Kennametal探索复合材料钻孔技术新突破（包括叠层材料），以应对航空航天应用与可持续发展需求。

按零件尺寸划分的循环成本趋势

肯纳(Kennametal)金属的HiPACS钻孔和埋头孔加工刀具专为高精度加工设计，可提升航空航天制造效率与精度。

提升性能并制造更轻更强的部件始终是航空航天业的驱动力，这促使制造商不断突破创新极限。其中包括开发用于碳纤维增强聚合物(CFRP)复合材料(含热固性与热塑性材料)铆接孔加工的刀具方案，这些材料广泛应用于机身、扰流板、机翼蒙皮及其他关键部件。

全球刀具制造商肯纳(Kennametal)金属公司(美国宾夕法尼亚州匹兹堡)表示，深谙复杂铆钉孔钻削工艺的精髓—尤其在加工层叠板材时。随着碳纤维复合材料(CFRP)因其显著的减重优势而全球需求激增，加工过程中可能面临频繁换刀与设备调试等挑战。肯纳金属持续研发能提升加工效能的切削刀具系统，以攻克这些难题并满足行业需求。

复合材料钻铆钉孔的挑战

钻铆钉孔通常在碳纤维增强复合材料(CFRP)或CFRP混合材料叠层(如与铝或钛复合)上进行。由于CFRP具有磨蚀性和各向异性特性，其加工颇具挑战性；材料的强度和刚度会随纤维方向及复合材料铺层方式而变化。若操作不当，钻削这些材料经常会导致分层、纤维拔出甚至钻孔错位等问题。因此，控制切屑、保持严格公差、避免纤维损伤并最大限度减少毛刺形成以保持工件完整性，显得至关重要。

为确保持续获得最佳的复合材料钻孔效果，可采取多种方法，如分小步进量去除材料、选用合适的刀具与进给速率，以及优化钻孔循环流程以保证孔壁光洁度。

肯纳金属公司CFRP与航空航天装配及未来解决方案工程技术项目经理史蒂夫·格雷(Steve Gray)指出："要应对复合材料加工的挑战，关键在于运用能提升精度并保持工件品质的加工策略。建议采用专用刀具、调整加工参数并优化工艺流程，以实现最佳加工效果。"

层压板堆叠的一个问题是保持锋利的切削刃，这能降低加工所需力度，减少毛刺形成和分层的风险。同时需密切关注刀具磨损，过度磨损会导致摩擦增大、热量增加，进而提高分层和纤维拔出的风险。采用金刚石涂层或多晶金刚石(PCD- polycrystalline diamond)钻头加工多材料堆叠时，可显著提升切削性能和刀具寿命，使保持严格公差变得更为容易。

另一种可能的辅助方法是采用啄式循环(也称为啄钻或啄铣)。这项技术通过多次浅层进给代替单次深层切削，能有效清除切屑并保持碳纤维复合材料/金属叠层处于低温状态。它可以防止孔内堆积金属碎屑——这些碎屑在排出时可能侵蚀碳纤维材料。该方法还能避免刀具过热，从而防止树脂达到玻璃化转变温度而导致复合材料工件受损。

诚然，如上述所言，热量积聚不仅是可能损坏工件的关键因素，同时也会缩短切削工具的使用寿命。值得注意的是，热塑性复合材料虽然不易出现分层问题，但在钻孔过程中更容易积聚热量并产生变形。而热固性复合材料虽具有优异的热稳定性，在高温下不会熔化，但钻孔产生的热量仍可能导致材料热降解，影响复合材料的机械性能。CFRP-钛合金混合复合材料带来了更多挑战，需要同时处理两种材料的工艺技术。

采用冷却液策略是另一种控制温度的选择。例如，在刀具切削刃上提供微量润滑(MQL -minimum quantity lubrication)可以减少摩擦和热量积聚。

生态友好环境的可持续解决方案

除了提升复合材料切削效率外，刀具供应商还将可持续性作为首要任务——即寻求最大限度减少浪费和降低能耗的解决方案。微量润滑技术(MQL)是实现减废的理想选择——通过在钻削铆钉孔时直接将定量润滑剂施加至切削区域，冷却液使用量得以显著降低。采用液态二氧化碳的低温冷却技术是另一种降低刀具切削刃温度的有效方法。该技术能使刀具保持极低温度，有助于减少刀具磨损并延长切削刃使用寿命。

肯纳金属公司钻削和螺纹加工刀具全球产品经理格奥尔格·罗斯(Georg Roth)表示："我们经常接到客户咨询，询问如何减少碳足迹。这涵盖了从延长刀具寿命、降低硬质合金消耗到使用可回收包装材料等各个方面。"

除了采用刃口镶嵌技术减少浪费或使用模块化刀柄系统外，翻新与重磨服务旨在修复现有切削刀具以延长其使用寿命。这不仅通过减少材料用量助力可持续发展，还能有效降低单孔加工成本。

