金剛（gāng）石刀具促進複合材料鑽孔加工應用的發展-刀具網-數控機床市場網

您現在的位置：刀具網> 技（jì）術前沿（yán）>金剛石刀具（jù）促進複合材料鑽孔（kǒng）加（jiā）工應用的發展

金剛石刀具（jù）促進複合（hé）材（cái）料（liào）鑽孔加工應用的發展

2014-5-30 來源：數控機床市場（chǎng）網作者：肯納金屬公司

優化的刀具設計方（fāng）案具有關鍵性（xìng）的作（zuò）用

碳纖維增強複合材料（CFRP）具有極高的強度重量比，並且在極端條件下具有穩定的材料屬性，因此（cǐ）在全球航（háng）天航（háng）空行業內有著廣泛的應用。這種（zhǒng）材料可以單獨使用，也可以與鈦板和鋁板（bǎn）配合使用。舉例而言，波（bō）音 787 夢幻客機 80% 的製造材料為複合材料（liào），相當於其重量的 50%，可（kě）以減少1,500 張鋁板（bǎn）和 50,000 個固定件的使用。與波音 767 相（xiàng）比，可以節省 20% 的燃油消耗。目（mù）前（qián），類如膠粘（zhān）和焊接之（zhī）類的聯接技（jì）術還有很多問題；因此，鉚（mǎo）接固定技術在實際應用中依然占有主流地位。因（yīn）為碳纖維（wéi）材料和金屬材料的機械（xiè）性能有極大的差別，在對緊固孔進行有效的鑽孔加工時，需要使（shǐ）用具（jù）有高（gāo）耐磨性（xìng）和優化槽型（xíng）的切削刀具產品。

在加工航（háng）天航空行業內的零配件時，多晶（jīng）金剛石（PCD）刀具要（yào）比傳統（tǒng）的碳化鎢硬質合金刀（dāo）具有更高的（de）加工效率。一些領先的刀具製（zhì）造商正在開發並生（shēng）產 PCD 釺（qiān）焊鑽頭產品。這些刀具產品的（de）切削刃采用 PCD 材料，鑽（zuàn）體部分為整體硬質合金材料。硬質合金鑽體有很好的剛性和尺（chǐ）寸精度，確保鑽孔的加工質量，同時具有內部螺旋冷卻通道，螺旋式排屑槽可以提高冷卻性能和排屑性能，這些（xiē）特性對鑽孔加工是非常必要的。位於功能區（qū）的切削刃部分采（cǎi）用 PCD 材料，具有極好的耐磨性，提高加工效率。

優化（huà）的刀具（jù）設計（jì）具有關鍵性的作用，在加（jiā）工先進的航天航空複合（hé）材料時可以確保極好的鑽孔質量（liàng）。在刀具尺（chǐ）寸設計中，很多必要因素（sù）對鑽孔（kǒng）質量（liàng）都起著（zhe）重大（dà）的（de）影響（xiǎng）作用，例如，為了降低（dī）切削力而提高刀尖半徑的銳（ruì）度，增大前角等。其它因素還包括，為了減小推（tuī）進力，以及避（bì）免（miǎn）纖維材料的撕（sī）裂現（xiàn）象而減小鑽尖角度，為了改善毛口高度控（kòng）製性能而優化刃口（kǒu）設計。機（jī）床刀（dāo）具、主軸及整體刀具的剛性、刀柄、內冷或（huò）射流冷卻方式，以及鑽孔工件材料（liào）在刀具設計過（guò）程（chéng）中也都是需要（yào）考（kǎo）慮（lǜ）的重要因素。在多數情況（kuàng）下，為了滿足客戶的不同需求，需要為客戶及時提供定製刀具產品。

刀（dāo）具開發過程（chéng）

為了開發一款高性能的 PCD 刀具（jù）產品，應當在（zài）考慮綜合因素的情況下進行深入的研究。這種開（kāi）發過程不僅決定了刀具的性能，還對刀具的加工（gōng）效率和成本起到了重要的影響作用。

