将翼/身融合蒙皮层压板连接到 F-35 闪电II 战斗机的机身上需要精确钻出数百个紧固件孔。

60 年来，“物超所值”一直是复合材料产品制造商和供应商的营销口号，他们认为，尽管复合材料的初始成本历史上很高，但就整个生命周期成本而言，复合材料是优越的产品。随着复合材料制造商越来越多地面临在复合材料部件上钻孔的需求，特别是在紧固件密集的航空航天环境中，鞋子就另当别论了。

机械加工的时间和费用已成为满足交货时间表和零件成本预期的焦点。作为回应，钻具制造商建议复合材料行业自食其力：在该计划的使用寿命内定制并实现节约。尽管这需要大量的初始时间和金钱来研究整个加工过程并优化每个加工功能，但钻具制造商声称取得了有价值的成果，从提高公差和减少操作步骤到大幅增加工作流程，以及每年节省六位数的成本。

问题：历史滞后

尽管切削工具技术的发展与复合材料技术的发展同步，但机床营销人员告诉 CW，80%的复合材料零件加工仍然使用标准的现成工具进行，这些工具没有针对材料、零件或加工设置进行优化。

Cajero 有限公司（英国肯特郡谢佩岛）首席运营官亚历克斯·哈丁(Alex Harding)表示：“公司正在购买高级自动化技术，以应对不断增长的需求，但通常不会重新考虑他们的切割工具。”。“这意味着他们可能会错过重大改进，损失巨额资金，并消耗足够的能源为喷气式飞机提供动力。”

F-35 项目需要自动化钻孔技术和适用于堆叠但不同材料的“一次组装”的大型夹具。

机床专家 AMAMCO tool（Duncan，S.C.）的工厂经理兼工具大师彼得·迪亚曼提斯(Peter Diamantis)对此表示赞同：“在自动化加工中心，使用错误的工具几乎是家常便饭。你会惊讶于有多少人在使用旧技术。”在许多情况下，他们的工具选择曾经是最先进的技术。他指出：“它们都是由一家定制工具制造商在某个时候开发的，并成为标准。”但他表示，它们的设计是基于几年前的研究。迪亚曼提斯解释说：“这些研究现在已经过时了。”。“这些人非常聪明，但他们经常使用旧数据来选择工具。”他补充道，同样重要的是，这些研究并没有解决当今的现实问题。“他们使用的材料已经过时。即使在过去几年里，复合材料也发生了重大变化。”

事实上，复合材料已经变得越来越难以加工。埃莉诺·默森(Eleanor Merson)负责英国谢菲尔德 Sandvik Coromant（荷兰阿姆斯特丹）研发中心的复合材料加工研究，她发现，在过去几年中，标准气粒复合材料上使用的典型无涂层工具的工具寿命缩短了近 50%。为什么？默森解释道：“我们现在正在对此进行研究，试图了解切削工具材料和复合材料之间的相互作用。

总的来说，我们看到了一个普遍的趋势，即新型复合材料更难。”他指出，“我们开始看到树脂有更大的作用，这实际上是可以理解的，因为正是树脂将纤维固定在一起。”树脂配方的进化发展现在产生了更硬、更硬的基质。“树脂如何分解决定了切割时的质量。”因此，树脂的进化改进似乎缩短了工具的寿命。

总是一个棘手的问题：无论改变与否，复合材料总是很难加工。哈丁解释说，与金属加工行业不同的是，复合材料制造商处理的是非均质材料。在金属加工行业，可以购买由均质材料制成的符合已知标准的坯料。每个成型机都会定制树脂、纤维/纤维形式和层压帘布层序列的精选组合，这些组合针对每个结构和应用进行了优化。树脂体系、纤维含量、层压板顺序、固化方法、固化温度和层压板完整性都会影响零件的可加工性。迪亚曼提斯说，更复杂的是，“没有两个商店的一切都完全一样。每个商店都有不同的设置，这可能会对性能产生不利影响。”

