復合材料鉆孔、锪窩工藝
Kennametal的HiPACS鉆孔和沉孔工具專為高精度加工而設計，可提高航空航天制造的效率和精度。
提高性能和制造更輕、更堅固的部件一直是航空航天業的驅動力，這促使制造商突破創新的極限。這包括設計用于在碳纖維增強聚合物（CFRP）復合材料（包括熱固性塑料或熱塑性塑料）上鉆鉚釘孔的工具解決方案，用于機身、擾流板、機翼蒙皮和其他重要部件。
全球工具公司肯納（Kennametal-美國賓夕法尼亞州匹茲堡）表示，它了解復雜鉚釘孔鉆孔的復雜性，尤其是在加工分層堆疊板時。隨著全球對碳纖維增強塑料（CFRP）的需求因其顯著的輕量化優勢而增加，一些加工挑戰可能會發揮作用，包括頻繁的刀具更換和設置?？霞{工具公司正在不斷開發能夠提供更高性能的切削刀具系統，以克服這些挑戰并滿足行業要求。
在復合材料中鉆鉚釘孔的挑戰
鉆鉚釘孔通常在CFRP或CFRP混合材料堆（如鋁或鈦）中進行。由于CFRP的磨蝕性和各向異性，加工CFRP可能具有挑戰性；材料的強度和剛度會根據纖維方向和復合材料的分層方式而變化。如果處理不當，鉆穿這些材料通常會導致分層、纖維拔出甚至孔錯位。因此，至關重要的是要保持切屑控制和嚴格的公差，避免纖維損壞，并盡量減少毛刺的形成，以保持工件的完整性。
有幾種方法可以確保用戶在鉆復合材料時達到最佳效果，包括以較小的增量去除材料，使用適當的工具和進給速度，以及優化鉆孔周期以確?？赘蓛?。
肯納工具公司CFRP和航空航天裝配及未來解決方案工程技術項目經理斯蒂夫·格萊姆（Steve Gray）表示：“為了應對加工復合材料的挑戰，采用提高精度和保持工件質量的策略至關重要。考慮使用專用工具，調整加工參數并改進工藝，以實現最佳結果。”
堆疊層壓板的一個問題是保持鋒利的切削刃，這減少了加工所需的力，最大限度地降低了毛刺形成和分層的風險。注意工具的磨損也很重要，這會導致過度摩擦并產生更多熱量，從而導致更高的分層和纖維拔出風險。在加工多材料堆疊時，使用金剛石涂層或聚晶金剛石鉆頭可以提高切削性能和刀具壽命，從而更容易保持嚴格的公差。
另一種可能的輔助方法是使用啄食循環- pecking cycle（也稱為啄食鉆孔或啄食銑削）。該技術使用多次少量切削而不是一次量大的切削，是去除碳纖維增強塑料/金屬堆疊中的切屑并保持低溫的有效方法。它可以防止孔積聚金屬碎片，這些碎片在離開時會腐蝕CFRP。它還可以防止工具過熱，這會阻止樹脂達到其玻璃化轉變溫度，從而損壞復合材料工件。
事實上，如上所述，熱量積聚是損壞零件的主要因素，但也會縮短切削刀具的壽命。值得注意的是，熱塑性復合材料不易分層，但在鉆孔過程中更容易積聚熱量和變形。同時，熱固性復合材料具有優異的熱穩定性，在高溫下不會熔化，但鉆孔過程中產生的熱量仍會導致熱降解并影響復合材料的機械性能。CFRP-鈦混合復合材料由于需要處理這兩種材料的技術而帶來了進一步的問題。
采用冷卻劑策略是管理溫度控制的另一種選擇。例如，在刀具的切削刃上提供最小量潤滑可以減少摩擦和熱量積聚。
環保環境的可持續解決方案
除了提高復合材料的切削效率外，切削刀具供應商還將可持續性作為首要任務，即找到減少浪費和降低能耗的解決方案。MQL技術是減少浪費的理想選擇—通過在鉆孔時直接在鉚釘孔的切割區域施加特定量的潤滑，可以顯著減少冷卻液的使用量。使用液態二氧化碳進行低溫冷卻是減少刀具切削刃熱量的另一種有效方法。這種技術使刀具保持極冷狀態，有助于減少刀具磨損，并使切削刃保持更長時間。
肯納工具公司鉆削和螺紋工具全球投資組合經理格奧爾格·羅斯（Georg Roth）表示：“我們經常收到客戶的來信，詢問如何減少碳足跡。”。“這適用于從提高刀具壽命、減少碳化物消耗到使用可回收包裝材料的所有方面。”
除了使用刃口刀片防止浪費或使用模塊化刀架系統外，修復和重新研磨服務還旨在恢復現有的切削刀具，以延長使用壽命。這有助于通過使用更少的材料來實現可持續性，并降低每個孔的成本。
肯納工具公司的切削刀具解決方案采用先進的立銑刀和鉆頭，為加工復合材料提供了更高的性能和精度。
改進設計和性能