在生產用於複合材料加工的合成（chéng）金剛（gāng）石（shí）鑽頭產品時（shí），有 4 種主要技術可（kě）以應用：

- CVD（化學氣（qì）相澱積）金剛石塗層鑽頭

整體（tǐ）硬質合金鑽（zuàn）在最後一個工（gōng）藝經過 CVD 金剛石塗層處理。這是一種成本效益（yì）很好（hǎo）的產品，但刃口銳度受到了塗（tú）層厚度的影響。此外，因為硬質合金基體部分和金剛石塗層部分的硬度不同，這款產品吸收衝擊能量的性能不佳。防崩刃性能也很有限。

- PCD 鑲刃鑽頭

圓錐型的 PCD 材料（liào）按照特點鑽尖槽（cáo）型燒結至較小尺寸的硬質合（hé）金（jīn）基體之上。然後，將這些半成品釺焊（hàn）至整體硬質合（hé）金鑽體之上。為了（le）處理硬質合金（jīn）和 PCD 聯接麵之間的高應力問題（tí），這款（kuǎn） PCD 產品在（zài） PCD 材（cái）質優化方麵受到了限製。後燒結工藝還會導致成本高昂，因為需要去除非功能區的金剛石材料，還要增加內部冷卻（què）孔。

- PCD 紋絡鑽頭

在整體（tǐ）硬質合金棒料之上預先加工的槽內填入（rù） PCD 粉末原料，然後經過高溫高壓處理形成 PCD 排列結構。在經過（guò）高溫高壓過程之後，對棒料（liào）進行剪切後釺焊（hàn）至鑽體之上，最後按照規定槽型進行磨削處理。這種 PCD 紋絡技術可以製造複雜槽型，以及具有高正前角外（wài）形的刀具產品（pǐn）；與 PCD 鑲刃刀具產品相比，隻需較少的磨削處（chù）理。這種刀具受到（dào）尺寸限製，因為要對複雜 3D 槽型進行高溫高壓處理。此（cǐ）外（wài），因（yīn）通（tōng）常需要使用高鈷（gǔ）成（chéng）分的材料（liào），因此也（yě）降（jiàng）低了 PCD 材料的（de）硬度和耐磨性。

- PCD 釺焊（hàn）鑽頭

最成（chéng）熟的 PCD 鑽頭加工技術為（wéi） 2D 技術（shù）（例如 PCD 扁鑽）對於較小尺寸刀具，可以使用一種特殊的硬質合金和 PCD 夾層材料；對於較大尺寸刀具，可以使用（yòng）純 PCD 鑽尖材料。這（zhè）款產品在槽型（xíng）方（fāng）麵（miàn）有（yǒu）嚴重的缺陷，因為很難增加一個用於（yú）複合材料加工的前角（jiǎo）。3D 釺焊需要多個所需材質的 PCD 刀座，並且微觀（guān）結構應按照設計切（qiē）割為螺（luó）旋形狀。在整體硬質合金鑽頭上應磨削出（chū）一個對應的螺（luó）旋槽，以安裝 PCD 刀片。與 PCD 鑲刃產品相比，這款 3D 釺焊產品隻在功能區采用（yòng） PCD 材料，大大增加了加（jiā）工性能。這項 3D 釺焊技術被用於開發本文所（suǒ）述的 PCD 測試鑽頭。

選擇 PCD 材質的另一個重要因素是金剛石材料的機械加工性能。機械加工性能是通過計算（suàn）由不（bú）同 PCD 原材料製成相（xiàng）同刀具（jù）的時間（jiān）評定的。重點關注各個製造步驟，包括 PCD 刀盤的腐蝕和（hé） PCD 材料（liào）的磨削。了解機械加工性能測試結果請參看表一中的測定等級。機械加工性能越好，等級（jí）就越高，製造時間就越短，成（chéng）本也就越低；這（zhè）與在開發一（yī）款（kuǎn）具有競（jìng）爭性的刀具產品時，刀具性（xìng）能的重要性是一樣的。

