机成本在其最终总成本中并不占大头。飞机的维修成本和燃油成本加起来占到其运行总成本的大部分。而使用复合材料可以显著降低这两方面的成本。与金属材料相比,航空复合材料本身具有更好的抗疲劳性和耐腐蚀性,从而在波音787的整个服役期间能节省高达3,000-4,000万美元的维修费用。复合材料结构还提供了更大的强度/重量比,有利于节省燃油成本。据估计,与飞行里程相同的波音767(一种较小的客机)相比,一架波音787每年节省的燃油费用可达500万美元。如何切削加工复合材料通过采用复合材料而在维修和燃油成本上节省的费用,以及在其他方面节省的各种成本,加起来差不多已经接近这架飞机的价格。也就是说,可以这样理解:如果这架飞机是用复合材料制成的,那你几乎就是免费获得了这架飞机。

军用直升机也是最早采用先进复合材料的领域之一。虽然现在商用飞机使用复合材料的比例(按重量计)才达到50%,但某些直升机的复合材料用量(按重量计)早已高达90%。然而,即使在这一市场中,人们也仍然在不断发现复合材料的新用途。例如,波音公司最近就在阿帕奇AH-64军用直升机中用CFRP部件取代了金属部件,这并不是因为CFRP的抗疲劳强度、耐腐蚀性等特性,而是因为它具有优异的抗冲击性能。

直升机后部的水平尾翼通常用铝合金制成。这种铝合金部件有时会被阿帕奇直升机发射导弹时产生的喷射流所损坏,这种喷射流会以大约每秒2,000英尺的速度向后高速冲击水平尾翼。而复合材料部件能更好地抵御这种冲击。此外,这种新的复合材料尾翼重量更轻,制造成本也更低,可谓“一举几得”。

然而,飞机零部件材料的显著改变也引起了飞机零部件制造方式的重大变化。一架主要由复合材料制成的商用飞机对于航空制造业有何意义呢?说得更具体一些,这对飞机零部件的加工意味着什么呢?

复合材料零件是一种近净成形工件。为了加工出要求的零件形状,需要将这种形状复制在专门定制的刀具上。与铝合金航空结构件相比,复合材料零件需要进行的切削加工要少得多。但话又说回来,复合材料零件需要进行的切削加工确实极具挑战性。复合材料的定义方式与金属材料不同。“复合材料”是将两种或多种材料组合到一起,以获得比单独采用其中任何一种材料更优异的性能。在复合材料中,一种材料是基体,另外一种(或多种)材料起补强作用。碳纤维增强塑料(CFRP)是飞机零部件常用的主要复合材料,由塑料基体和起补强作用的碳纤维构成。尝试加工这种复合材料的生产车间面临着双重挑战:塑料基体可能会因为切削温度过高而融化;而碳纤维可能会因为破碎(而不是平稳剪切)而变得难以切削。同时,CFRP结构件是由各层材料叠合而成,在切削加工时可能容易出现开裂或分层现象。

最后一个挑战在于:当准备对复合材料结构件进行切削加工时,它已经成为一个价值不菲的工件,如果加工报废,可能会蒙受巨大的经济损失。

因此,随着越来越多的复合材料零件进入市场,更多的加工车间将面临这样一种现实:与金属零件相比,复合材料工件的加工量更小,但加工的成本更高、难度更大、价值更昂贵、影响更严重。

并不只有波音公司在推动复合材料发展。实际上,几乎所有的飞机制造商都越来越多地用复合材料来替代某些金属零件和组件。现在,直升机也大量使用复合材料。事实上,各种高附加值产品制造商正越来越多地寻求采用这种或那种形式的复合材料,以利用其高强度、高刚性、耐久性、耐腐蚀性、耐磨损性和重量轻等优势。有人预计,在未来10年中,用于风力发电机的碳纤维复合材料可能会比用于所有飞机的CFRP更多。同时,金属基复合材料正被应用于高性能汽车零部件(如刹车盘等)。此外,由于复合材料能够透过X射线,因此可能还会在医疗行业发现许多新的用途。

然而,在讨论此类材料时,上述措辞——“这种或那种形式的复合材料”——给出了一个重要提示,即复合材料并不是一类具有统一标准的材料。

例如,碳纤维复合材料(CFRP)是一种聚合物增强塑料,其中包括许多不同的品种。同样,金属基复合材料和陶瓷基复合材料的规格品种也五花八门。实际上,“复合材料”一词所指的范围比“金属材料”范围更广。

