金刚石刀具促进复合材料钻孔加工应用的发展.pdf

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1、笔论坛FORUM金刚石刀具促进复合材料钻孔加工应用的发展DiamondsAdvanceCompositesDrilling肯纳飞硕金属(上海)有限公司由于碳纤维材料和金属材料的机械性能有极大差别。在对紧固孔进行有效的钻孔加工时。需要使用具有高耐磨性和优化槽型的切削刀具产品。在加工航空航天领域零配件时。多晶金刚石(PCD)刀具要比传统的碳化钨硬质合金刀具有更高的加工效率。一些领先的刀具制造商正在开发并生产PCD钎焊钻头产品。碳纤维增强复合材料(CFRP)具有比重小、强度高等优异特性，并且在极端条件下具有稳定的材料属性，因此在全球航空航天领域有着广泛

2、的应用。CFRP材料可以单独使用，也可以与钛板和铝板配合使用。举例而言，波音787制造材料的80％为复合材料，相当于其总重量的50％，可以减少1500张铝板和50000个固定件的使用。与波音767相比，可以节省20％的燃油消耗。目前，胶粘和焊接等连接技术存在很多问题，因此，铆接固定技术在实际应用中依然占主流地位。由于碳纤维材料和金属材料的机械性能有极大差别，在对紧固孑L进行有效的钻孔加工时，需要使用具有高耐磨性和优化槽型的切削刀具产品。在加工航空航天领域零配件时，多晶金刚石(PCD)刀具要比传统的54航空制造技术·2014年第12期碳化钨硬质合金

3、刀具有更高的加工效率，一些领先的刀具制造商正在开发并生产PCD钎焊钻头产品。这些刀具产品的切削刃采用PCD材料，钻体部分为整体硬质合金材料。硬质合金钻体有很好的刚性和尺寸精度，确保钻孔的加工质量，同时具有内部螺旋冷却通道，螺旋式排屑槽可以提高冷却性能和排屑性能，这些特性对钻孔加工是非常必要的。位于功能区的切削刃部分采用PCD材料，具有极好的耐磨性，可提高加工效率。图1所示为采用PCD钎焊刀片的定制模块化钻头。优化的刀具设计具有关键性的作用，在加工先进的航空航天复合材料时可以确保极好的钻孔质量。在刀具尺寸设计中，很多因素对钻孔质量都有影响，例如，为

4、了降低切削力而提高刀尖半径的锐度、增大前角等。其他因素还包括：为了减小推进力、避免纤维材料的撕裂现象而减小钻尖角度，为了改善毛口高度控制性能而优化刃口设计。机床刀具、主轴及整体刀具的刚性、刀柄、内冷或射流冷却方式，以及钻孑L工件材料在刀具设计过程中也都是需要重点考虑的因素。在多数情况下，为了满足客户的图1采用PCD钎焊刀片的定制模块化钻头Ⅲ。。c㈨。。酬未来刀具不同需求，需要为客户及时提供定制刀具产品。刀具开发过程为了开发一款高性能的PCD刀具产品，应当在考虑综合因素的情况下，再进行深入的研究。这种开发过程不仅决定了刀具的性能，还对刀具的加工效率

5、和成本有重要影响。在生产用于复合材料加工的合成金刚石钻头产品时，有4种主要技术可以应用。1CVD(化学气相淀积)金刚石涂层钻头整体硬质合金钻头在最后一个工艺进行CVD金刚石涂层处理，这种方法成本效益高，但刃口锐度受到了涂层厚度的影响。此外，由于硬质合金基体部分和金刚石涂层部分的硬度不同，导致吸收冲击能量的性能不佳，防崩刃性能也很有限。2PCD镶刃钻头圆锥型的PCD材料按照特点钻尖槽型烧结至较小尺寸的硬质合金基体之上，然后，将这些半成品钎焊到整体硬质合金钻体上。为了处理硬质合金和PCD连接面之间的高应力问题，这款PCD产品在PCD材质优化方面受到了

6、限制。后烧结工艺因为需要增加内部冷却孔以去除非功能区的金刚石材料，成本高昂。3PCD纹络钻头在整体硬质合金棒料之上预先加工的槽内填入PCD粉末原料，然后经过高温高压处理形成PCD排列结构，再对棒料进行剪切，钎焊到钻体上，最后按照规定槽型进行磨削处理。这种PCD纹络技术可以制造复杂槽型以及具有高正前角外形的刀具产品；与PCD镶刃刀具产品相比，只需较少的磨削处理。这种刀具因为要对复杂3D槽型进行高温高压处理，所以尺寸受限。此外，高钴成分材料的使用降低了PCD材料的硬度和耐磨性。4PCD钎焊钻头对于较小尺寸刀具来说，最成熟的PCD钻头加工技术为2D技术

7、(例如PCD扁钻)，可以使用一种特殊的硬质合金和PCD夹层材料，而对于较大尺寸刀具，则可以使用纯PCD钻尖材料。这款产品很难增加一个用于复合材料加工的前角，在槽型方面有严重的缺陷。3D钎焊需要多个所需材质的PCD刀座，且微观结构应按照设计切割为螺旋形状，在整体硬质合金钻头上应磨削出一个对应的螺旋槽，以安装PCD刀片。与PCD镶刃产品相比，这款3D钎焊产品只在功能区采用PCD材料，大大提升了加工性能，被用于开发本文所述的PCD测试钻头。选择PCD材质的另一个重要原因是金刚石材料的机械加工性能。机械加工性能是通过计算由不同PCD原材料制成相同刀具的时

8、间评定的，重点关注各个制造步骤，包括PCD刀盘的腐蚀和PCD材料的磨削。机械加工性能越好，等级就越高，制造时间越短，成本越低。这与在开发