复合材料机加讲究多，机床刀具选择有诀窍

树脂基复合材料加工刀具介绍

复合材料加工很有讲究，如何选择机床和刀具

碳纤维、芳纶纤维、蜂窝芯等复合材料具有质量轻、耐高温、损伤安全性高、机械强度好、边缘强度高、耐化学腐蚀等特点，如今被广泛应用于航空、航天、能源、建筑、船舶等诸多领域，特别是在飞机制造业，复合材料的应用已经成为先进程度的重要标志之一。复合材料的加工需要采用精密的数控加工设备和合适的刀具才能完成。

加工机床的选择

根据复合材料的性能特点，切削、钻孔加工必须采用主轴转速在8000转/分以上的数控机床进行。在吸附方式的选择上，平面件一般采用真空平台吸附，曲面件一般采用真空吸附。在冷却方式上，大多数复合材料适合采用风冷，只有碳纤维件可以采用水冷。

真空吸盘柔性夹具系统是专门针对复合材料零件加工而开发的支撑夹持系统。该系统能按预先设计的程序将曲面工件在三维空间内进行固定，在工作区域内通过真空吸盘进行固定。其万向支撑夹具可在2分钟内自动重构，从一种工件的配置到另一种形状工件的配置，具有极高的灵活性。真空吸盘柔性夹具系统非常适合玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、Nomex蜂窝芯、铝蜂窝芯等复合材料壁板零件的外形及孔位加工。已被国外航空公司广泛应用，国内哈尔滨飞机工业集团、西安飞机工业集团、成都飞机工业集团等厂家也纷纷引进。

加工刀具的选择

众所周知，金属工件在加工过程中传热很快，切屑和冷却液也能带走大量热量。但复合材料导热慢，不易碎屑，容易导致加工区域热量聚集，造成刀具磨损。另外，这类材料还容易出现脱层、起毛、拉丝等现象，表面精度不易满足。这就使得选择合适的刀具变得十分必要。加工复合材料的刀具必须特别锋利、耐磨，以保证加工过程中刀具更换较少。另外，针对不同类型的材料应选择不同类型的刀具。

碳纤维材质

碳纤维件有碳带和碳布两种，前者在加工过程中更容易发生脱层，碳纤维件为多层结构，厚度方向和横向力学性能差别很大，因此在加工过程中，切削部分极易发生脱层、起毛现象。钻孔时钻头应选用三尖两刃或两尖两刃的钻头。锋利的三尖可以先将碳纤维层切开，两刃的可以修补孔壁，所以使用这种工具效果很好。还有一种金刚石钻头，以锋利、耐磨取胜，钻孔质量也相当好，但价格相对昂贵。

切削刃口时，还需解决起毛、分层问题，一般切削是用刀具的刃口来完成的。滚花铣刀具有许多锋利的小切削刃，有效地限制了厚度方向各层的移动和撕裂，有效防止起毛、分层。镶钻铣刀，其锋利的刃口，能高速快速切断材料，确保碳丝不被拉出和分层。对于小型、薄壁的碳纤维件，一般采用整体硬质合金滚花铣刀，而对于壁厚超过5mm的碳纤维件和大型碳纤维件，一般采用镶钻铣刀或各种涂层的整体硬质合金滚花铣刀。

芳纶纤维

芳香纤维是目前最难加工的复合材料，如果刀具不合适，极易产生刃口脱层、起毛、烧伤等问题。目前看来，美国产的ONSRUD 450521整体硬质合金滚花铣刀比较可靠，该刀具具有多个锋利的小切削刃，在加工参数合适的情况下，使用高速数控机床基本上可以加工出合格的刃口。

蜂窝芯部件

与前两种材料不同，由于蜂窝芯结构特殊，蜂窝芯部件最常见的问题是撕裂、塌陷、芯单元变形和外观缺陷。高速钢空心铣刀在加工此类材料时表现良好。这种刀具可以垂直切割蜂窝芯的格子，产生无压痕的整齐边缘。在蜂窝边缘整齐切割后，使用切割蜂窝的无齿铣刀从根部切割蜂窝并将其完全分离。这种刀具专门用于在蜂窝上加工深槽，可以高效去除大块多余物并切割出整齐的蜂窝芯边缘。还有用于加工飞机壁板的槽铣刀。这种组合刀具适用于对飞机内饰板的蜂窝夹层进行开槽，以方便混合物的灌注并加固面板的边缘。该刀具具有PCD切削刃，可嵌入金刚石或高速钢材料并用螺钉固定。

