將翼/身融合蒙皮層壓板連接到 F-35 閃電II 戰斗機的機身上需要精確鉆出數百個緊固件孔。

60 年來，“物超所值”一直是復合材料產品制造商和供應商的營銷口號，他們認為，盡管復合材料的初始成本歷史上很高，但就整個生命周期成本而言，復合材料是優越的產品。隨著復合材料制造商越來越多地面臨在復合材料部件上鉆孔的需求，特別是在緊固件密集的航空航天環境中，鞋子就另當別論了。

機械加工的時間和費用已成為滿足交貨時間表和零件成本預期的焦點。作為回應，鉆具制造商建議復合材料行業自食其力：在該計劃的使用壽命內定制并實現節約。盡管這需要大量的初始時間和金錢來研究整個加工過程并優化每個加工功能，但鉆具制造商聲稱取得了有價值的成果，從提高公差和減少操作步驟到大幅增加工作流程，以及每年節省六位數的成本。

問題：歷史滯后

盡管切削工具技術的發展與復合材料技術的發展同步，但機床營銷人員告訴 CW，80%的復合材料零件加工仍然使用標準的現成工具進行，這些工具沒有針對材料、零件或加工設置進行優化。

Cajero 有限公司（英國肯特郡謝佩島）首席運營官亞歷克斯·哈丁(Alex Harding)表示：“公司正在購買高級自動化技術，以應對不斷增長的需求，但通常不會重新考慮他們的切割工具。”。“這意味著他們可能會錯過重大改進，損失巨額資金，并消耗足夠的能源為噴氣式飛機提供動力。”

F-35 項目需要自動化鉆孔技術和適用于堆疊但不同材料的“一次組裝”的大型夾具。

機床專家 AMAMCO tool（Duncan，S.C.）的工廠經理兼工具大師彼得·迪亞曼提斯(Peter Diamantis)對此表示贊同：“在自動化加工中心，使用錯誤的工具幾乎是家常便飯。你會驚訝于有多少人在使用舊技術。”在許多情況下，他們的工具選擇曾經是最先進的技術。他指出：“它們都是由一家定制工具制造商在某個時候開發的，并成為標準。”但他表示，它們的設計是基于幾年前的研究。迪亞曼提斯解釋說：“這些研究現在已經過時了。”。“這些人非常聰明，但他們經常使用舊數據來選擇工具。”他補充道，同樣重要的是，這些研究并沒有解決當今的現實問題。“他們使用的材料已經過時。即使在過去幾年里，復合材料也發生了重大變化。”

事實上，復合材料已經變得越來越難以加工。埃莉諾·默森(Eleanor Merson)負責英國謝菲爾德 Sandvik Coromant（荷蘭阿姆斯特丹）研發中心的復合材料加工研究，她發現，在過去幾年中，標準氣粒復合材料上使用的典型無涂層工具的工具壽命縮短了近 50%。為什么？默森解釋道：“我們現在正在對此進行研究，試圖了解切削工具材料和復合材料之間的相互作用。

總的來說，我們看到了一個普遍的趨勢，即新型復合材料更難。”他指出，“我們開始看到樹脂有更大的作用，這實際上是可以理解的，因為正是樹脂將纖維固定在一起。”樹脂配方的進化發展現在產生了更硬、更硬的基質。“樹脂如何分解決定了切割時的質量。”因此，樹脂的進化改進似乎縮短了工具的壽命。

總是一個棘手的問題：無論改變與否，復合材料總是很難加工。哈丁解釋說，與金屬加工行業不同的是，復合材料制造商處理的是非均質材料。在金屬加工行業，可以購買由均質材料制成的符合已知標準的坯料。每個成型機都會定制樹脂、纖維/纖維形式和層壓簾布層序列的精選組合，這些組合針對每個結構和應用進行了優化。樹脂體系、纖維含量、層壓板順序、固化方法、固化溫度和層壓板完整性都會影響零件的可加工性。迪亞曼提斯說，更復雜的是，“沒有兩個商店的一切都完全一樣。每個商店都有不同的設置，這可能會對性能產生不利影響。”