美国俄亥俄州的合同制造商General Tool公司的数控编程和刀具主管Earl Wilkerson曾经面对各种不同复合材料的加工挑战。他认为,复合材料可以是“人们希望将其组合在一起的任何两种材料。”

当你面对一种从未加工过的复合材料时,如何知道正确的加工方法呢?你很可能对此毫无头绪。这是复合材料加工的现实状况。在这一点上,General Tool公司可以算是复合材料加工专家。该公司很早就开始加工采用复合材料的喷气发动机,有15年以上加工航空复合材料的丰富经验。即便如此,每一种新的复合材料零件对其加工车间仍然是一种新的挑战。

事实上,每一种新的碳纤维复合材料(CFRP)零件都各不相同。“CFRP”本身的范围很广。General Tool公司在其第一种CFRP零件的加工获得成功后,在加工第二种CFRP零件时又麻烦不断,直到它发现,应该降低加工所用的切削参数,并增大加工某些零件特征所需的毛坯余量,因为第二种CFRP的特性和成分与第一种CFRP截然不同——这是复合材料加工的典型特点。Wilkerson指出,“为了确定合适的刀具、切削速度和进给率,你不能只是去查一本切削手册,在其中寻找有关‘复合材料’的内容。你甚至都无法找到加工CFRP的内容。对这些材料的加工还缺乏足够明确的定义或一致性。”

不过,从事复合材料加工的生产车间还是总结出了一些有用的经验——这些经验使它们在加工某一类复合材料时能持续获得成功,虽然复合材料的种类还在不断增加和变化。

复合材料加工机理

切削加工复合材料可能看起来与切削金属材料大同小异,但实际上,二者的加工机理大相径庭。

复合材料(如CFRP)零件可以装夹在金属切削机床上进行加工,甚至也可以采用与切削金属零件类似的刀具(虽然这种可能性较小)。然而,一旦刀具切削刃切入复合材料工件,就能揭示出与金属切削的本质区别——二者的材料去除机制完全不同。

金属切削加工的材料去除机制是塑性变形。工件材料比刀具材料软,在刀具切削刃上会形成切屑流。而在切削加工复合材料时(这里主要考虑CFRP),并不会产生真正意义上的切屑。相反,用“粉碎”来描述材料去除机理可能更为贴切。工件材料并不是被剪切去除,切削刃的作用是切碎坚硬的碳纤维。在此过程中,切削刃要承受剧烈的磨蚀,这可能会导致其快速磨损。

在金属切削加工中,刀具几何形状决定了其切削性能,刀具材料决定了其使用寿命。复合材料的切削加工也同样如此。不过,在加工复合材料时,刀具材料也会成为其切削性能的一个决定因素。复合材料可能会造成刀具快速磨损,从而使刀具几何形状也迅速改变——除非切削刃材料能够抵御复合材料的磨蚀,足以保持其几何形状和锋利性。钻削加工复合材料时,一种常见的现象就是,可能加工出的前两个孔都具有良好的钻出孔口质量,但很快就会在第三个孔出现分层、开裂或其他孔口缺陷,这只是因为刀具的磨损导致其几何形状再也无法保持干净整齐的切削。

在某种程度上,加工复合材料实际上是将加工流程前后颠倒,因为加工车间的注意力转移到了加工流程的不同部分。加工金属材料航空零件可能需要大功率机床,但只需使用普通刀具,且用简单的夹具就能确保加工的安全性。与此相反,铣削和钻削复合材料通常是在功率小得多的轻型机床上进行,但可能需要采用高端刀具,并要使用专门定制的夹具,以便在整个加工过程中紧密支撑工件,防止其刚性薄壁产生振动和破损。

下面是加工碳纤维复合材料(CFRP)时可能需要考虑的一些要点。

(1)刀具材料

硬质合金刀具可以用于加工复合材料,但由于寿命较短,在加工过程中往往需要频繁换刀。

金刚石刀具可能具有更长的使用寿命。加工CFRP时,可选择的金刚石工具包括电镀金刚石磨粒的修磨棒、CVD金刚石涂层刀具或整体式PCD刀片。

为加工复合材料而专门开发的一种不同寻常的刀具是“整体烧结”金刚石刀具,该刀具是将金刚石材料填充在硬质合金刀柄上专门设计和加工出的狭槽中,直接烧结成型。

(2)刀具几何形状

至少在一个方面,复合材料的“粉碎”去除机理与金属材料的“变形”去除机理有相似之处:正如在金属切削中一样,切削能量也会转化为热量。

CFRP的散热特别困难,因为加工时不会产生能带走热量的切屑,加之复合材料的导热性很差。由此造成的热量积聚使基体材料面临融化或以其他方式受损的危险。冷却液可能也于事无补,因为有些复合材料零件的加工不允许使用冷却液。因此,只能通过合理选用刀具和走刀路径来抑制切削热。