如今，一个更为严重的因素是钻孔堆叠材料的劳动和省时趋势，即在定位夹具或夹具中预组装复合材料和金属部件，然后一次穿过所有层钻出紧固件孔。这项技术通常被称为“一体组装”，因为部件是从外部组装、钻孔、检查和清洁的，但不会再次拆开——这是一种防止孔位置不准确的保护措施，可以节省无数小时。但这对那些设计钻具的人来说是一个巨大的挑战。默森说：“很常见的情况是，按照碳纤维增强聚合物（CFRP）、铝、CFRP 和钛的顺序加工一堆材料。”。“针对两种或三种不同材料优化钻头是极其困难的。”

尽管有更好的选择，但机床制造商表示，大多数复合材料的钻孔仍然是用“标准”工具完成的，这些工具曾经是最先进的，但现在——因为它们没有针对材料、零件和加工设置进行优化——是不合格的。结果是钻头性能迅速恶化，孔质量也随之恶化。以下是一个恶化的例子：碎裂。

解决方案：了解最新情况并进行沟通

当 CW 联系这些和机床行业领先企业的其他代表时，他们提出了两个大标题下的一些解决问题的策略：

优化和定制

复合材料专业人士对前者并不陌生。优化是当今复合材料界的一个流行词。最大的收获来自于观察整个过程。钻具制造商认为，机械加工也是如此。在零件开发过程中，必须在一开始就考虑材料、夹具、碎屑清除、通道和工人工效学，而不是在做出重大决策后的后期阶段。

迪亚曼提斯说：“这一切都是为了了解整个加工过程。”他指出，这也需要一个合作的客户。“工程师们愿意进行测试以改进流程吗？有时他们依赖几年前完成的研究，而不想重新审视它。其他人则愿意不惜一切代价来节省成本。”哈丁强调，那些愿意的人会获得巨大的回报。“我们通过挑战传统智慧的协作生产力合作计划，帮助公司取得了巨大收益。”

然而，如果合作伙伴要取得成功，机床制造商必须详细了解零件和工艺。在这里，没有任何数据是微不足道的。Sandvik Coromant 的默森表示：“客户在向我们解释他们在加工什么时并不总是足够详细。”

“我们需要尽可能多的细节。我们必须了解材料、固化、纤维含量、结构和制造步骤。”

图为钻头劣化的另一个影响：分层。

这些知识允许工具定制，这是制造业纪律的必要解药，而制造业纪律本身就是关于定制解决方案的。简而言之，信息是将现成的工具留在机框上。迪亚曼提斯说：“许多商店都想使用现成的切割工具，这没关系，但加工过程需要更长的时间，使用更多的工具。”明智的复合材料制造商会为特定应用设计零件。因此，钻具应针对零件和应用进行设计。

经验无可替代

为此，复合材料制造商需要能够进行此类评估的工具制造商的协助。默森观察到，金属切削工具制造商现在看到了向复合材料领域多元化的机会。“但他们传统上为延长切削金属的工具寿命所做的事情——例如，降低进给率和切削速度——对切削复合材料的工具却产生了相反的影响。”对于这一应用和许多其他应用，山特维克可乐满与其最近收购的合作伙伴 Precorp（美国犹他州西班牙福克市）密切合作，Precorp 是一家长期从事复合材料钻具的专家，提供最先进的联动钻头和铣刀。

信息？适用于金属的东西不适用于复合材料。迪亚曼提斯说：“金属钻头和复合材料钻头完全不同。”

碳纤维的研磨性使其不同于切削工具遇到的任何其他材料，因此工具寿命的重要性至关重要，并受到许多为复合材料行业提供钻具的人的高度重视。

利用新的几何形状

20 年前，刀具优化基本上包括开发能够更有效地加工每种纤维的几何形状。如今，刀具供应商提供针对芳纶、玻璃和碳纤维优化的特定几何形状的刀具已成为标准。但今天，优化远远超出了对光纤的关注。迪亚曼提斯说：“为了设计合适的刀具几何形状，我们必须了解整个过程。设置是什么样的？你能使用冷却剂吗？钻头类型、钻头电机、电源是什么？钻孔是机器人还是手动？你是一次还是两次钻孔？”