通过以上刀具材料的选择以及加工时应注意的事项，可以很好的完成这些复合材料零件的数控加工。但是复合材料的范围很广，由于各种材料的结构和性能不同，其加工时所用的刀具和结构以及所采用的参数也不同。在很多方面，我们仍应努力研究和探索，以制造出更好的复合材料零件。

复合材料切削数控刀具选择指南

近年来，航空、航天、船舶、核工业等工业飞速发展，对工程结构材料性能的要求不断提高，传统材料已难以满足要求，因此出现了一类材料——复合材料。

复合材料是由两种或两种以上物理化学性质不同的物质，人工制成多相材料而组成的固体材料。复合材料种类繁多，用途广泛，发展迅速。复合材料是多相材料，其组成分为两大类，即基体相和增强相。前者起粘结作用，后者起提高强度和刚度的作用。作为工程结构材料，应用最广泛的是纤维增强复合材料，如玻璃纤维增​​强复合材料（GFRP）、碳纤维增强复合材料（CFRP）、芳纶纤维增强复合材料（KFRP）和硼纤维增强复合材料等，它们都属于树脂纤维增强复合材料，也可以称为纤维增强树脂基复合材料（FRP）。

1.纤维增强树脂复合材料（FRP）的性能特点

纤维增强树脂复合材料（FRP）的性能特点如表1-1所示。

表1-1 纤维增强树脂复合材料（FRP）性能特点

2. 纤维增强树脂基复合材料切割的具体措施

纤维增强树脂基复合材料切割具体措施如表1-2所示。

表1-2 纤维增强树脂基复合材料切割具体措施

3. 纤维增强树脂基复合材料切割工具介绍

CFRP碳纤维复合材料目前在航空航天等领域的应用越来越多。碳纤维增强复合材料（简称碳纤维复合材料）是以碳或石墨纤维为增强材料，以树脂为基体的复合材料。具有比强度和比模量高、抗疲劳性能好、耐热性能优良等优点。

碳纤维复合材料切削加工困难，其性脆、强度高，碳纤维硬度高，导热性差，导热系数仅为奥氏体不锈钢的1/5至1/10。碳纤维硬度高，刀具磨损快，刀具寿命低。另外，碳纤维复合材料各向异性，层间强度低，切削时在切削力作用下，易产生分层、撕裂等缺陷，铣削时尤为严重，加工质量难以保证。

3.1. CFRP 立铣刀（肯纳金属）

3.1.1 产品介绍

KMT最新推出的整体合金立铣刀是专门针对C1材料（复合材料）单层复合材料而开发的（见图1-3），也可加工CFRP、铝合金和/或钛合金、不锈钢等多层复合材料。该刀具采用十字交叉刃口结构、锐利前角结构设计，附加金刚石涂层材料，具有切削力小、切削热低的特点，在保证高加工效率的前提下，可确保工件加工表面获得优异的加工质量。同时，独特的硬质合金基体加金刚石涂层，使刀具具有良好的刀具寿命。

图1-3 CFRP立铣刀

3.1.2 处理示例

（1）零件名称：波音787复合材料部件加工。

（2）零件材料：CFRP。

（3）冷却方式：干切削。

（4）加工类型：铣削。

（5）工件加工部分：上下层为碳纤维板，中间层为蜂窝结构。

（6）机床：THERMWOOD。

（7）工具：CBDB1200AXBS KN05。

（8）切削参数：vc=150m/min，n=4000r/min，vf=1000mm/min，ap=12mm，ae=20mm。

（9）刀具寿命：25m，表面质量好，无脱层。在同时测试的刀具中，此刀具的寿命是其它同类刀具的两倍。

3.2. 复合材料刀DIA-HBC4（欧仕）

3.2.1 产品介绍

如图1-4所示，OSI推出的人字形铣刀DIA-HBC4系列具有独特的设计，适合加工CFRP材料。在切削时，如果使用同类型的普通右刃螺旋槽铣刀，旋转时螺旋形状的拉动会使CFRP上表面产生毛刺；如果使用左刃螺旋槽铣刀，会产生向下的排斥力，导致下表面表面状况不佳。即只使用一把铣刀，利用左刃螺旋将上表面压向母材，右刃螺旋将下部向上拉动。两把刀刃可抑制毛刺的产生。