PCD 釺焊

本文中介紹（shào）的刀具產品（pǐn）需要將 PCD 螺旋切片釺焊至碳化鎢刀體（tǐ）上，選（xuǎn）用的釺焊技術應（yīng）避免處於亞穩態的多晶（jīng）金剛石石墨化，還需（xū）要將 PCD 與碳化鎢進行（háng）粘結處理。這需要采（cǎi）用高效的釺焊技術。高效的釺焊材料通常（cháng）包括高熔點聚合物（wù）材（cái）料（liào），如鈦材料。釺（qiān）焊溫度因此很高，對（duì）金剛石相的穩定性有負（fù）麵影響。為了避免石墨化，在釺焊過程中應避免氧化環境。最新的技術包括氬氣環境中的（de）感應釺焊，以及真空釺焊。

優化的（de）刀（dāo）具槽型（xíng）

在對複合材料/鈦材料層疊（dié）板進行鑽孔加工（gōng）時，選擇優化的刀（dāo）具槽型非常困難，因為（wéi）這兩種材料在切削過（guò）程中表現（xiàn）出不同的特性。CFRP 材料的（de）鑽孔加工通常需要大（dà）螺旋角和長切削刃，因為碳纖維應當沿著（zhe）切削刃發生剪切作用。長切削刃通過小鑽尖角而實現。此外，CFRP 材料的鑽孔加工還應降低軸向力，以避免在（zài）退刀（dāo）時發生加工材料層裂現（xiàn）象。這些特點可以形成（chéng）非常鋒利的切削刃（rèn）槽型，同時也減小楔（xiē）塊角（jiǎo）度（dù）。後角可以高達 20 度，螺旋角約為（wéi） 30 度。鈦材料的切削原則上也（yě）可使用鋒利的切削刃，但（dàn）與 CFRP 材料的鑽孔（kǒng）加工相比，需要一個（gè）更加穩定的楔塊角。鈦材料加工中的刀（dāo）具後角通常在 8-14 度之間的範圍。與鋼材料加工相比，這些後角通常更大（在本（běn）文展示產品中約為（wéi） 12 度），因為後刀（dāo）麵上的熱量應當盡可能（néng）降低，一減少刀側麵磨耗的形成。大後角與典型的 30 度螺旋角結合應用時，會明（míng）顯降低切削刃的強度。螺（luó）旋角已減小至 15-20 度範（fàn）圍（wéi），從而可對大後角做出平衡。本文展示的這項製造工藝可以根（gēn）據所需（xū）刀具槽型，選擇不（bú）同的螺旋角。這是本（běn）文展示（shì）工藝（yì）的主要優勢（shì）之一，因為普通（tōng）的 PCD 刀尖鑲（xiāng）刃（rèn）刀具允許使用的最大（dà）螺旋角僅為 8 度。

為了實現孔徑緊密（mì）公差，鑽尖應當具備卓越的自（zì）定中心性能（néng），這一點是絕對必要的。從另一（yī）個角度而言，鑽尖角度對毛刺的形成也起到重要（yào）的影響。我們知道，鑽尖角在低於 90 度或高（gāo）於 150 度時，可以幫助降（jiàng）低鑽孔出口處的毛刺（cì）高度。因（yīn）此，鑽尖角（jiǎo）為 155 度的鑽頭適（shì）合鈦材料加工的需（xū）求，但定（dìng）中心性（xìng）能不好。所以，推薦使用雙鑽尖角設計方案（àn），其中內部鑽尖角為（wéi） 130 度，外部（bù）鑽尖角為 155 度。與普通應用的長切（qiē）削刃鑽頭相比，這款鑽頭產品的整體（tǐ）鑽尖高度較低。因此，第三條和第四條刃（rèn）帶（dài）可（kě）以很快接觸材料（liào），有益於形成更（gèng）緊密的孔徑公差。