哈丁总结了 Cajero 的一些研发发现：“渐进的——逐渐发展的——并降低中心压力的几何形状与复合材料配合得很好，因为它们减少了切割推力，这有助于避免分层和穿透时的损坏。这些几何形状还必须保持正剪切角——这使切割力保持在较低水平，从而以最小的压力去除材料 r 将碎屑排出孔。”哈丁列出了不同类型复合材料的许多工具几何形状：

多面钻头点具有双角度点，也就是说，引导角不同于第二角度，它们逐渐进入然后离开材料，最大限度地减少了中心的压力，并降低了脱层和在出口孔中爆裂的风险。将这些与大开口凹槽相结合，有助于在钻孔堆叠的层压板时清除碎屑。

双刃钻头具有二次刃口—在一次刃口后面研磨—在加工过程中铰孔，从而消除了额外铰孔操作的需要。

Trepanning 钻头在外边缘切割，从而消除中心的压 力，对于低厚度或低树脂含量的复合材料零件表现良好，而直槽、多孔钻头有助于补偿支撑或固定不良的零件。

迪亚曼提斯补充道：“我们还简单地探索了可用性的改进—对切割数据、刀具几何形状和刀具材料的微小调整—这些都导致了一夜之间的生产力激增。”他强调， “刀具设计的微小变化会产生很大的影响。”

这种定制工具的选择结合了涂层和几何形状，有助于克服随着材料越来越硬和结构越来越定制而增加的复合材料加工难度。

开发新材料

尽管它们很好，但硬质合金钻头不再适用于时间和成本敏感的机械加工操作。默森说：“这是一款旧的备用手机，因为它有更好的边缘清晰度。”。“然而，这并不是工具寿命的最佳选择。”

为此，有钻石。天然金刚石是已知的最硬的物 质，但聚晶金刚石（PCD）是一种合成材料，在过去几年中越来越受欢迎，因为它提供的工具寿命是未涂层碳化物的 10 到 20 倍。

切削刀具中使用的 PCD 有两种基本类型。PCD 尖端或插入件可钎焊（最高 1200°F/649°C）到硬质合金坯料或工具主体上切割的凹槽中。或者，可以将金刚石粉末和粘结剂倒入硬质合金工具槽中并烧结到位。两者都能提供硬质切削刃，但价格昂贵，是普通硬质合金刀具的 6 到 10 倍。哈丁评论道：“就刀具形状和几何形状而言，PCD 的柔性不如碳化物，但你可以重新打磨和更换 PCD，有效地延长了刀具寿命。”。“然而，PCD 本身就很脆，需要小心处理。如果掉落，刀具的 PCD 刀刃可能会碎裂，从而导致快速退化。”

PCD 确实具有一定的灵活性，至少以尖端和插入物的形式存在。有不同的等级可以针对特定应用进行优化，并且可以调整刀片的角度以提高切削力和碎屑去除率。然而，默森指出，由于 PCD 比碳化物更难研磨，通过研磨 PCD 生产工具的公司通常无法实现相同的公差。

将刀具与材料和应用相匹配，可以将刀具寿命提高 10 到 20 倍，并将切削时间缩短 90%。

她解释说：“电子束加工可以用来提高公差，但会增加更多的成本。”。“这对于实现更低的总体项目成本来说可能是非常值得的，因为切削工具通常只占总加工成本的 3%到 5%，其余部分由耗材、切削时间、更换切削工具的时间等组成。”

最近，化学气相沉积（CVD）已经开始在某些应用中取代 PCD。这项技术通常被称为金刚石涂层或金刚石涂层碳化物（DCC），它从经过预处理的碳化物坯料开始，使金刚石能够直接在其表面“生长”，厚度为 0.2 至 0.3 密耳（6 至 8µm）。哈丁评论道：“因此，您仍然可以保持切削刃，硬质合金基底允许特定材料的刃口和几何形状。CVD 提供了硬质合金的灵活性和 PCD 的工具寿命，并且更适合车间使用。”

Sandvik Coromant 已经发现 PCD 更适合钻孔，CVD 最适合修整。但默森警告说，“这只是关于工具寿命，不包括成本。但人们的意见会因背景而异。如果他们来自钻井，他们喜欢 PCD，而如果他们来自修整，他们更喜欢 CVD。”