图1-4 复合材料刀DIA-HBC4

（1）DIA-HBC4采用挤压切割原理，减少压层材料顶层和底层的脱层和毛刺。

（2）四刃形状非常适合加工层压材料，并能改善切屑排出。

（3）采用OSG专利金刚石涂层，具有优异的耐磨性和抗擦伤性。

3.2.2. 处理示例

该处理案例主要细节如表1-1所示。

表1-1 DIA-HBC4处理结果

3.3 金刚石涂层硬质合金刀具JC880（上高）

3.3.1 产品介绍

JC880是一款用于加工复合材料的刀具，该刀具为金刚石涂层硬质合金刀具，螺旋角仅为10°，可有效降低复合材料加工时的轴向张力，从而避免切削时产生毛刺、分层缺陷，获得优异的加工质量。

适用于加工碳纤维增强复合材料、玻璃纤维增​​强复合材料和高硅铝合金，以及热固性、热塑性复合材料、夹层复合材料等，可进行侧铣、开槽等多种加工用途，图1-5为刀具结构示意图。

图1-5 JC880工具

3.3.2 处理案例

（1）工具：880160R020Z4.0-DURA。

（2）工件：航空结构件（见图1-6）。

图1-6 航空结构件

（3）材质：碳纤维增强复合材料-热固性/T300碳纤维。

（4）加工参数：vc=150m/min、fz=0.09mm/z、ap=11.5mm、ae=16mm。

（5）加工结果：可以获得非常好的加工表面，无分层、无毛刺。

3.4、Corodrill 863.1-OS刀具（山特维克可乐满）

3.4.1 产品介绍

复合材料加工中最困难的部分是层状复合材料和难加工金属的加工。863.1-OS系列刀具专门用于层状复合材料和钛合金或钢等难加工材料的高精度孔加工。863系列刀具采用锋利的切削刃设计，同时在刀具应力集中较大的部位采用独特的微磨削技术，使刀具更加耐磨、锋利（见图1-7）。刀具外侧采用特殊角度设计，减少刀具工作时的冲击力，减少脱层和磨损。双刃设计提高了孔加工的精度和稳定性。该刀具既可以在自动进给钻等半自动化设备上使用，也可以在数控机床、机器人等自动化设备上使用。

图1-7 Corodrill 863.1-OS工具

2. 应用案例

（1）设备：Setitec ST 2200。

（2）加工参数：旋转速度360r/min、进给速度0.023mm/r、采用Mitis微振动系统的微润滑系统及内冷却（见图1-8）。

图1-8 复合材料及钛合金​​板层加工过程

（3）工具：863.1-B-OS，直径14毫米。

（4）检测结果：孔径公差50μm，表面粗糙度值Ra

（5）刀具磨损：加工60个孔后的刀具磨损情况如图1-9所示，刀具磨损较轻，仍可使用。

图1-9 刀具磨损示意图

3.5、452.1-C左旋匕首钻头（山特维克可乐满）

3.5.1 产品介绍

在航空制造装配过程中，仍有大量工序需要使用风钻进行装配制孔。对于复合材料的制孔，手工刀具的进给量和切削力往往难以控制，从而产生复合材料分层、毛刺等问题。452.1-C刀具是用于复合材料手工制孔的刀具（见图1-10）。

图 1-10 452.1-C 工具

3.5.2 产品特点

452.1-C刀具有以下特点：

（1）左旋螺旋槽设计，消除了普通钻头的拖拽作用，降低了操作人员的危险性。平衡了刀具拔出时的冲击力，使不熟练的操作人员也能快速掌握该工具。

（2）长切割导锥、大剪切角提供最佳的纤维切割效果。

（3）4刃设计，提高孔的圆度，减少切削力，使操作者操作更轻松，特别适合加工单向复合材料中的孔。

3.6. 复合材料加工用钻头（ISCAR）

3.6.1 产品介绍

图1-11 加工复合材料的各种切削刀具

ISCAR提供多种加工复合材料的刀具，包括钻头、铣刀等，如图1-11所示。钻头材料包括硬​​质合金PCD涂层（CVD涂层法）和硬质合金焊接PCD；切削刃和钻尖也经过特殊设计，更适合加工复合材料。它具有以下特点：