采用 PCD 釺焊（hàn）刀片（piàn）的定製模塊化（huà）鑽頭

這款展示的鑽頭產品另一個優勢在於其具備內冷性（xìng）能。在對純 CFRP 板材進行鑽孔（kǒng）時，在壓（yā）縮空氣的作用下，內冷孔可（kě）以促（cù）進 CFRP 切屑經鑽頭排屑槽快速排出。在對 CFRP/鈦層疊板材料進（jìn）行加工時，可以通過密封的內部冷卻通道進行微量潤滑（huá）（MQL），在促進潤滑的同時還可以降低在鈦材料加工中形成的高熱，因為（wéi）這種材料的（de）熱傳導率（lǜ）較低。在使用 PCD 刀具進行鑽孔加工時，微量潤滑是絕對必要（yào）的；否則切削刃部位形成的高（gāo）熱會（huì）導致石墨化，或相應形成碳化鈦。這種反應會形成排屑槽部位（wèi）出現化學（xué）磨耗，最終會導致（zhì）排屑（xiè）槽內的 PCD 材料崩裂。

實驗（yàn）性研究

這款開發的 PCD 刀具產品經過了實驗性測試，目的在於評估在規定應用中最合適的 PCD 材質和（hé）刀具槽（cáo）型。測試過（guò）程中的刀具設置和切削參數如下。

- 測試刀具

PCD 釺（qiān）焊鑽頭，直（zhí）徑為 11.113 毫（háo）米（7/16 英寸），三種不同的 PCD 材質（G4、KD1415，和 KD1425），未經（jīng）塗層處理相同槽型的鑽頭。

- 測試材料

測試材料包括一塊厚度為 8.7 毫米（0.342 英寸）的購置（zhì） CFRP 板材（Isocarbon 3k），並與一塊厚度為 10.8 毫米（0.425 英寸）的 Ti-6Al-4V 板材牢固地（dì）層疊在一起（qǐ）。使（shǐ）用測試刀具進行通孔加（jiā）工，從 CFRP 側進刀，從鈦板側出刀（dāo）

- 機床刀具及（jí）冷卻劑

一台 CNC 加工中心（Heckert CWK 400），水平主軸，主軸貫通式微量潤滑方式（shì）（Vascomill MMS FA2）。

- 切削參數

切削速度為 20 米（mǐ）/分鍾（65 SFM），進給（gěi）率為 0.05 毫米/轉（0.002 ipr），同時適用於 CFRP 和鈦材料加工。不使（shǐ）用啄鑽加工法。

- 刀具檢測

為了監控刀具磨損過程，在完成 4 個孔的鑽孔加工後，使用顯微鏡對鑽頭進（jìn）行檢（jiǎn）測。在完成 24 個孔的鑽孔加工後，在掃描電子顯微鏡下觀察刀具的磨耗結構（gòu）。

- 鑽孔測（cè）量

在完成所有加工測試後，對測試材料進行清（qīng）洗（xǐ）和（hé）標注。對（duì）所有鑽孔進行檢（jiǎn）測。對 4 個孔的內部（bù）進行直徑測量（兩個（gè）在 CFRP 板材的進口處和出口處附近，兩個在鈦板材的相同位置）。同時還（hái）對鈦板材底部出口孔表（biǎo）麵的毛（máo）刺高度進行測（cè）量。

結果及分析

超長（zhǎng）、可預測，以及穩定的使用壽命（mìng）是決定刀（dāo）具產品是否能夠贏得（dé）客戶的主要因素。在對 CFRP/Ti 複合基體材料進行鑽（zuàn）孔加工時，為了獲得滿意（yì）的鑽孔質量，必須同時滿足幾個要求（qiú）。鑽孔尺徑為緊公差尺（chǐ）寸，以安裝緊固件，鑽（zuàn）孔出口處的毛刺高度必（bì）須符合規定要求（qiú），以減輕或避免去毛刺工序。為了（le）避免因刀具突變失效而導致的鑽孔損（sǔn）壞，並盡力維護刀具的可修磨性，鑽尖（jiān）的崩刃現象必須盡可能降低，並對其進行監控。以下標準被用來作（zuò）為確定測試（shì）刀具是否已達到使（shǐ）用壽命極限：