一般来说,尖锐的刀具切削角是减少切削热的关键要素之一。铣削和钻孔复合材料的刀具通常都采用大正前角,以最大限度地减少发热量,实现快速、锋利、整洁的切削。这些刀具也具有较大的后角,足以防止刀具切削刃在走刀时与工件摩擦发热。

(3)工件的夹持

虽然复合材料零部件需要进行的加工可能比较简单——往往只需要钻削和修边,但用于支承这些零部件的夹具本身可能具有相当高的设计要求。事实上,加工复合材料零部件用的夹具可能需要不菲的工程投资。为了实现洁净切削,保证工件不磨损起毛、不分层剥离,就要求工件定位可靠、夹持牢固,不会发生振动。复合材料加工(尤其是薄壁件的加工)通常需要使用与工件外形精密贴合的真空吸附夹具。选择机械夹紧装置的加工车间则通常会使用减振垫。

(4)加工机床

复合材料航空零部件的轮廓形状一般需要用五轴联动机床加工。有些以前加工金属零部件的车间可能会使用自己原有的五轴机床。不过,加工复合材料(至少是加工CFRP)时,通常并不需要加工金属材料时那样大的机床功率和扭矩。事实上,在一些通常无法胜任金属零件加工的轻型CNC镂铣床上,往往能够有效地加工CFRP和其他复合材料。

复合材料的铣削加工

General Tool公司正在见证复合材料加工需求的不断增长。该公司拥有240名员工和大约40台CNC数控金属切削机床。迄今为止,该公司的加工车间已设法将其复合材料加工限制在其中3台机床上。之所以要对加工复合材料的机床加以限制,部分是因为切削复合材料(主要是CFRP)时产生的粉尘很难管理。不过,Wilkerson先生表示,复合材料的加工需求正变得越来越大,他认为3台机床将很难长期满足这种加工需求。

在该加工车间,复合材料工件的铣削加工相当普遍。那些尺寸较大、外壁较厚的复合材料零部件(尤其是喷气发动机的外壳)需要进行大量的侧铣和面铣加工。孔加工通常也会涉及到铣削,因为该车间为了满足苛刻的质量要求,需要首先钻削出直径较小的孔,然后再将其铣削加工到最终直径尺寸。

CFRP的铣削加工通常采用电镀金刚石刀具。典型的粗铣刀用粒度为25目的金刚石颗粒制成,可能会采用9.5mm的径向切深。典型的精铣刀用粒度为100-180目的金刚石颗粒制成,其径向切深可能仅为0.25mm。

Wilkerson表示,该车间曾经确信,为了更好发挥金刚石刀具的切削性能,就需要提高切削速度,而其最大规格复合材料加工机床的主轴转速仅为5,000r/min。因此,为了将较低的主轴转速转换为较高的表面切削速度,就需要采用大直径的电镀金刚石刀具。但随着时间的推移,该车间发现,电镀金刚石刀具即使在较低的转速下,也能获得不错的切削性能。事实上,低速加工对抑制切削热更有利。

现在,General Tool公司用电镀金刚石刀具铣削加工复合材料的经验和设备已转化为一笔可观的技术资产,使其在承接复合材料加工任务时处于有利地位。即便是某种特定类型的CFRP铣削加工,可能也与该车间以前曾遇到过的加工任务有所不同,但该车间知道如何选用合适的刀具和切削参数,至少可以在有效加工一种新的零件时有一个良好的开端。此外,该车间可能已有现成的合适刀具,这是很大的优势——一个重要复合材料加工项目所用的金刚石刀具价格可能超过1万美元,而且从头开始确认和订购这些刀具可能需要长达12周的交货时间。

复合材料的铣削加工可能代价不菲,但与复合材料的钻削加工相比,其加工难度可能并不算大。

复合材料的钻削加工

钻削往往是复合材料零件加工的真正挑战。在金属零件上钻孔时,只需去除工件材料并对孔进行清理即可。与此不同的是,在多层结构的复合材料上钻孔时,钻头可能会推挤各层材料,并在出口一侧造成不可接受的分层剥离、开裂等缺陷。

Wilkerson认为,用标准的金属切削钻头钻削复合材料工件,就像钻削没有支撑的胶合板一样,会将复合材料工件的钻出孔口撕裂。因此,钻削复合材料通常需要使用量身定制的专用钻头。