1）在硬质合金基体上进行PCD（CVD）涂层处理，可以更好地发挥PCD的特性，并减少与工件的摩擦。

2）刀具寿命更长。

3)适用于干切削或微量润滑切削（MQL）。

4）容易获得加工表面的粗糙度值：Ra

5）加工孔的尺寸公差可控。不易产生翻边、毛刺、脱层、烧伤等。

3.6.2 应用示例

1）零件：垂直尾翼。

2）工件材料：CFRP，孔径φ6.35mm，深度15mm。

3）所用机床：牧野。

4）工具：GGBOSP2-MSC06-2006-00375。

5）加工参数：n=12000r/min，vf=360mm/min。

6）处理结果如图1-12所示。

图1-12 垂尾加工结果

在加工复合材料时以此为基础选择刀具是否正确？

复合材料加工机理与金属加工有着根本的不同，金属加工时，被加工材料比切削刀具软，切削过程中，被加工材料沿剪切面形成连续的塑性变形，从而形成连续、锯齿状和不连续的切屑变形。

复合材料的加工本身就是一系列脆性破坏过程，切削刃的冲击使坚硬的纤维断裂成粉末或刷状碎片。

由于复合材料的耐磨性要求较高，因此切削刀具通常采用金刚石涂层刀具或PCD（聚晶金刚石）刀具，同时在复合材料加工过程中要求有锋利的切削刃以便切断纤维。

金刚石涂层可以明显提高刀具寿命，但金刚石涂层在涂层前需要进行刃口处理，以利于涂层的附着。同时金刚石涂层本身具有一定的厚度，因此金刚石涂层刀具的锋利度会较低，通常刃口半径在20um左右。

PCD刀具是直接磨削形成切削刃的，因此可以比较锋利，切削刃半径通常在10um左右。

两种刀具的选择通常根据客户的生产规模来决定，如果是小批量、多品种的产品加工，可以采用金刚石涂层刀具；如果是大批量的定型产品，追求效率，可以采用PCD刀具。在加工常见的碳纤维复合材料时，金刚石涂层刀具的铣削线速度约为200-400m/min，而PCD刀具的铣削线速度可达400-800m/min。

复合材料广泛应用于航空航天、能源（风电叶片）、汽车、运动器材、医疗、游艇等行业，主要是因为材料的强度高、密度低。例如常见的碳纤维强度接近高强钢，而密度为1.5-1.75-2.0g/cm3，低于铝合金；芳纶材料的密度则更低，为1.3-1.4g/cm3。

山高工具提供齐全的复合铣刀和钻头，分为金刚石涂层和PCD铣刀两大系列，均为投放市场的标准产品。

金刚石涂层铣刀分为5类：

（1）小螺旋角铣刀：减小轴向切削力，减少毛刺。可适用于所有塑料基复合材料，能很好地加工高硅铝合金。

（2）小螺旋角球头立铣刀：主要用于材料成型，如飞机起落架曲面加工；

（3）左旋和右旋铣刀：将材料置于螺旋角的交点处，完全抵消加工过程中的轴向切削力，从而达到最佳的加工表面质量。它们主要用于军事工业。

（4）菠萝铣刀：采用较多的左旋刀齿，有利于将材料压下，提供刀具刚性，并获得较好的表面质量，主要用于碳纤维复合材料的加工。

（5）蜂窝材料专用铣刀：锯齿状刃口设计，刃口锋利，切削容易，且防止蜂窝破碎。主要用于加工纸蜂窝板、铝蜂窝板、钛合金蜂窝板。

PCD铣刀有3种类型：

（1）0度切削刃角PCD铣刀：适用于大多数用途的各种复合材料（包括塑料基复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料）；

