玉环县凯印工具厂
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金刚石刀具促进复合材料钻孔加工应用的发展
发布时间:2014.06.04 新闻来源:玉环县凯印工具厂专业生产拉刀,Broach,花键拉刀,圆拉刀,键槽拉刀 浏览次数:
 

  优化的刀具设计方案具有关键性的作用

  碳纤维增强复合材料(CFRP)具有极高的强度重量比,并且在极端条件下具有稳定的材料属性,因此在全球航天航空行业内有着广泛的应用。这种材料可以单独使用,也可以与钛板和铝板配合使用。举例而言,波音 787 梦幻客机 80% 的制造材料为复合材料,相当于其重量的 50%,可以减少1,500 张铝板和 50,000 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,类如胶粘和焊接之类的联接技术还有很多问题;因此,铆接固定技术在实际应用中依然占有主流地位。因为碳纤维材料和金属材料的机械性能有极大的差别,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。

  凯印拉刀发现在加工航天航空行业内的零配件时,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。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,提高加工效率。

  优化的刀具设计具有关键性的作用,在加工先进的航天航空复合材料时可以确保极好的钻孔质量。在刀具尺寸设计中,很多必要因素对钻孔质量都起着重大的影响作用,例如,为了降低切削力而提高刀尖半径的锐度,增大前角等。其它因素还包括,为了减小推进力,以及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,以及钻孔工件材料在刀具设计过程中也都是需要考虑的重要因素。在多数情况下,为了满足客户的不同需求,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,凯印拉刀认为应当在考虑综合因素的情况下进行深入的研究。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和成本起到了重要的影响作用。

  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:

  - CVD(化学气相淀积)金刚石涂层钻头

  整体硬质合金钻在最后一个工艺经过 CVD 金刚石涂层处理。这是一种成本效益很好的产品,但刃口锐度受到了涂层厚度的影响。此外,因为硬质合金基体部分和金刚石涂层部分的硬度不同,这款产品吸收冲击能量的性能不佳。防崩刃性能也很有限。

  - PCD 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,将这些半成品钎焊至整体硬质合金钻体之上。为了处理硬质合金和 PCD 联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限制。后烧结工艺还会导致成本高昂,因为需要去除非功能区的金刚石材料,还要增加内部冷却孔。

  - PCD 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。在经过高温高压过程之后,对棒料进行剪切后钎焊至钻体之上,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。这种刀具受到尺寸限制,因为要对复杂 3D 槽型进行高温高压处理。此外,因通常需要使用高钴成分的材料,因此也降低了 PCD 材料的硬度和耐磨性。

  - PCD 钎焊钻头

  最成熟的 PCD 钻头加工技术为 2D 技术(例如 PCD 扁钻) 对于较小尺寸刀具,可以使用一种特殊的硬质合金和 PCD 夹层材料;对于较大尺寸刀具,可以使用纯 PCD 钻尖材料。这款产品在槽型方面有严重的缺陷,因为很难增加一个用于复合材料加工的前角。3D 钎焊需要多个所需材质的 PCD 刀座,并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,大大增加了加工性能。这项 3D 钎焊技术被用于开发本文所述的 PCD 测试钻头。

  选择 PCD 材质的另一个重要因素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。了解机械加工性能测试结果请参看表一中的测定等级。机械加工性能越好,等级就越高,制造时间就越短,成本也就越低;这与在开发一款具有竞争性的刀具产品时,刀具性能的重要性是一样的。

  PCD 钎焊

  本文中介绍的刀具产品需要将 PCD 螺旋切片钎焊至碳化钨刀体上,选用的钎焊技术应避免处于亚稳态的多晶金刚石石墨化,还需要将 PCD 与碳化钨进行粘结处理。这需要采用高效的钎焊技术。高效的钎焊材料通常包括高熔点聚合物材料,如钛材料。钎焊温度因此很高,对金刚石相的稳定性有负面影响。为了避免石墨化,在钎焊过程中应避免氧化环境。最新的技术包括氩气环境中的感应钎焊,以及真空钎焊。

 

 
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