改进航空钻铣加工的挑战及解决方案

【编者按】金刚石涂层、PCD 涂层技术和其他创新方法都可以改进航空钻铣加工，但是让这些技术释放出威力的关键还是知识。

不断攀升的燃油成本、严苛的法规要求，使得减轻重量成为航空工业的日常课题。该行业通过采用诸如碳纤维增强塑料（CFRP）、利用金属部件和层叠复合材料制成的夹芯部件等新的、轻量化复合结构材料对此作出了回应。而这些又对机加工专业人员在耐磨损、工具几何参数等方面提出了新的挑战，尤其是象CFRP 这样特别耐磨的材料，更具有挑战。

目前，航空工业越来越多地采用CFRP 来制造结构部件， 如空客A350 和波音787，整个飞机的外壳几乎都采用了这类材料。在使用的过程中，一般而言，几层碳纤维会植入塑料基体， 以提供更高的强度。尽管强度在很大程度上取决于作用力的方向，但这样做还是赋予了CFRP 在纤维长度方向以特别的拉伸强度。如果拉伸载荷不是作用于纤维方向，材料不耐拉伸，在发生事故时，更容易断裂。因此，会在飞机底部使用金属型材。和铝这种轻量化结构材料一样，钛也适合加工成这种金属型材。钛的刚度很高，而且由于拉伸强度不依赖于纤维，不会产生力的方向问题。这样，飞机结构件如门框、肋拱和增强型材都可以采用钛钢，因为它的膨胀系数接近于CFRP。尤其是构建栈板时，往往和CFRP 一起使用。

要求严格的钻孔

栈板一般用铆钉接头链接。在制造栈板时，会先将两层或三层重叠的材料钻穿，然后用铆钉连接。由于这些材料的性能不完全一致，这种连接操作存在很大挑战，尤其是在钻铣相对小、公差紧的孔时。

象钛钢这样的材料可以用裸露的硬质合金铣刀加工，CFRP 则需要更硬的切削刃。因为60% 的CFRP 含有数百万根极其细微的纤维，每根只有8μm 粗。而人的头发约为70μm，由此可见一斑。在切削时，这些细微的纤维就像是打磨工具一样，磨掉合金刀具的切削刃，直至它变圆。这会造成层的分离（纤维被扯开）和纤维毛刺，尤其是在孔的出口处。

割穿CFRP 的PCD

这就是金刚石发挥作用的场合。这种切削材料的硬度居世界之首。聚晶金刚石（PCD）是一种通过合成手段制造的极其坚硬的刀具材料，由金刚石颗粒附着在金属基体上。维氏硬度（HV） 为6000 的PCD 硬度远超过硬度介于1600HV ～ 2200HV 的硬质合金。PCD 适用于诸如CFRP 这样的耐磨性很强的材料的高速切削和钻孔。

多种配置

有各种不同规格的硬质合金刀具可供，如阶梯钻和两齿或四齿阶梯式铰刀。

切削点的角度

◆手动反镗钛- 铝- 碳纤维材料：20°；

◆ CFRP 材料一般为85°；

◆铝-CFRP 栈板：155°；

◆ E 形点磨：特殊的凸形部件、薄型栈板和CFRP。

注：金刚石涂层合金刀具使用寿命长，但不能对其再进行打磨。

一段时期以来，PCD 在飞机加工领域发挥着重要作用，但由于采用了PCD 矿脉技术这样的新型加工工艺，PCD 刀具的可靠性和精密性得到了进一步的改善。采用PCD 矿脉技术的硬质合金刀具顶端槽中充满了PCD 粉末。施加高温高压后，在刀具顶端形成多晶金刚石。最后还要对刀槽和刀刃进行腐蚀和打磨。

这种加工工艺，可以采用角磨和点磨的方式，以满足加工纤维复合材料的要求。在加工CFRP 时，还需要区分单向和多向纤维取向。尽管单向CFRP 在纤维方向上的拉伸强度极高，但加工时，硬度远比多向材料高。多向材料的特点是加工性能更好， 层之间不会脱开，机械加工时纤维毛刺少。两种类型的材料以及钛、铝-CFRP 栈板以及凸形部件，均可以用最新的PCD 矿脉型钻铣刀具进行加工。

另外，传统的焊料失效问题，也会发生在PCD 钻孔点的直接钎焊，但不会发生在PCD 矿脉结构工艺中。与未涂层的硬质合金钢刀具相比，PCD 矿脉结构刀具的切削速度非常快，刀刃稳定，可以经常重新打磨，而不会影响质量。目前，业内越来越多地倾向于选择PCD 矿脉结构刀具，尤其是因为PCD 矿脉结构钻铣刀具有各种几何尺寸可供。有的配备了冷却液通道，最大程度地减少了润滑油用量；有的带有下沉角和刀柄设计。

硬度最高

与PCD 刀具一样，硬质合金刀具广泛用于航空结构件的加工中。硬质合金钻头极其适合高韧高强的材料，如钛、高合金钢或者Inconel 718。但是，如前所述，未涂层的硬质合金刀具在CFRP 材料加工过程中磨损很快。这个问题已经通过新一代涂有8μm ～ 20μm 厚、硬度为10000HV 的PCD 涂层合金钻刀得到了解决。

这种新型涂层钻头在加工飞机外壳部件时非常有效。为了确保飞机外壳表面的加工尽可能光滑，会采用埋头铆钉。需要确保埋头部分和孔之间的过渡半径非常精确。未涂层硬质合金刀具在使用了很短的时间后，就不能保持过渡半径的加工公差。新一代金刚石涂层硬质合金刀具可以更长时间地保持所需加工公差，对于这种外饰件加工特别有利。通过采用合适的形状和涂层，金刚石涂层硬质合金刀具几乎可以用于任何应用。

另一个特点是，PCD 矿脉结构刀具只能用于CNC 机床，硬质合金刀具可以用于CNC、半自动甚至是手动钻铣刀具。看上去， 用手工方法加工高科技产品，如今天的先进飞机这种想法很奇怪，但是在组装过程中，飞机零部件所在的位置可能很难触及。在这些场合，零部件会用压缩空气钻铣刀具进行加工，并且必须使用硬质合金刀具。

使用钻头进给单元时，需要装配的时间长，对员工的体力强度要求高、切屑容易堆积、刀具磨损厉害，因此各个企业都努力使用一次性钻铣，也即， 钻孔和打埋头孔一次性完成。钻头进给单元适用于在组装车间组装加工相对容易触及的零部件。

外壳钻铣不只是限于钻头进给单元。一种采用称作一次性组装的技术，它结合了CNC 铆接系统以及带末端执行器的机器人，将钻孔、打埋头孔和铆接工序一次性完成。PCD 矿脉刀具可以用于这些加工。这些全自动的系统具有最大的加工精度和可重现性，但只有在需要多孔加工时才具有成本优势。目前为止，仅用于大批量易于触及的零部件的加工。

这些代表了当今航空零部件最复杂的解决方案，但是，还有一个潜在的问题，即刀具供应商的能力。刀具供应商是否具有经验，可以提供满足这些应用的产品？另外， 刀具供应商还需要能够按照不同机加工要求，提供具有理想切削数据、售后服务、重新打磨服务的定制刀具，以及完整的及加工解决方案。在现今的航空加工背景下，缺乏这点是不行的。

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