肯纳金属切削刀具解决方案配备先进的端铣刀和钻头，可提升复合材料加工的精度与性能

提升设计与性能

随着钻具和技术的不断进步，CFRP和热塑性塑料等材料的结合，使肯纳公司在铆钉孔层压材料堆叠钻孔技术上取得了重大创新。

以模块化钻头为例，其具备高刚性特性，适用于多种材料加工。经超高抛光处理的排屑槽能实现高效排屑，且耦合部位完全隔绝了切屑流与工件接触。

分点纤维(SPF- Split point fiber)硬质合金钻头采用针对复合材料及复合材料叠层加工的专用设计。多层化学气相沉积(CVD- multilayered chemical vapor deposition)金刚石涂层能显著提高刀具寿命，具有优异的耐磨性能。90°顶角设计增强了切削刀具的对中能力，并有效减少分层现象。

双刃角(DAL- Double angle)钻头专为碳纤维复合材料(CFRP)与金属叠层钻孔设计。其独特的双刃角结构既能实现精准定心，又能最大限度减少金属侧出口处的毛刺现象。该钻头适用于所有叠层组合：无论是CFRP-钛-铝(CFRP-Ti-Al)三层结构，还是CFRP-Ti、CFRP-Al双层组合，乃至纯钛或纯铝材料。经过高度抛光的排屑槽确保切屑顺畅排出，即便在使用微量润滑(MQL)工艺时也能保持优异表现。

 正确的钻头几何形状对于铆钉孔钻孔同样至关重要，它能确保孔径精确与定位对准，有效减少热量并促进高效排屑——最终使得飞机的结构完整性更为牢固。

肯纳金属公司对碳纤维-钛合金叠层钻孔Ti6Al4V(3.7164)进行了出口毛刺分析，比较通用钻头几何形状(上图)与肯纳金属DAL几何钻头(下图)的毛刺尺寸效果。结果显示毛刺尺寸分别≤0.48毫米和≤0.06毫米。

HiPACS钻孔与锪窝工具是另一款高精度系统，在航空航天紧固件孔加工中可实现1°的锪窝角度公差。该工具设计用于标准液压卡盘夹持，由三大标准组件构成：带内置高精度刀座(用于安装锪窝刀片)的变径套筒、PCD材质锪窝刀片，以及采用SPF与DAL刃型设计的整体硬质合金或PCD钻头。这种易于组装的系统能实现钻孔倒角一次成型。各组件均可独立更换，因此只需替换磨损部件，其余部分仍可继续使用。

HiPACS精密刀具系统中的刀片安装在槽内，能够形成最佳的过渡半径/倒角形状，防止孔与埋头窝之间出现台阶。此外，该系统的灵活性可以减少传统整体式刀具的背包数量。直柄设计允许在10毫米范围内进行高度调节。这一精密系统提供的间隙使钻头能保持3-5微米的径向跳动。

在一项实际应用中，一家一级航空航天供应商寻求降低其整体式组件(monoblock assemblies)的成本和复杂性。肯纳金属(Kennametal)介入并用其HiPACS系统替代了现有的整体式刀具组件，该系统实现了单孔最低成本，并显著减少了物品(Item)数量。

肯纳的HiPACS精密刀具系统展示可调节刀片高度的功能。

一个导向装置可以发挥作用

铆钉头不得凸出飞机蒙皮表面，否则会产生湍流和阻力。相反，通过埋头窝加工可实现齐平表面，使铆钉头与表面平齐。由于机械装备的可达性限制，埋头窝操作通常需手工完成。为解决这一难题，KenShape MaPACS和MaxPAC S导向式PCD沉孔钻专为手工埋头窝应用中的便捷操作而设计，其微调止动装置能精准控制加工深度。这确保埋头窝加工时能保持稳定一致的品质。

铆钉孔钻孔的未来发展

铆钉孔钻孔是航空航天制造中的关键工序，复合材料应用的转变正推动着刀具技术的进步。基于这一点，肯纳看到了复合材料制孔的新方向。例如，正在研发的传感器能够在钻孔过程中进行引导、监测和调整，以防止刀具磨损和材料损伤。这将实现实时优化，不仅能完善制孔工艺，还能提升效率。

例如，肯纳金属近期与客户合作推进"单向装配"项目，该项目旨在开发基于传感器的技术以优化飞机装配中的叠层钻孔工艺。通过传感器确保钻孔符合规格要求，可消除清洁、拆卸和检测环节，从而显著节省飞机零部件的制造时间和成本。

航空航天业对更高性能和更轻量部件的追求推动了切削工具的革新，随着对碳纤维复合材料(CFRP)需求的增长，这一趋势还将持续。

原文，《Addressing rivet hole drilling challenges for aerospacelw composites》