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優(yōu)化的刀具設(shè)計(jì)方案具有關(guān)鍵性的作用
碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）具有極高的強(qiáng)度重量比，并且在極端條件下具有穩(wěn)定的材料屬性，因此在全球航天航空行業(yè)內(nèi)有著廣泛的應(yīng)用。這種材料可以單獨(dú)使用，也可以與鈦板和鋁板配合使用。舉例而言，波音 787 夢(mèng)幻客機(jī) 80% 的制造材料為復(fù)合材料，相當(dāng)于其重量的 50%，可以減少1，500 張鋁板和 50，000 個(gè)固定件的使用。與波音 767 相比，可以節(jié)省 20% 的燃油消耗。目前，類如膠粘和焊接之類的聯(lián)接技術(shù)還有很多問(wèn)題；因此，鉚接固定技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中依然占有主流地位。因?yàn)樘祭w維材料和金屬材料的機(jī)械性能有極大的差別，在對(duì)緊固孔進(jìn)行有效的鉆孔加工時(shí)，需要使用具有高耐磨性和優(yōu)化槽型的切削刀具產(chǎn)品。
在加工航天航空行業(yè)內(nèi)的零配件時(shí)，多晶金剛石（PCD）刀具要比傳統(tǒng)的碳化鎢硬質(zhì)合金刀具有更高的加工效率。一些**的刀具制造商正在開(kāi)發(fā)并生產(chǎn) PCD 釬焊鉆頭產(chǎn)品。這些刀具產(chǎn)品的切削刃采用 PCD 材料，鉆體部分為整體硬質(zhì)合金材料。硬質(zhì)合金鉆體有很好的剛性和尺寸精度，確保鉆孔的加工質(zhì)量，同時(shí)具有內(nèi)部螺旋冷卻通道，螺旋式排屑槽可以提高冷卻性能和排屑性能，這些特性對(duì)鉆孔加工是非常必要的。位于功能區(qū)的切削刃部分采用 PCD 材料，具有極好的耐磨性，提高加工效率。
優(yōu)化的刀具設(shè)計(jì)具有關(guān)鍵性的作用，在加工先進(jìn)的航天航空復(fù)合材料時(shí)可以確保極好的鉆孔質(zhì)量。在刀具尺寸設(shè)計(jì)中，很多必要因素對(duì)鉆孔質(zhì)量都起著重大的影響作用，例如，為了降低切削力而提高刀尖半徑的銳度，增大前角等。其它因素還包括，為了減小推進(jìn)力，以及避免纖維材料的撕裂現(xiàn)象而減小鉆尖角度，為了改善毛口高度控制性能而優(yōu)化刃口設(shè)計(jì)。機(jī)床刀具、主軸及整體刀具的剛性、刀柄、內(nèi)冷或射流冷卻方式，以及鉆孔工件材料在刀具設(shè)計(jì)過(guò)程中也都是需要考慮的重要因素。在多數(shù)情況下，為了滿足客戶的不同需求，需要為客戶及時(shí)提供定制刀具產(chǎn)品。
刀具開(kāi)發(fā)過(guò)程
為了開(kāi)發(fā)一款高性能的 PCD 刀具產(chǎn)品，應(yīng)當(dāng)在考慮綜合因素的情況下進(jìn)行深入的研究。這種開(kāi)發(fā)過(guò)程不僅決定了刀具的性能，還對(duì)刀具的加工效率和成本起到了重要的影響作用。
在生產(chǎn)用于復(fù)合材料加工的合成金剛石鉆頭產(chǎn)品時(shí)，有 4 種主要技術(shù)可以應(yīng)用：