（2）正3度前角的PCD铣刀：加工时材料被下压，可获得最佳的上表面质量；

（3）负3度刃倾角的PCD铣刀：加工时材料被向上推，以获得最佳的上表面质量。

金刚石涂层钻头分为两类：

（1）C1钻尖设计：由两个顶角组成，减少轴向切削力，防止分层。用于加工出口处有复合材料的材料。

（2）C2钻尖设计：由180度平顶角和小钻尖组成，具有更好的断屑和排屑设计，确保孔质量。适合加工具有金属出口材料的复合材料，例如碳纤维+铝合金等材料。

碳纤维及复合材料加工

1.技术背景

随着现代工业的发展，具有质量轻、强度好、动态性能好的纤维复合材料（FRP）在现代工业中逐渐得到广泛的应用。碳纤维增强塑料（CFRP），主要成分是碳。与同等质量的轻质钢相比，纯碳纤维的强度是纯碳纤维的几倍。在需要高应力结构件时，几乎只使用CFRP。对于碳纤维增强塑料的加工，需要考虑纤维类型和纤维方向。碳纤维复合材料的纤维方向决定了材料分层和纤维分裂倾向。因此，单向层往往会严重分层，特别是在孔的出口处。分层倾向必须抵消刀具的几何形状。由于材料特性，应特别注意材料的高耐磨性，以避免损坏材料成分。高性能刀具的目标是避免加工过程中材料切削力的分层和重定向，使加工后的孔壁光滑、无毛刺、不分层，同时确保刀具的高寿命。

2.复合材料简介

1. 碳纤维+增强塑料——CFRP

2. 玻璃纤维+增强塑料 – GFRP

3. 芳纶纤维+增强塑料——AFRP

4. 陶瓷基复合材料 – CMC

5.碳纤维复合材料——CFC

各类复合材料的加工难度

加工相应材料的工具：

1. 练习

2. 埋头孔

3. 钻孔埋头孔

4.铣刀

5. 任何特殊工具

用于加工纤维复合材料的所有钻头类型

1. 特殊头型

最佳钻孔质量

2. 标准 1149 凯夫拉钻头

纤维复合材料加工，

孔壁质量好、性价比高

3. 特殊几何头

用于加工复合材料的手钻铰刀

用于加工纤维复合材料的铣刀

A、标准6793单刃铣刀用于加工塑料及低纤维含量的纤维复合材料，夹层材料，具有性价比高，适用性强的优点。

B.采用特殊的路由器结构来加工玻璃纤维和碳纤维。

C、采用专用2齿、3齿铣刀，加工塑料、铝等夹层材料。

D、采用特殊开槽结构，加工蜂窝材料。

例子：

刀具规格：φ10、FR100铣刀

工件材质：碳纤维复合材料

加工参数：Vc=314m/min、N=10000、F=1000m/mim、Vf=0.1mm/r。

升级优化的 CFRP 整体立铣刀

碳纤维增强复合材料CFRP具有极高的摩擦系数，同时CFRP复合材料用途广泛、形状复杂，是最具挑战性的材料之一。

由于生产工艺和所用材料的特殊性，如纤维排列、密度、树脂粘合剂等，即使在良好条件下，CFRP 的加工也极具挑战性。如果没有专门的工具，工件质量差、加工不可靠、分层、表面光洁度和纤维拉脱等问题很常见。此外，每种新型 CFRP 复合材料都需要相应的解决方案。

升级优化的CFRP整体立铣刀系列采用全新硬质合金基体和更易粘结的Dura涂层，刀具寿命延长30%至50%。同时，为CFRP加工提供全套10种创新槽型，每种槽型的设计都旨在实现特定应用领域中的最高可靠性。

