在CFRP复合材料上钻孔

在复合材料上钻孔确实是个挑战。在金属工件上钻孔只要去除材料并清空钻好的孔,而钻复材层板工件时,各织层被向前推压,导致孔出口处出现分层现象,或者碎裂拉毛导致工件不合格。
关键词: 碳纤维复合材料 CFRP 复合材料加工 分层 碎裂 拉毛 钻孔刀具
文章来源:Modern Machine Shop
作者: Peter Zelinski
发表时间:2008年8月12日
    在复合材料上钻孔确实是个挑战。在金属工件上钻孔只要去除材料并清空钻好的孔,而钻复材层板工件时,各织层被向前推压,导致孔出口处出现分层现象,或者碎裂拉毛导致工件不合格, 见图1。

孔边缘材料分层、碎裂

孔边缘材料分层、碎裂

 Earl Wilkerson是通用加工公司的数控程序和刀具专家. 其公司有240名员工,其中相当数量的人为复材加工专家. Earl把在复材上钻孔比作在一块底部没有支撑的胶合板上钻孔. 这跟在金属件上钻孔完全不同. 有些专业公司, 如Onsrud Cutter, 针对各种不同复材的特点,专门开发了各种不同的复材钻.
    以下是几种CFRP复材钻的设计:
■ 如图2所示, 两刃三尖, 中心钻尖起类似中心钻的作用, 边沿两钻尖类似翼形刀, 划割出孔的边缘, 避免孔边缘碎裂\拉毛;

图2:复材钻孔专用,拓岭A型钻

■ 如图3所示, 匕首钻(铰钻), 其特殊的侧刃设计, 使钻\铰一步完成:

图3:拓岭金刚石涂层匕首钻(铰钻)

■ 如图4所示, 非连续钻尖角钻头设计, 避免复材孔出口处分层;

图4, 复材钻孔专用,拓岭B型钻

■ 如图5所示,阶梯钻, 用于复材层板中钻挖紧公差的孔.

图5:阶梯

遵循如下建议可使复材孔刀具工作更高效:
■ 采用正刀具几何角度可降低切削力, 避免分层;
■ 这几个角度越大, 所钻的孔质量越高: 螺旋角, 留隙角, 前角;
■ 钻尖角小些, 孔出口质量越好. 然而, 钻尖角太小的话, 刀刃也变得跟弱. 对于CFRP材料, 肯纳公司的Karthik Sampath 认为90度是最佳角度. 对于金属材料钻孔, 最典型的钻尖角采用135度.
    金刚石涂层能使刀具寿命延长10倍以上. 涂层厚度在5u到16u之间. 实践上, 12u的金刚石涂层能实现最佳的性价比.
    加工复材孔, 主要问题通常在孔的出口处, 然而, 这不等于孔入口就没问题. 不正确的刀具或加工方式, 往往会在孔入口处的材料表层卷起分层, 或出现碎裂和拉毛. 这主要是因为进给率太低造成的. 提高进给速度能有效解决问题, 但也可能降低孔出口的加工质量, 因此需要找到一个最佳进给率, 兼顾孔的进\出口质量.   
    通用加工公司的Wilkerson先生推荐一款他们公司从国际钨钢刀具公司购买的复材钻.此钻有个正刃角的”钩”, 可把纤维往钻尖拉, 从而产生一个光滑干净的孔. 尽管这样, 通用公司并不依赖钻头来实现最终尺寸, 因为还是有不合格的风险. 通常, 钻孔直径留0.5-1.0mm的余量, 再用玉米铣刀(见图6) 以圆弧插补的方式, 精确加工出最终尺寸.

图6:玉米铣刀(狼牙棒)

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