如今，一個更為嚴重的因素是鉆孔堆疊材料的勞動和省時趨勢，即在定位夾具或夾具中預組裝復合材料和金屬部件，然后一次穿過所有層鉆出緊固件孔。這項技術通常被稱為“一體組裝”，因為部件是從外部組裝、鉆孔、檢查和清潔的，但不會再次拆開——這是一種防止孔位置不準確的保護措施，可以節省無數小時。但這對那些設計鉆具的人來說是一個巨大的挑戰。默森說：“很常見的情況是，按照碳纖維增強聚合物（CFRP）、鋁、CFRP 和鈦的順序加工一堆材料。”。“針對兩種或三種不同材料優化鉆頭是極其困難的。”

盡管有更好的選擇，但機床制造商表示，大多數復合材料的鉆孔仍然是用“標準”工具完成的，這些工具曾經是最先進的，但現在——因為它們沒有針對材料、零件和加工設置進行優化——是不合格的。結果是鉆頭性能迅速惡化，孔質量也隨之惡化。以下是一個惡化的例子：碎裂。

解決方案：了解最新情況并進行溝通

當 CW 聯系這些和機床行業領先企業的其他代表時，他們提出了兩個大標題下的一些解決問題的策略：

優化和定制

復合材料專業人士對前者并不陌生。優化是當今復合材料界的一個流行詞。最大的收獲來自于觀察整個過程。鉆具制造商認為，機械加工也是如此。在零件開發過程中，必須在一開始就考慮材料、夾具、碎屑清除、通道和工人工效學，而不是在做出重大決策后的后期階段。

迪亞曼提斯說：“這一切都是為了了解整個加工過程。”他指出，這也需要一個合作的客戶。“工程師們愿意進行測試以改進流程嗎？有時他們依賴幾年前完成的研究，而不想重新審視它。其他人則愿意不惜一切代價來節省成本。”哈丁強調，那些愿意的人會獲得巨大的回報。“我們通過挑戰傳統智慧的協作生產力合作計劃，幫助公司取得了巨大收益。”

然而，如果合作伙伴要取得成功，機床制造商必須詳細了解零件和工藝。在這里，沒有任何數據是微不足道的。Sandvik Coromant 的默森表示：“客戶在向我們解釋他們在加工什么時并不總是足夠詳細。”

“我們需要盡可能多的細節。我們必須了解材料、固化、纖維含量、結構和制造步驟。”

圖為鉆頭劣化的另一個影響：分層。

這些知識允許工具定制，這是制造業紀律的必要解藥，而制造業紀律本身就是關于定制解決方案的。簡而言之，信息是將現成的工具留在機框上。迪亞曼提斯說：“許多商店都想使用現成的切割工具，這沒關系，但加工過程需要更長的時間，使用更多的工具。”明智的復合材料制造商會為特定應用設計零件。因此，鉆具應針對零件和應用進行設計。

經驗無可替代

為此，復合材料制造商需要能夠進行此類評估的工具制造商的協助。默森觀察到，金屬切削工具制造商現在看到了向復合材料領域多元化的機會。“但他們傳統上為延長切削金屬的工具壽命所做的事情——例如，降低進給率和切削速度——對切削復合材料的工具卻產生了相反的影響。”對于這一應用和許多其他應用，山特維克可樂滿與其最近收購的合作伙伴 Precorp（美國猶他州西班牙?？耸校┟芮泻献?，Precorp 是一家長期從事復合材料鉆具的專家，提供最先進的聯動鉆頭和銑刀。

信息？適用于金屬的東西不適用于復合材料。迪亞曼提斯說：“金屬鉆頭和復合材料鉆頭完全不同。”

碳纖維的研磨性使其不同于切削工具遇到的任何其他材料，因此工具壽命的重要性至關重要，并受到許多為復合材料行業提供鉆具的人的高度重視。

利用新的幾何形狀

20 年前，刀具優化基本上包括開發能夠更有效地加工每種纖維的幾何形狀。如今，刀具供應商提供針對芳綸、玻璃和碳纖維優化的特定幾何形狀的刀具已成為標準。但今天，優化遠遠超出了對光纖的關注。迪亞曼提斯說：“為了設計合適的刀具幾何形狀，我們必須了解整個過程。設置是什么樣的？你能使用冷卻劑嗎？鉆頭類型、鉆頭電機、電源是什么？鉆孔是機器人還是手動？你是一次還是兩次鉆孔？”