相同刀具寿命下新旧材料磨损对比

产品系列概览

JC800 系列：10 种 CFRP 槽型（2 种无涂层）。共 95 种产品。

JC845

• 复合立铣刀

• 左右螺旋复合槽，非常适合稳定加工玻璃纤维或碳纤维面板

• 适用于层压材料和玻璃或碳纤维复合材料

JC860

• 蜂窝铣刀

• 15° 左螺旋角，切削力向下

• 适用于蜂窝材料的侧铣和槽铣

JC875、JC876 和 JC877

• 先进的粗加工工具

• JC875 右螺旋，端齿密齿距

• JC876 左旋螺旋，端齿 2 齿

• JC877 左旋螺旋，端齿密齿距

JC850

• 小螺旋角球头铣刀

• 各种碳纤维复合材料的2.5D和3D精加工和半精加工

• 用于优化表面质量的精加工工具

JC870 和 JC871

• 涂层和非涂层基本粗加工刀具

• JC870，2 齿居中，充分拓展钻孔能力

• JC871，端齿密齿距，非常适合优化底面加工

JC880 和 JC885

• 小螺旋角铣刀

• 适用于所有 CFRP 材料的开槽和侧铣应用

• 用于优化表面质量的精加工工具

JC800系列整体立铣刀凭借其优异的性能，可广泛应用于航空航天、医疗、风电、船舶、轨道交通等各个行业，实现经济、高效、可靠的CFRP加工。

加工案例-加工TS2复合材料

目标：提高处理效率

零件：结构件

材质：CFRP树脂注射材料

加工方式：外部轮廓铣削

夹持方式：真空吸附

切割深度：4-8毫米

换刀标准：后刀面磨损

工具：JC877.375D2C.0Z12-DURA

刀具直径 3/8" DURA 涂层

vc: 330 米/分钟 (n= 11060 转/分钟)

fz：0.025毫米/齿

速度：3320 毫米/分钟

工具寿命：18分钟

复合材料系列刀具-金刚石螺旋柄铣刀

哪些材料适合复合系列工具？

CFRP-碳纤维增强塑料

CFRC-碳纤维增强碳

GRP-玻璃纤维增​​强塑料

AFRP-芳香纤维增强塑料

塑料中的各种纤维（混合织物）

钻石螺旋柄铣刀

钻石螺旋柄铣刀是一种专门为航空航天材料和复合材料设计的高性能复合工具，可实现出色的表面处理质量。

连续的螺旋钻石切割边缘，切割表面没有划痕，降低了噪声；

螺旋设计可确保尖端具有一致的耙角；

以倾斜或螺旋的方式切入材料；

推送，独特的芯片断路器设计；

该工具可以多次锐化，并且该工具具有成本效益；

PCD铣刀专门为FRP材料设计，为钻石铣刀创造了新的机会

AFRP Aramid纤维的密度低，因此与碳纤维和玻璃纤维相比具有很高的拉伸强度。

CFRP has the highest strength and hardness, and at the same time has a very low density. Therefore, it will be a lightweight material that will be used frequently in the future. The positive characteristics of carbon fiber plastics and their difficult processing characteristics are a pair of difficult-to-solve contradictions. Cutting tools must be able to withstand the extremely high damage resistance brought by the material - for this reason, the introduction of tools with diamond tips not only prolongs the blade life, but also has better cutting quality.

CFRP加工工具支持复合结构零件的铣削

与金属结构零件相比，在相同的负载下，由碳纤维增强塑料（CFRP）制成的结构要轻得多。相应的设计几何形状是由热量的工具来治愈的，因此，该材料制造的组件不仅在航空航天行业中具有很大的优势。设备，还广泛用于机械制造和处理设备或机器人中。

工具的特殊要求

碳纤维增强塑料（CFRP）的碳材料在某些地方甚至具有钻石状的结构。 PKD）切割边缘更具耐药性，但这使工具设计人员在几何形状方面更少。

自2021年初以来，MAPAL一直在内部生产此工具的超磨损和耐磨性的CVD涂层，除了使用Ecofeed teele组件加工的工具外，还使用了与多型钻石（PKD）的剪辑材料，以及新的工具。钻石涂层的切割器用于各种结构，碳纤维增强塑料（CFRP）的铣削可以达到极好的水平。上述所有工具的处理要求在复合材料的处理中被证明且可靠。

碳纤维增强塑料（CFRP）处理特性

碳纤维在加工过程中的表现与金属非常脆弱，而对于金属来说，碳纤维的加热主要是由于切割芯片在CFRP工件中的范围中均超过了crielter，这主要是由于切割芯片的塑性变形而造成的。因此，一旦确定了该过程的剩余参数，就可以轻松地将切割速度提高到更高的值。

许多高科技行业使用的结构零件

在飞机构造的领域中，对碳纤维增强塑料（CFRP）制成的结构组件的需求不断增加，尤其是在各种乘客飞机的内部使用，在各种乘客的内部中，有许多具有中等至低安全性的结构性组件，例如座位上的启动和构造构造的范围。对于小批量的结构组件。