- CVD（化學(xué)氣相淀積）金剛石涂層鉆頭
整體硬質(zhì)合金鉆在*后一個(gè)工藝經(jīng)過(guò) CVD 金剛石涂層處理。這是一種成本效益很好的產(chǎn)品，但刃口銳度受到了涂層厚度的影響。此外，因?yàn)橛操|(zhì)合金基體部分和金剛石涂層部分的硬度不同，這款產(chǎn)品吸收沖擊能量的性能不佳。防崩刃性能也很有限。
- PCD 鑲?cè)秀@頭
圓錐型的 PCD 材料按照特點(diǎn)鉆尖槽型燒結(jié)至較小尺寸的硬質(zhì)合金基體之上。然后，將這些半成品釬焊至整體硬質(zhì)合金鉆體之上。為了處理硬質(zhì)合金和 PCD 聯(lián)接面之間的高應(yīng)力問(wèn)題，這款 PCD 產(chǎn)品在 PCD 材質(zhì)優(yōu)化方面受到了限制。后燒結(jié)工藝還會(huì)導(dǎo)致成本高昂，因?yàn)樾枰コ枪δ軈^(qū)的金剛石材料，還要增加內(nèi)部冷卻孔。
- PCD 紋絡(luò)鉆頭
在整體硬質(zhì)合金棒料之上預(yù)先加工的槽內(nèi)填入 PCD 粉末原料，然后經(jīng)過(guò)高溫高壓處理形成 PCD 排列結(jié)構(gòu)。在經(jīng)過(guò)高溫高壓過(guò)程之后，對(duì)棒料進(jìn)行剪切后釬焊至鉆體之上，*后按照規(guī)定槽型進(jìn)行磨削處理。這種 PCD 紋絡(luò)技術(shù)可以制造復(fù)雜槽型，以及具有高正前角外形的刀具產(chǎn)品；與 PCD 鑲?cè)械毒弋a(chǎn)品相比，只需較少的磨削處理。這種刀具受到尺寸限制，因?yàn)橐獙?duì)復(fù)雜 3D 槽型進(jìn)行高溫高壓處理。此外，因通常需要使用高鈷成分的材料，因此也降低了 PCD 材料的硬度和耐磨性。
- PCD 釬焊鉆頭
*成熟的 PCD 鉆頭加工技術(shù)為 2D 技術(shù)（例如 PCD 扁鉆） 對(duì)于較小尺寸刀具，可以使用一種特殊的硬質(zhì)合金和 PCD 夾層材料；對(duì)于較大尺寸刀具，可以使用純 PCD 鉆尖材料。這款產(chǎn)品在槽型方面有嚴(yán)重的缺陷，因?yàn)楹茈y增加一個(gè)用于復(fù)合材料加工的前角。3D 釬焊需要多個(gè)所需材質(zhì)的 PCD 刀座，并且微觀結(jié)構(gòu)應(yīng)按照設(shè)計(jì)切割為螺旋形狀。在整體硬質(zhì)合金鉆頭上應(yīng)磨削出一個(gè)對(duì)應(yīng)的螺旋槽，以安裝 PCD 刀片。與 PCD 鑲?cè)挟a(chǎn)品相比，這款 3D 釬焊產(chǎn)品只在功能區(qū)采用 PCD 材料，大大增加了加工性能。這項(xiàng) 3D 釬焊技術(shù)被用于開(kāi)發(fā)本文所述的 PCD 測(cè)試鉆頭。
選擇 PCD 材質(zhì)的另一個(gè)重要因素是金剛石材料的機(jī)械加工性能。機(jī)械加工性能是通過(guò)計(jì)算由不同 PCD 原材料制成相同刀具的時(shí)間評(píng)定的。重點(diǎn)關(guān)注各個(gè)制造步驟，包括 PCD 刀盤的腐蝕和 PCD 材料的磨削。了解機(jī)械加工性能測(cè)試結(jié)果請(qǐng)參看表一中的測(cè)定等級(jí)。機(jī)械加工性能越好，等級(jí)就越高，制造時(shí)間就越短，成本也就越低；這與在開(kāi)發(fā)一款具有競(jìng)爭(zhēng)性的刀具產(chǎn)品時(shí)，刀具性能的重要性是一樣的。