哈丁總結了 Cajero 的一些研發發現：“漸進的——逐漸發展的——并降低中心壓力的幾何形狀與復合材料配合得很好，因為它們減少了切割推力，這有助于避免分層和穿透時的損壞。這些幾何形狀還必須保持正剪切角——這使切割力保持在較低水平，從而以最小的壓力去除材料 r 將碎屑排出孔。”哈丁列出了不同類型復合材料的許多工具幾何形狀：

多面鉆頭點具有雙角度點，也就是說，引導角不同于第二角度，它們逐漸進入然后離開材料，最大限度地減少了中心的壓力，并降低了脫層和在出口孔中爆裂的風險。將這些與大開口凹槽相結合，有助于在鉆孔堆疊的層壓板時清除碎屑。

雙刃鉆頭具有二次刃口—在一次刃口后面研磨—在加工過程中鉸孔，從而消除了額外鉸孔操作的需要。

Trepanning 鉆頭在外邊緣切割，從而消除中心的壓 力，對于低厚度或低樹脂含量的復合材料零件表現良好，而直槽、多孔鉆頭有助于補償支撐或固定不良的零件。

迪亞曼提斯補充道：“我們還簡單地探索了可用性的改進—對切割數據、刀具幾何形狀和刀具材料的微小調整—這些都導致了一夜之間的生產力激增。”他強調， “刀具設計的微小變化會產生很大的影響。”

這種定制工具的選擇結合了涂層和幾何形狀，有助于克服隨著材料越來越硬和結構越來越定制而增加的復合材料加工難度。

開發新材料

盡管它們很好，但硬質合金鉆頭不再適用于時間和成本敏感的機械加工操作。默森說：“這是一款舊的備用手機，因為它有更好的邊緣清晰度。”。“然而，這并不是工具壽命的最佳選擇。”

為此，有鉆石。天然金剛石是已知的最硬的物 質，但聚晶金剛石（PCD）是一種合成材料，在過去幾年中越來越受歡迎，因為它提供的工具壽命是未涂層碳化物的 10 到 20 倍。

切削刀具中使用的 PCD 有兩種基本類型。PCD 尖端或插入件可釬焊（最高 1200°F/649°C）到硬質合金坯料或工具主體上切割的凹槽中?；蛘?，可以將金剛石粉末和粘結劑倒入硬質合金工具槽中并燒結到位。兩者都能提供硬質切削刃，但價格昂貴，是普通硬質合金刀具的 6 到 10 倍。哈丁評論道：“就刀具形狀和幾何形狀而言，PCD 的柔性不如碳化物，但你可以重新打磨和更換 PCD，有效地延長了刀具壽命。”。“然而，PCD 本身就很脆，需要小心處理。如果掉落，刀具的 PCD 刀刃可能會碎裂，從而導致快速退化。”

PCD 確實具有一定的靈活性，至少以尖端和插入物的形式存在。有不同的等級可以針對特定應用進行優化，并且可以調整刀片的角度以提高切削力和碎屑去除率。然而，默森指出，由于 PCD 比碳化物更難研磨，通過研磨 PCD 生產工具的公司通常無法實現相同的公差。

將刀具與材料和應用相匹配，可以將刀具壽命提高 10 到 20 倍，并將切削時間縮短 90%。

她解釋說：“電子束加工可以用來提高公差，但會增加更多的成本。”。“這對于實現更低的總體項目成本來說可能是非常值得的，因為切削工具通常只占總加工成本的 3%到 5%，其余部分由耗材、切削時間、更換切削工具的時間等組成。”

最近，化學氣相沉積（CVD）已經開始在某些應用中取代 PCD。這項技術通常被稱為金剛石涂層或金剛石涂層碳化物（DCC），它從經過預處理的碳化物坯料開始，使金剛石能夠直接在其表面“生長”，厚度為 0.2 至 0.3 密耳（6 至 8µm）。哈丁評論道：“因此，您仍然可以保持切削刃，硬質合金基底允許特定材料的刃口和幾何形狀。CVD 提供了硬質合金的靈活性和 PCD 的工具壽命，并且更適合車間使用。”

Sandvik Coromant 已經發現 PCD 更適合鉆孔，CVD 最適合修整。但默森警告說，“這只是關于工具壽命，不包括成本。但人們的意見會因背景而異。如果他們來自鉆井，他們喜歡 PCD，而如果他們來自修整，他們更喜歡 CVD。”