a）鑽孔尺寸（cùn）公差為 11.113 + 70 微米（H10）；

b）毛（máo）刺尺寸為 0.2 毫米；

c）出現鑽尖（jiān）崩刃

測（cè）試表明，PCD 鑽頭在使用壽命即將結束時的主要失效（xiào）模式是鑽尖（jiān）出現崩刃；。

硬質合金鑽的失（shī）效模式表現為毛刺高度（dù）超限。在這次測試中，所有鑽孔都符合鑽孔質量要求。

鑽孔尺寸

圖一顯示內容為測試 PCD 刀（dāo）具的鑽（zuàn）孔加工尺寸。在對每個鑽孔檢測時，孔徑的測量位置選擇在 4 個不同的位置；2 個在 CFRP 板材部位，2 個在鈦板材部位；分別對應在鑽（zuàn）孔進口表麵和出口表麵。

圖一：一款 PCD 刀具加工鑽孔數與尺徑的對比

可以看出，位於鈦板材部位的鑽孔質量非常好，尺寸在規定公差值的中間範圍，上下浮動範圍很小，為10 微米。鈦板材鑽孔入口處和出口處的尺寸（cùn）非常接近。但在 CFRP 板材部（bù）位，鑽孔入口處（chù）和出口處的孔徑差較大。這種現象是因為在排屑（xiè）過程中，切（qiē）屑對鑽孔避刮擦造成的結果。對於減（jiǎn）少切屑的（de）刮擦，以及增加鑽孔尺寸的一致（zhì）性而言，提高切屑控製性能是非（fēi）常必要的。僅僅依靠刀具設計而提高切屑控製性能是非常困難的。在加工實踐中，一種成熟的工藝是增加啄鑽操作，或是通過振動支持鑽孔操作，以實現（xiàn）控製切屑長度（dù）並減弱切屑刮擦效果（guǒ）。

測試結果表明，在此（cǐ）展示的新型鑽尖產品（pǐn）可以（yǐ）加工出 H10 公差等級的鑽孔尺寸。在優化加工條件以及加工過程穩定的情況下，甚至可以實現 H8 公差等級的（de）鑽孔尺寸。不能證明鑽孔質（zhì）量（liàng）與切（qiē）削刃材料有必然關係。相同鑽尖槽型的 PCD 鑽頭和硬質合金鑽頭的鑽孔加工質量是相似的。

毛刺

在探討與（yǔ）毛刺高度控製和磨損結構相關的鑽（zuàn）孔結果時，可以清晰地看到不同切削刃材料產生的不同（tóng）結果。圖二顯示內容為一款硬質合（hé）金刀具和兩款 PCD（KD1415 和 G4 材質）刀具鑽孔（kǒng）加工時毛刺高度的發展過程與鑽孔數的對比情況。

圖二：因刀具磨耗導致（zhì）的毛刺高度發展過程（chéng）與鑽孔數的對比（bǐ）情況

可以看出，硬質合金鑽僅完成（chéng） 14 個鑽孔加（jiā）工之後，在鈦板材出口處的毛刺高度就明顯增加；而兩款 PCD 刀（dāo）具在加工過程中，首次出現毛刺（cì）超過規定的鑽孔分別（bié）是第 57 個鑽孔和第 117 個鑽孔。

從理論上講，毛刺高度的發展過程與（yǔ）刀具鑽尖部位的磨耗緊密（mì）相（xiàng）關。這一點可以在硬（yìng）質合金刀具和 PCD 刀具的對比中（zhōng）顯明，因為這兩種材（cái）料的硬（yìng）度有很大的不同；所以，PCD 刀具鑽尖處的磨耗發展過程較（jiào）慢。與硬質合金（jīn）鑽相比，PCD 鑽的鑽尖磨耗要少得多（duō）。這三種 PCD 材質的磨耗（hào）發展情況（kuàng）區別很（hěn）小（xiǎo）。PCD 材質的主要磨（mó）耗類型為切削刃（rèn）/鑽尖部位（wèi）的崩刃（rèn）。