由于复合材料孔加工的技术要求和潜在挑战各不相同,因此其钻削刀具产品也多种多样。用于CFRP孔加工的刀具设计具有以下一些特点:

(1)采用中心直刃钻尖设计,钻尖位于刀具中心,使周边切削刃可以像飞刀那样进行切削。

(2)钻铰刀具有各自独立的切削刃,可用一把刀具同时完成钻削和铰削加工

(3)采用磨制的八面体钻尖,这种结构设计可使钻尖的副切削角具有自定位功能,并能使刀具磨损分散到更多分离的切削刃上,从而延长刀具寿命。

(4)采用双刃带结构的定心阶梯钻头可以提高复合叠层材料的钻削精度。

刀具供应商肯纳金属公司也开发了各种复合材料加工刀具。该公司专门研究CFRP钻削的研发工程师Karthik Sampath提供了设计更高效复合材料孔加工刀具的一些共同要点:

(1)为了减小会导致分层剥离的切削力,采用正的刀具几何形状至关重要。

(2)螺旋角、后角和齿隙前角都遵循以下规律:随着角度增大,钻孔质量趋于改善。

(3)减小钻尖角有利于提高钻出孔口的质量。不过,钻尖角过小可能会降低刀具的切削刃强度。对于加工CFRP的钻头,最佳折衷方案似乎是采用90°钻尖角。与之相比,钻削金属材料时,较典型的钻尖角为135°(即加工复合材料的钻头“更尖”)。

Sampath表示,加工CFRP时,金刚石涂层刀具通常会比未涂层刀具的使用寿命提高10倍以上。他通过实验,对不同厚度(5-16μm)的金刚石涂层进行了评估,结果表明,涂层厚度为12μm的金刚石涂层刀具具有最佳的寿命/价格比。

钻削复合材料时,对加工质量的关注通常集中在钻出孔口。但Sampath指出,有时也需要注意有问题的钻入孔口缺陷。当钻头钻入时,可能会使复合材料最上面的一层扭曲变形。出现这一问题通常表明钻削进给率太小。通过增大进给率,往往可以减少入口缺陷——虽然这样做可能会使出口缺陷增大。应选用能兼顾入口和出口两侧质量的最佳进给率。

General Tool公司的Wilkerson表示,他经常选用国际硬质合金公司(International Carbide Corporation)提供的WonderDrill钻头来加工一些特定的复合材料零件。该钻头利用正的钩形刃口将复合材料中的增强纤维“拉入”切削刃,从而加工出表面光洁的孔。这种外形简洁的刀具去掉了所有多余的刀槽,以提高其强度和刚度。然而,即便使用这种刀具,General Tool公司通常也不会依赖钻削加工来达到孔的最终尺寸,因为这样做使缺陷增多的风险极大。为了确保孔的质量,该公司通常是先钻削一个比最终直径尺寸小0.50-0.75mm的预孔,然后再用电镀金刚石精铣刀以圆弧插补方式铣孔至最终尺寸。

用“水刀”加工复合材料

美国宾州的Hydrojet公司有两台福禄公司(Flow International Corporation)生产的磨料水射流(俗称“水刀”)加工机床。该公司工程师Jack Seibert表示,作为一个小型加工车间,他们通过高效加工复合材料零件,找到了自己的利基市场,而其他规模较大的飞机零部件制造商很难以一种成本效益好的方式进行这种加工。很多复合材料零件都需要用磨料水刀进行修边。不过,并非所有零部件都适合水刀切割。因此,该车间最终又增加了一部分铣床,现在它有三台哈斯公司(Haas Automation)生产的加工中心和一台X轴行程达4m的大型CNC镂铣床。

Seibert指出,应采用水刀加工还是常规切削加工,主要取决于零件的几何尺寸和形状。大型零件可以首选水刀加工,因为用水刀切割工件时,不需要使用专门的夹具。但是,用水刀加工一些特殊廓形工件会出现一个问题,即用喷射水流切割预定的加工面时,可能会意外切割到工件上其他一些不应切割的表面。如果某个零件的廓形使其本身几乎能平行对折,可能就不适合采用水刀切割,而必须在加工中心上切削加工。

其他一些因素也可能会影响加工方式的选择。加工精度就是一个重要因素。加工中心的精度更高,因此更适合加工公差要求严苛的复合材料零件。另一个考虑因素是工件材料。水刀能够有效加工各种不同类型的复合材料。例如,凯芙拉纤维是一种极难铣削加工的复合材料,常常令加工车间头痛不已,而利用水刀则可以轻松地加工凯芙拉零件。


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欧特克雷尼绍

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