哈丁總結道：“使用 PCD 或 CVD 鉆頭，再加上某些幾何形狀，幾乎總是可以延長刀具壽命，有時還會顯著降低刀具更換頻率。”。“即使更換切割工具只需五分鐘，中斷操作也要花錢。PCD 和 CVD 工具最初的成本更高，但操作中斷的時間更少。”他還指出， PCD 工具可以重新表面處理和打磨，以延長其使用壽命。“因此，您可以降低整個程序的成本并提高其生產效率。”

洛克希德·馬丁公司的一名技術人員通過手動緊固測試由 AMAMCO 定制的復合鉆具加工的孔。

然而，迪亞曼提斯認為金剛石涂層是最好的選 擇，因為它的優勢在于成本更低。PCD 工具的成本是競爭性 CVD 工具的三到五倍。他補充道：“在復合材料中，所有工具都需要涂層。”。“現在有很多涂層正在開發中，以提高工具的使用壽命。即使是對于堆疊材料，也有一些涂層可以幫助工具使用更長的時間，并在工具撞擊金屬時吸收沖擊而不會碎裂。”

例如，CVD Diamond Corp.（加拿大安大略省倫敦市）專注于使用該公司純金剛石薄膜的切削工具，該公司指出，最近的碳纖維復合材料銑削應用需要端銑刀。使用競爭對手的工具，客戶在工具出現故障之前只能銑削 10 個零件。改用 CVD 金剛石工具可將故障前的零件吞吐量提高到 30 到 40 之間，并將所用的每種工具的切割工具成本降低 500 美元。CVD Diamond 表 示，在航空航天領域，它已經致力于戰斗機的應用，開發了一種球頭立銑刀，可以在碳纖維復合材料結構上鉆 27 萬個孔。一種工具鉆 28000 個孔，擊敗了競爭對手使用另一種金剛石涂層工具鉆 10000 個孔的最佳情況。

LMT onsrud LP（伊利諾伊州沃基根）特別指出，就工具磨損和工件損壞而言，使用金屬切削工具切削或鉆削復合材料可能成本高昂。LMT onsrud 提供各種各樣的碳化物、PCD 涂層和納米晶體金剛石涂層工具，具有相同的工具幾何形狀，旨在最大限度地減少熱量，防止樹脂燃燒，并提供清潔的纖維切割。這種要求是復合材料獨有的，因此成本可能很高：一個專用工具幾乎要 800 美元。然而，涂層可以使刀具壽命延長 10 到 20 倍，新的幾何形狀可以將加工時間縮短 90%。因此，所需要的是仔細評估，以將工具與應用程序相匹配，從而最大限度地提高吞吐量、工具壽命和價值。

堆疊的一次性解決方案

盡管工具制造商對哪種涂層和幾何形狀最好存在分歧，但沒有證據表明它們對單組分組件的高效鉆孔至關重要。“碳纖維增強塑料需要很高的切割速度和進給率，”哈丁解釋道。“鈦的情況正好相反，它對溫度非常敏感，而且在加工過程中產生的熱量會使其硬化。”

這種鉆頭尖端很小，直徑逐漸增大，并涂有 CVD 金剛石涂層，是專門為鉆削 CFRP 而設計的。它是制造者。AMAMCO 表示，CVD 涂層已經開始取代 PCD，因為前者獲得了與后者相同的使用壽命，但以更低的成本提供了碳化物的幾何靈活性。

因此，每種解決方案的差異再大不過了。迪亞曼提斯說：“碳纖維增強塑料需要一個長點和快速度，而鈦需要一個短而短的點和慢速度，否則會燒壞鉆頭。”

在航空航天領域，即使是全 CFRP 零件也可能不是全 CFRP。哈丁指出，“通常，碳纖維增強塑料在表面或表面附近有額外的銅網層用于雷擊保護，這對機床來說可能是一個挑戰。銅很軟，而碳纖維增強材料需要更高的加工速度，并且會磨損切削工具。這會弄臟銅，從而使切削工具失效，并大大削弱有效加工碳纖維增強金屬的能力。”（在這里，舊的備用碳化物就可以了。“我們仍然建議在某些區域使用，”默森說。“例如，有雷擊保護，需要非常鋒利的邊緣，或者整個零件磨損和脫落。”）