隨著鉆孔工具和技術的不斷進步，CFRP和熱塑性塑料等材料的整合導致了肯納工具公司鉚釘孔鉆孔分層材料堆疊技術的重大創新。
例如，模塊化鉆頭具有高剛性，可用于各種材料。超高拋光槽實現了高效的排屑，聯軸器完全免受切屑流動和與工件接觸的影響。
分體式纖維（SPF- Split point fiber ）整體硬質合金鉆頭提供了一種針對特定材料的設計，用于加工復合材料和復合材料堆疊。多層化學氣相沉積（CVD- chemical vapor deposition ）金剛石涂層提供了更長的工具壽命和高耐磨性。90°點角設計提高了切削刀具的定心能力，并最大限度地減少了分層。
雙角度（DAL- Double angle ）鉆機用于CFRP金屬堆疊鉆孔作業。雙角點設計提供了最佳的定心能力，并在離開堆疊的金屬側時最大限度地減少了毛刺。DAL鉆頭可應用于所有堆疊組合：CFRP鈦鋁（CFRP Ti-Al）以及CFRP Ti、CFRP Al和直Ti或Al。即使在應用MQL時，高度拋光的切屑槽也能確保最佳的切屑排出。
正確的鉆尖幾何形狀在鉚釘孔鉆削中也至關重要，因為它確保了精確的孔徑和對齊，有效地減少了熱量，促進了有效的切屑去除，最終使飛機的結構完整性更強。
肯納工具公司進行了碳纖維鈦堆疊鉆孔Ti6Al4V（3.7164）出口毛刺分析，以比較使用通用鉆頭幾何形狀（頂部）與使用肯納工具的DAL幾何形狀（底部）鉆孔的毛刺尺寸結果。毛刺尺寸分別≤0.48毫米和≤0.06毫米。
HiPACS鉆孔和沉孔工具是另一種高精度系統，在航空航天緊固件孔應用中實現了1°角埋頭窩公差。HiPACS設計用于夾緊在標準液壓卡盤中，由三個標準部件組成：帶有內置高精度凹座的減速器套筒，用于锪窩刀片，PCD锪窩刀片和具有SPF和DAL點幾何形狀的整體硬質合金或PCD鉆頭。這種易于組裝的系統可用于一次性鉆孔和锪窩。每個部件都可以彼此獨立地更換，因此只有磨損的部件可以更換，而其他部件可以繼續使用。
HiPACS精密刀具系統刀片位于槽內，可實現過渡半徑/倒角的最佳形成，防止孔和埋頭窩之間出現臺階。此外，該系統的靈活性可以減少傳統整體工具的庫存。直柄可在10毫米內調整高度。該精密系統提供間隙，使鉆頭能夠保持3-5微米的跳動。
在實際應用中，一家一級航空航天供應商希望降低其整體組件的成本和復雜性?？霞{工具公司介入，用該公司的HiPACS系統取代了現有的整體式模具組件，該系統實現了每孔成本最低，并顯著減少了生產線項目。
肯納工具公司的HiPACS精密模具系統，描繪了可以調整刀片高度的位置。
導向可以提供幫助
鉚釘頭不得伸出飛機蒙皮，因為這會產生湍流和阻力。相反，通過埋頭窩實現齊平表面，使鉚釘頭與表面齊平。由于機械和設備的可訪問性挑戰，埋頭窩操作通常必須手動完成。為了解決這一挑戰，KenShape MaPACS和MaxPACS導向PCD埋頭窩的設計便于在手動埋頭窩應用中操作。Microstop工作站提供深度控制的準確性。這使得埋頭孔在加工時能夠提供一致的質量。
鉚釘鉆孔的未來
鉚釘孔鉆削是航空航天制造業的關鍵工藝，向復合材料的轉變正在推動切削刀具技術的進步。考慮到這一點，肯納看到了復合材料制孔的新方向。例如，正在開發傳感器來指導、監測和調整鉆孔操作，以防止工具磨損和材料損壞。這將實時完成，不僅可以優化造孔過程，還可以提高效率。
例如，肯納工具公司最近與一位客戶合作開展了一個“單向裝配”項目，該項目涉及開發基于傳感器的技術，旨在簡化飛機裝配中的堆疊鉆孔。通過使用傳感器來確?？追弦幐?，可以消除清潔、拆卸和檢查的需要，從而節省飛機--裝配的大量時間和成本。
航空航天工業對更好性能和更輕部件的追求導致了切削刀具的創新，隨著對碳纖維增強塑料需求的增長，這種創新將繼續下去。
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原文《 Addressing rivet hole drilling challenges for aerospace composites 》
楊超凡