PCD 釬焊
本文中介紹的刀具產(chǎn)品需要將 PCD 螺旋切片釬焊至碳化鎢刀體上，選用的釬焊技術(shù)應(yīng)避免處于亞穩(wěn)態(tài)的多晶金剛石石墨化，還需要將 PCD 與碳化鎢進(jìn)行粘結(jié)處理。這需要采用高效的釬焊技術(shù)。高效的釬焊材料通常包括高熔點(diǎn)聚合物材料，如鈦材料。釬焊溫度因此很高，對(duì)金剛石相的穩(wěn)定性有負(fù)面影響。為了避免石墨化，在釬焊過(guò)程中應(yīng)避免氧化環(huán)境。*新的技術(shù)包括氬氣環(huán)境中的感應(yīng)釬焊，以及真空釬焊。
優(yōu)化的刀具槽型
在對(duì)復(fù)合材料/鈦材料層疊板進(jìn)行鉆孔加工時(shí)，選擇優(yōu)化的刀具槽型非常困難，因?yàn)檫@兩種材料在切削過(guò)程中表現(xiàn)出不同的特性。CFRP 材料的鉆孔加工通常需要大螺旋角和長(zhǎng)切削刃，因?yàn)樘祭w維應(yīng)當(dāng)沿著切削刃發(fā)生剪切作用。長(zhǎng)切削刃通過(guò)小鉆尖角而實(shí)現(xiàn)。此外，CFRP 材料的鉆孔加工還應(yīng)降低軸向力，以避免在退刀時(shí)發(fā)生加工材料層裂現(xiàn)象。這些特點(diǎn)可以形成非常鋒利的切削刃槽型，同時(shí)也減小楔塊角度。后角可以高達(dá) 20 度，螺旋角約為 30 度。鈦材料的切削原則上也可使用鋒利的切削刃，但與 CFRP 材料的鉆孔加工相比，需要一個(gè)更加穩(wěn)定的楔塊角。鈦材料加工中的刀具后角通常在 8-14 度之間的范圍。與鋼材料加工相比，這些后角通常更大（在本文展示產(chǎn)品中約為 12 度），因?yàn)楹蟮睹嫔系臒崃繎?yīng)當(dāng)盡可能降低，一減少刀側(cè)面磨耗的形成。大后角與典型的 30 度螺旋角結(jié)合應(yīng)用時(shí)，會(huì)明顯降低切削刃的強(qiáng)度。螺旋角已減小至 15-20 度范圍，從而可對(duì)大后角做出平衡。本文展示的這項(xiàng)制造工藝可以根據(jù)所需刀具槽型，選擇不同的螺旋角。這是本文展示工藝的主要優(yōu)勢(shì)之一，因?yàn)槠胀ǖ?PCD 刀尖鑲?cè)械毒咴试S使用的*大螺旋角僅為 8 度。
為了實(shí)現(xiàn)孔徑緊密公差，鉆尖應(yīng)當(dāng)具備卓越的自定中心性能，這一點(diǎn)是絕對(duì)必要的。從另一個(gè)角度而言，鉆尖角度對(duì)毛刺的形成也起到重要的影響。我們知道，鉆尖角在低于 90 度或高于 150 度時(shí)，可以幫助降低鉆孔出口處的毛刺高度。因此，鉆尖角為 155 度的鉆頭適合鈦材料加工的需求，但定中心性能不好。所以，推薦使用雙鉆尖角設(shè)計(jì)方案，其中內(nèi)部鉆尖角為 130 度，外部鉆尖角為 155 度。與普通應(yīng)用的長(zhǎng)切削刃鉆頭相比，這款鉆頭產(chǎn)品的整體鉆尖高度較低。因此，第三條和第四條刃帶可以很快接觸材料，有益于形成更緊密的孔徑公差。
來(lái)源：中國(guó)刀具網(wǎng)