因此，毫不奇怪，對于堆疊但不同材料的鉆孔，一個常見的解決方案是為每個孔使用多個鉆具。Merson 說：“如今，三階段鉆井工藝仍然普遍使用，需要進行預鉆、鉆孔和擴孔操作，以達到所需的表面和尺寸質量。”

這讓迪亞曼提斯很惱火，他認為復合材料制造商應該與能夠設計“一次性”鉆孔解決方案的機床供應商打交道。“我們為波音公司提供了很多不同的操 作，所有這些操作都為一個孔提供一個鉆具。我們只是看不到為每個孔使用兩個和三個單獨的鉆具和/或操作的效率。”他繼續說道，“我們和客戶的期望都是一種能夠解決所有材料的工具。”他承認，這聽起來可能不可能，“但我們只是例行公事。”

AMAMCO 提供一次性鉆孔解決方案，但更喜歡 CVD 而不是 PCD。迪亞曼提斯認為，“我看到很多商店拒絕更換他們的 PCD 工具，盡管它們需要兩次操作。也就是說，直到他們嘗試我們的 CVD 一次性工具，并親眼看到它比他們以前使用的兩種 PCD 工具更耐用。”

但默森認為，山特維克可樂滿已經開發出了避免這種情況的解決方案。“我們最新的一款使用了動力進給機和螺旋槽鉆頭，該鉆頭基于紋理 PCD 點，具有針對鈦/CFRP/鋁堆疊材料優化的特定幾何形狀。”

關鍵是要逐層控制疊層加工。哈丁解釋道：“你可以通過調整每種材料的切割參數來實現這一點。”。迪亞曼提斯說，一種策略是一種名為微檢查的鉆井技術。“在鉆復合材料/鈦堆疊時，你要避免的是鈦的長切屑在它們離開時在復合材料的內孔留下疤痕。”鉆頭電機的設計目的是在撞擊鈦時減速，然后施加力，然后每秒縮回多次。這錘擊鈦片，在切割時將其打碎。較小的碎片被帶出鉆頭凹槽中的孔，因此不會對復合材料造成疤痕。

優化今天和明天

與機床制造商合作可大幅降低成本、廢品率和工藝流程時間。Cajero 的哈丁說：“最新的切割工具提供了卓越的生產力，縮短了加工時間，降低了整體生產成本。”。“這種工具壽命的提高和其他生產力的提高……使制造商能夠在不必購買額外機器或建造更大工廠的情況下做更多的事情。”

此外，今天的工具制造商服務可以擴展到工具和流程的測試和驗證。例如，Cajero 通過預先驗證切割工具和操作，幫助公司消除新項目的不確定性。哈丁說：“客戶發送待加工材料的樣品以及他們的規格。”。“然后，我們對材料進行加工，并發回一份關于推薦工具和選項的報告，以及一盤測試加工操作的錄像帶，價值超過千字。”

Cajero 還在自己的專用數控加工中心提供預驗證試驗。哈丁解釋道：“當大規模切割工具試驗可能會使原始設備制造商花費超過 10 萬美元時，至關重要的是要確保他們的關鍵收入流得到維持，不要將產能轉移到干擾生產流的測試活動上。”

默森指出，“定制”趨勢可能會導致刀具制造方式的根本性變化。例如，機床制造商正在試驗 3D 打印，這是一種流行的增材制造形式她說，所有的刀具制造商都對此感興趣，但她指出，“他們正在以不同的方式處理這一問題。”

未來？哈丁將汽車視為自動復合材料加工的下一個前沿領域，也是一個具有挑戰性的領域。“汽車行業對復合材料和更低成本的自動化要求更高，同時保持可重復性。這里的機器人更為常見，但所用的樹脂與航空航天大不相同。我們一直是幾款豪華和超級跑車品牌的單一來源供應商，但這些都是小批量制造 商。通用汽車、福特和大眾想要的大不一樣。我們必須優化尺寸加工工具設計，以實現更大的體積和更自動化的操作。”

與此同時，鉆具制造商的目標是通過應用他們不斷增長的知識，繼續降低加工成本，從而提高客戶的底線。

注：原文見《Optimizing, customizing composites hole drilling》2024.2.21 (初發布日期：2012.4.9 )

楊超凡 2024.2.26

本文經譯者同意發布