哈丁总结道：“使用 PCD 或 CVD 钻头，再加上某些几何形状，几乎总是可以延长刀具寿命，有时还会显著降低刀具更换频率。”。“即使更换切割工具只需五分钟，中断操作也要花钱。PCD 和 CVD 工具最初的成本更高，但操作中断的时间更少。”他还指出， PCD 工具可以重新表面处理和打磨，以延长其使用寿命。“因此，您可以降低整个程序的成本并提高其生产效率。”

洛克希德·马丁公司的一名技术人员通过手动紧固测试由 AMAMCO 定制的复合钻具加工的孔。

然而，迪亚曼提斯认为金刚石涂层是最好的选 择，因为它的优势在于成本更低。PCD 工具的成本是竞争性 CVD 工具的三到五倍。他补充道：“在复合材料中，所有工具都需要涂层。”。“现在有很多涂层正在开发中，以提高工具的使用寿命。即使是对于堆叠材料，也有一些涂层可以帮助工具使用更长的时间，并在工具撞击金属时吸收冲击而不会碎裂。”

例如，CVD Diamond Corp.（加拿大安大略省伦敦市）专注于使用该公司纯金刚石薄膜的切削工具，该公司指出，最近的碳纤维复合材料铣削应用需要端铣刀。使用竞争对手的工具，客户在工具出现故障之前只能铣削 10 个零件。改用 CVD 金刚石工具可将故障前的零件吞吐量提高到 30 到 40 之间，并将所用的每种工具的切割工具成本降低 500 美元。CVD Diamond 表 示，在航空航天领域，它已经致力于战斗机的应用，开发了一种球头立铣刀，可以在碳纤维复合材料结构上钻 27 万个孔。一种工具钻 28000 个孔，击败了竞争对手使用另一种金刚石涂层工具钻 10000 个孔的最佳情况。

LMT onsrud LP（伊利诺伊州沃基根）特别指出，就工具磨损和工件损坏而言，使用金属切削工具切削或钻削复合材料可能成本高昂。LMT onsrud 提供各种各样的碳化物、PCD 涂层和纳米晶体金刚石涂层工具，具有相同的工具几何形状，旨在最大限度地减少热量，防止树脂燃烧，并提供清洁的纤维切割。这种要求是复合材料独有的，因此成本可能很高：一个专用工具几乎要 800 美元。然而，涂层可以使刀具寿命延长 10 到 20 倍，新的几何形状可以将加工时间缩短 90%。因此，所需要的是仔细评估，以将工具与应用程序相匹配，从而最大限度地提高吞吐量、工具寿命和价值。

堆叠的一次性解决方案

尽管工具制造商对哪种涂层和几何形状最好存在分歧，但没有证据表明它们对单组分组件的高效钻孔至关重要。“碳纤维增强塑料需要很高的切割速度和进给率，”哈丁解释道。“钛的情况正好相反，它对温度非常敏感，而且在加工过程中产生的热量会使其硬化。”

这种钻头尖端很小，直径逐渐增大，并涂有 CVD 金刚石涂层，是专门为钻削 CFRP 而设计的。它是制造者。AMAMCO 表示，CVD 涂层已经开始取代 PCD，因为前者获得了与后者相同的使用寿命，但以更低的成本提供了碳化物的几何灵活性。

因此，每种解决方案的差异再大不过了。迪亚曼提斯说：“碳纤维增强塑料需要一个长点和快速度，而钛需要一个短而短的点和慢速度，否则会烧坏钻头。”

在航空航天领域，即使是全 CFRP 零件也可能不是全 CFRP。哈丁指出，“通常，碳纤维增强塑料在表面或表面附近有额外的铜网层用于雷击保护，这对机床来说可能是一个挑战。铜很软，而碳纤维增强材料需要更高的加工速度，并且会磨损切削工具。这会弄脏铜，从而使切削工具失效，并大大削弱有效加工碳纤维增强金属的能力。”（在这里，旧的备用碳化物就可以了。“我们仍然建议在某些区域使用，”默森说。“例如，有雷击保护，需要非常锋利的边缘，或者整个零件磨损和脱落。”）

