加工復材的7個技巧
纖維增強復合材料機翼部件通常與鋁和鈦堆疊在一起，可能會對加工過程提出挑戰，包括刀具安全性和最終表面質量。Sandvik Coromant航空航天工業越來越多地轉向復合材料，使現代飛機更輕、更堅固、更高效。復合材料的重量比金屬材料輕20%，重量比鋁、鋼和鈦更堅固，非常適合輕量化的大型結構和機身部件。它們還為工程師提供了更大的設計靈活性，因為它們可以被塑造成傳統材料無法實現的復雜形狀。
對制造商來說，不利的一面是這些材料很難加工，因為它們具有磨蝕性，容易碎裂。例如，碳纖維增強聚合物（CFRP）的極高磨蝕性含量將帶來各種挑戰，從切削刀具的快速磨損和切削質量的降低，到高溫、振動和不穩定的切削條件。與傳統的金屬加工相比，在切割CFRP時，標準硬質合金切削刀具的使用壽命可能只有其通常刀具壽命的5%。
克服這些挑戰沒有簡單的公式，因為復合材料可以具有如此廣泛的特性。然而，每個商店都可以應用一些關鍵的最佳實踐和切割原則來駕馭這些動態并改進運營。
了解你的材料
首先要了解的是，復合材料可以通過基質或分層增強材料包含廣泛的組成材料，這意味著它們可以具有各種各樣的物理和化學性能。除了碳纖維外，復合材料可能還有其他增強材料，如玻璃纖維、芳綸（凱夫拉爾）或其他纖維合成材料。還可以添加陶瓷或金屬粉末以及各種添加劑，如二氧化硅或二氧化硅，以提高材料性能。
了解復合材料的組成及其在加工過程中的行為對于實現最佳的機器設置至關重要。例如，切割由單層組成的單向帶（UD）材料可能會帶來獨特的挑戰。當纖維沿同一方向排列時，它們不會為材料結構提供支撐，并且在加工操作過程中容易受到拉扯和磨損。工廠需要從適當的角度和方向接近切割，在某些情況下，需要使用從材料頂部和底部接近切割的壓縮式工具。
復合材料的另一個挑戰是，它們通常與其他材料（如鈦、鋁或銅）以各種組合堆疊在一起。在一次鉆孔中鉆穿這些組合時，車間需要了解鉆頭將如何與每一層材料相互作用。使用堆疊的碳纖維和鋁，操作員可以在切割過程中保持相同的激進切割速度，但對于鈦等較硬的材料，在每層鉆孔操作期間可能需要調整切割速度和進給速度。
控制灰塵
復合材料在加工過程中會產生大量有害粉塵。這不僅對呼吸健康有害，而且灰塵顆粒對機器電子設備和設備也極具破壞性。此外，大多數飛機制造商不能允許碎片被留在飛機結構內，因此必須進行有效的除塵。為了控制這些顆粒，請安裝合適的筒式除塵器，并在可能的情況下密封機床外殼。如果主軸被正確封閉，一個簡單的車間真空附件也足夠了。
用工具變得強硬
由于復合材料的極高耐磨性，高速鋼甚至硬質合金刀具都可能很快失效。由于故障而頻繁更換刀具會導致生產率下降，特別是在加工大型結構部件（如翼盒）或鉆數千個鉚釘孔時。在這些應用中，投資聚晶金剛石（PCD- polycrystalline diamond）刀具是值得的，因為它們的使用壽命比標準切削刀具長10-15倍，提高了工藝安全性和表面質量。這些工具可以更長時間地保持鋒利，并在復合材料中提供更清潔的切割，降低磨損或故障的風險，從而導致報廢的組件。
高性能整體硬質合金鉆頭，如Sandvik Coromant的CoroDrill 863，旨在輕松鉆穿各種碳纖維增強材料和金屬堆疊材料。
金剛石工具的表面可能有一層金剛石涂層，使用化學氣相沉積（CVD- chemical vapor deposition）工藝施加，或者它們可以用燒結成碳化物的金剛石脈制成。靜脈切削刀具代表了復合材料加工的重大進步，使PCD能夠放置在螺旋靜脈中，以獲得更好的螺旋幾何形狀和切屑流動。這減少了切削力，特別是在鉆頭出口處。
一個好的切削刀具供應商將使用復合材料對PCD刀具進行廣泛的測試，以提供有關性能和預期壽命的明確數據，從而幫助實現更可預測的結果。他們還可以通過修復來延長工具的壽命，這是近年來有所改善的領域。以前PCD刀具可以重新磨削兩到三次，現在您可以重新磨削一些刀具多達10次。再磨削的成本通常是新切削刀具成本的20%，因此這大大提高了投資回報率。
消除分層
無效的加工工藝會導致復合材料層壓板分層，這會對部件的結構完整性和表面質量產生不利影響。為了避免這種層分離，必須使用能夠最大限度地減少材料提升的切削刀具幾何形狀。例如，選擇低螺旋角（最多10°至15°）的銑削工具進行材料去除，可以防止銑削操作將材料拉開。
此外，一旦刀具開始變鈍，它會立即開始推動材料，而不是進行平滑切割，從而導致碎裂。為了避免這種情況，請選擇保持鋒利邊緣更長的刀具，如帶有PCD尖端的鉆頭，不要突破預期壽命的限制——當切削刀具開始失去邊緣時，請更換切削刀具。為了更長時間地保持鋒利度，可以通過在側銑操作中定位刀具以在槽上進一步切削等策略來管理刀具磨損。這可以更均勻地分散刀具磨損，延長刀具壽命。
專門設計的壓縮螺旋刀具，如Sandvik Coromant的CVD涂層CoroMill Plura，有助于減少修邊時的分層和懸掛（未切割纖維）。