表格一對這三種 PCD 測試材質的刀具壽命做（zuò）了綜合對比（bǐ）。可以看出，G4 和 KD1415 材質在刀具平（píng）均（jun1）壽命方麵非（fēi）常相似。KD1415 在刀具使用壽命的穩定性方麵表現更（gèng）好，並且因為機械加工性能更好，可以減少製造成本。因此在本文所（suǒ）述的加工應用中，被選為最適宜的材質。

結論

我們開發了三款采用不同 PCD 材質（zhì）以及優化槽型的 PCD 整體硬質（zhì）合金（jīn）釺焊鑽頭（tóu）產品，並對這些產品進行了（le）測試。測試結論如下：

1）在 PCD 刀具（jù）製造過程中，3D 釺焊技術（shù）允許刀具采用靈活的螺旋角角（jiǎo）度，因此也可以（yǐ）采用大前角設計方案。與 PCD 鑲（xiāng）刃產品相比，3D 釺焊產品因（yīn）為去除了刀具功能區表麵（miàn）的 PCD 材料，所以具有更好的機（jī）械加工性能；

2）這款開發的 PCD 鑽產品采用優化的刀具槽型（xíng）（雙鑽尖角度、螺旋槽、內（nèi）部螺旋冷卻通道、大前角），因此可以加（jiā）工高（gāo）質量的鑽孔（鑽孔尺徑（jìng）及毛刺高（gāo）度控製）。

3）與未經塗層處理的整體硬質（zhì）合金（jīn）鑽相比（bǐ），PCD 鑽在（zài）使用壽命方麵有顯著（zhe）的改善。

4）所有測試 PCD 刀具有相同的磨損形態，從前刀麵出現細微裂縫開始，最終會因鑽尖崩刃導致突變性失效。

5）在刀具（jù）壽命穩定性和機械加工性能方（fāng）麵，KD1415 要比 G4 和 KD1425 材質有更佳的表現。所以，KD1415 是最適合本文所述加工應用（yòng）的材質。

作為行業的領導者，肯納金屬公司（sī）在慶祝公司成立75周年之際（jì），特別為（wéi）在苛刻加工條件下，尋求最佳（jiā）產品性能的（de）客戶提（tí）供創新的產品解決方案，幫（bāng）助客戶提高生產（chǎn）率。肯納金屬公司應用最先進（jìn）的物料技術，為分布在60個國家，涉及航空航天、築路與采礦、能源，以及工業生（shēng）產等（děng）領域的（de）客（kè）戶提（tí）供創新的耐（nài）磨損產品、產品和（hé）應（yīng）用設計，以及應用技術服務。公司員（yuán）工總數約為14,000人，銷售總額接近30億美元；公司營業收入的（de）一半來自北美地區以外的市場；過去5年內推出新產品的銷售總額占全球銷售總額的40%。肯納金屬公司注重安全理念，曾獲得“全球最具商業道德企業” 稱號（道德（dé）村協會），“傑出創新企業”稱號（產品（pǐn）研（yán）發管（guǎn）理協（xié）會），以及“美國最安全企業”稱號（EHS Today雜誌）；肯納金屬公司及（jí）其基金會持續在技術（shù）教育（yù）、工業技術，以及物料科學等領（lǐng）域進行投資，展現了（le）行業發展（zhǎn）以及經（jīng）濟繁榮（róng）的魅力前景。了解更多信息，請登錄公司網（wǎng）站： www.kennametal.com

投稿箱：
如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯係本網編輯部，郵（yóu）箱：skjcsc@vip.sina.com

更多相關信息（xī）

名企推薦

業界視點

| 更多

行業數據

| 更多

博文選（xuǎn）萃

| 更多