因此，毫不奇怪，对于堆叠但不同材料的钻孔，一个常见的解决方案是为每个孔使用多个钻具。Merson 说：“如今，三阶段钻井工艺仍然普遍使用，需要进行预钻、钻孔和扩孔操作，以达到所需的表面和尺寸质量。”

这让迪亚曼提斯很恼火，他认为复合材料制造商应该与能够设计“一次性”钻孔解决方案的机床供应商打交道。“我们为波音公司提供了很多不同的操 作，所有这些操作都为一个孔提供一个钻具。我们只是看不到为每个孔使用两个和三个单独的钻具和/或操作的效率。”他继续说道，“我们和客户的期望都是一种能够解决所有材料的工具。”他承认，这听起来可能不可能，“但我们只是例行公事。”

AMAMCO 提供一次性钻孔解决方案，但更喜欢 CVD 而不是 PCD。迪亚曼提斯认为，“我看到很多商店拒绝更换他们的 PCD 工具，尽管它们需要两次操作。也就是说，直到他们尝试我们的 CVD 一次性工具，并亲眼看到它比他们以前使用的两种 PCD 工具更耐用。”

但默森认为，山特维克可乐满已经开发出了避免这种情况的解决方案。“我们最新的一款使用了动力进给机和螺旋槽钻头，该钻头基于纹理 PCD 点，具有针对钛/CFRP/铝堆叠材料优化的特定几何形状。”

关键是要逐层控制叠层加工。哈丁解释道：“你可以通过调整每种材料的切割参数来实现这一点。”。迪亚曼提斯说，一种策略是一种名为微检查的钻井技术。“在钻复合材料/钛堆叠时，你要避免的是钛的长切屑在它们离开时在复合材料的内孔留下疤痕。”钻头电机的设计目的是在撞击钛时减速，然后施加力，然后每秒缩回多次。这锤击钛片，在切割时将其打碎。较小的碎片被带出钻头凹槽中的孔，因此不会对复合材料造成疤痕。

优化今天和明天

与机床制造商合作可大幅降低成本、废品率和工艺流程时间。Cajero 的哈丁说：“最新的切割工具提供了卓越的生产力，缩短了加工时间，降低了整体生产成本。”。“这种工具寿命的提高和其他生产力的提高……使制造商能够在不必购买额外机器或建造更大工厂的情况下做更多的事情。”

此外，今天的工具制造商服务可以扩展到工具和流程的测试和验证。例如，Cajero 通过预先验证切割工具和操作，帮助公司消除新项目的不确定性。哈丁说：“客户发送待加工材料的样品以及他们的规格。”。“然后，我们对材料进行加工，并发回一份关于推荐工具和选项的报告，以及一盘测试加工操作的录像带，价值超过千字。”

Cajero 还在自己的专用数控加工中心提供预验证试验。哈丁解释道：“当大规模切割工具试验可能会使原始设备制造商花费超过 10 万美元时，至关重要的是要确保他们的关键收入流得到维持，不要将产能转移到干扰生产流的测试活动上。”

默森指出，“定制”趋势可能会导致刀具制造方式的根本性变化。例如，机床制造商正在试验 3D 打印，这是一种流行的增材制造形式她说，所有的刀具制造商都对此感兴趣，但她指出，“他们正在以不同的方式处理这一问题。”

未来？哈丁将汽车视为自动复合材料加工的下一个前沿领域，也是一个具有挑战性的领域。“汽车行业对复合材料和更低成本的自动化要求更高，同时保持可重复性。这里的机器人更为常见，但所用的树脂与航空航天大不相同。我们一直是几款豪华和超级跑车品牌的单一来源供应商，但这些都是小批量制造 商。通用汽车、福特和大众想要的大不一样。我们必须优化尺寸加工工具设计，以实现更大的体积和更自动化的操作。”

与此同时，钻具制造商的目标是通过应用他们不断增长的知识，继续降低加工成本，从而提高客户的底线。

注：原文见《Optimizing, customizing composites hole drilling》2024.2.21 (初发布日期：2012.4.9 )

杨超凡 2024.2.26

本文经译者同意发布