有各種各樣的鋒利工具可供選擇，這些工具的設計目的是在與復合材料一起使用時提高性能。例如，壓縮螺旋刀具，如Sandvik Coromant的CVD涂層CoroMill Plura，有助于減少修邊時的分層和懸掛（未切割的纖維），而帶紋理的PCD端銑刀在開槽、修邊和開槽等正交切削中表現良好。對于鉆孔，帶紋理的金剛石鉆頭通常配有特殊的邊緣倒角、半徑，甚至是經過修改的尖頭（類似于木工鉆頭），以防止在穿透時分層或碎裂。
典型的機器操作員在切割過程中會傾聽，當聲音不對勁時，他們往往會降低切割速度和進給速度。這也是保護切削刀具壽命的常見做法。但在復合材料中，這種謹慎的加工方法往往會導致問題。復合材料加工的聲音更難讀取，進給和切屑負載（切削刃每次旋轉產生的切屑寬度）過低會導致摩擦、顫振、分層和刀具過度磨損。
機械師還必須學會讀取切削刀具上的磨損模式，并相應地調整刀具路徑。如果銑刀出現過度磨損，操作員可能需要考慮在Z方向上調整刀具，以使用更多的刀具來減少磨損并避免分層。對于鉆孔，改用尖頭鉆頭可能會防止孔背面分層。由于復合材料的多樣性，嘗試不同類型的刀具和工藝參數，或與工具提供商合作尋找正確的幾何形狀，通常是最好的方法。
要有攻擊性
切割復合材料，特別是用于飛機地板和客艙隔板的夾層蜂窩材料，可能具有挑戰性——大多數時候，工具只是將面板推開。這里的關鍵是保持積極進取，保持6000-10000 rpm的切削參數和每齒0.002-0.003英寸的高切屑載荷。這也有助于通過將熱量通過切屑傳遞到切削刀具，從而最大限度地減少材料中的熱量積聚。當使用熱固性材料和可熱成型/熱塑性材料時，這一點尤為重要，這樣材料就不會粘附在工具上。如果工具在小于0.001英寸的切屑負載下操作，它們將很快被破壞。
在切割復合材料時，保持侵略性至關重要，保持6000-10000 rpm的切割參數和每齒0.002-0.003英寸的高切屑載荷。
在這里使用PCD或CVD工具將使操作能夠保持所需的激進切割。例如，Sandvik Coromant的CoroDrill 863具有-O幾何形狀，可提供專為鉆削復合材料而設計的PCD或CVD選項。優化后的鉆頭具有獨特配方的基材，可更好地與涂層粘附，以及高軸向前角，可減少分層。PCD紋理CoroDrill 859V針對可能使用預浸料系統以及環氧樹脂和雙馬來酰亞胺的UD材料進行了優化。雙角度幾何形狀有助于減少高要求材料的分層。
另一個考慮因素是冷卻液的使用。使用冷卻劑管理熱量通常不是一種選擇，因為冷卻劑可能會進入復合材料層壓板并污染材料。為了降低熱量，工廠可以在切割區使用壓縮空氣或冷空氣槍，并配備足夠大的集塵系統，作為一種低成本的解決方案。
保護您的設置
剛性和安全的工具固定至關重要，否則對好工具的投資將因表面光潔度差而浪費。
剛性和安全的刀架至關重要，可以防止切削中的顫振，這可能會破壞對優質加工工具的投資。液壓卡盤將最大限度地減少用盡和工具拔出的可能性，這些事件可能會導致價值40000美元的CFRP機翼零件報廢。在較高的主軸速度下（高于20000 rpm），最好將刀架作為一個完整的組件進行平衡，安裝切削刀具和固定旋鈕以保持刀架的安全。
夾持復合材料工件也很重要。如果工件有足夠的表面積來產生足夠的夾緊力，真空夾具是有用的。在大多數情況下，夾具是最好的選擇，特別是對于復合工件常見的復雜3D形狀。這些設計應避免任何無支撐的切割區域，同時仍能牢牢抓住，以防止零件移動和振動。
與工具提供商合作
由于加工復合材料涉及如此多的變量，使用正確的工藝進行正確的機器設置可能會令人望而生畏。通過測試證明新組件或材料的工藝需要許多商店沒有的時間和資源。然而，重要的是要記住，你不是一個人。與工具提供商合作可以帶來的不僅僅是工具建議；它們可以成為工程和支持的寶貴資源。除了刀具選擇指導外，他們還可以使用與您的車間相同類型的設備在測試設施中幫助進行刀具路徑編程、模擬和加工新部件。Sandvik Coromant等供應商甚至可以定制客戶特定的刀具，以滿足零部件的需求。
復合材料是任何機械師都會面臨的最具挑戰性的材料之一。加工這些材料是一個多塵、艱巨和磨蝕的過程，對切削工具來說很難。但是，只要將切割工具、切割策略和內部團隊和/或工具提供商合作伙伴的專業知識正確組合在一起，任何工廠都可以為更成功的航空航天復合材料生產做好準備。
原文作者：大衛·登布爾
David DenBoer在山特維克可樂滿工作了八年，擔任該公司圓刀具組的航空航天專家。他在切割復合材料和機身方面擁有35年以上的經驗。info@sandvik.com
原文, 《 Seven tips for machining composite aerospace components 》
2025.2.7
感謝網友 慶浩 提供原文！
楊超凡 2025.2.8