碳纤维复合材料的特殊工具的应用程序案例

1。研发背景

碳纤维是一种高强度纤维，其强度超过90％。

2。加工碳纤维的困难

1。材料很难，工具在处理过程中很容易磨损；

2。在钻孔和铣削过程中很容易引起材料分层；

3。应力相对浓缩，并且在钻孔过程中易于分裂；

4。材料的导热率相对较小，并且很容易发生收缩孔。

3。A012复合材料的特殊工具系列

鉴于碳纤维的加工特性，自2019年以来，我们与相关的科学研究机构和市场客户合作，需要开发A012系列的特殊铣削工具，以便今天简短地将其介绍给您。

1。MD型中和粗整体多功能铣刀

适用于复合材料，例如芳香纤维，碳纤维T300，PEEK，聚合物材料等。

2。WD类型前进和反向牙齿铣削刀具

适用于Aramid Honeycomb，Honeycomb叠加板Kevlar Aramid，碳纤维T300，T700，T800，玻璃纤维，碳/碳和其他复合材料。

3。WD型小直径为正和负齿轮

适用于蜂窝叠加板木板的蜂窝，碳纤维T300，T700，T800，玻璃纤维，碳/碳和其他复合材料。

4。WS类型的前后牙齿多重铣刀

适用于蜂窝叠加板木板的蜂窝，碳纤维T300，T700，T800，玻璃纤维，碳/碳和其他复合材料。

5。MPOR型四边式球铣刀

它适用于石墨材料，碳纤维，玻璃纤维（半效果，精确加工）钛，铝和铜叠加材料以及高硅铝材料，其硅含量超过8％。

6。A0124D精细加工铣刀

它适用于石墨材料，碳纤维，玻璃纤维（半效果，精确加工）钛，铝和铜叠加材料以及高硅铝材料，其硅含量超过8％。

7. WMA加工钻头

适用于蜂窝叠加板木板的蜂窝，碳纤维T300，T700，T800，玻璃纤维，碳/碳和其他复合材料。

4。复合材料复合材料的一部分处理案例

1。碳纤维T300处理案例

2。玻璃纤维加工的病例

3。混合碳纤维加工的情况

4。碳纤维薄板加工案例

5。碳纤维孔处理案例

总体处理情况：处理工件的表面平滑，孔处理的表面具有光滑度，没有毛刺，折叠和边缘。

复杂的处理工具用于处理

碳纤维增强复合材料（CFRP）作为代表性的高级树脂基础材料，由于其代表性的高级树脂碱基复合材料，在航空航天领域被广泛使用。

由于CFRP的异性，其切割机制与切割过程中的金属材料不同，该工具同时磨损了一系列的处理缺陷，例如层，毛刺，纤维撕裂和划痕。

SHI基于碳纤维复合材料的木偶及其堆积的层（钛/化合物，铝/复合物/化合物/化合物等），用于碳纤维复合材料及其直径为1/2（12.7mm）（12.7mm）。

针对碳纤维复合材料的边缘或空腔铣削，开发的铣削工具是在切割主要飞机制造公司比较的过程中开发的，处理效率和加工质量的质量优越，并且它们在实际使用方面表现出更好的性能。

处理案例1

总体硬合金鱼尺度铣刀

1。多刀片带有碎屑凹槽，可降低切割电阻，适用于航空航天复合材料的铣削和铣削加工；

2。具有超级抵抗力的钻石复合涂层的使用有效地提高了加工效率和使用寿命；

3。左右僵局的刀片类型和特殊的插槽设计可以有效地抑制工件上部和下侧的转弯，分层和过热的现象。

在比较国内外工具的过程中，铣削切割器铣削效果是最好的。

处理案例2

总体硬合金匕首钻

1。钻孔的独特集成设计，侧面刀片的边缘直接作为主切割刀片，以参与钻孔，并且更有可能在表面上形成一个无孔和高质量的孔；

2。在钻头的尖端上没有水平刀片。

处理案例3

PCD皮带指导第2列螺纹手柄

1。切割刀片具有三种材料：高速钢，硬合金和PCD。

2。巢钻的切割刀片的角度为90°，100°，120°和130°。

3。切割刀片的特殊角度设计，稳定的切割，巢的出色表面；

4。手柄的线符合航空航天标准。

复合材料机械处理（钻孔/切割等）过程和设备

钻孔

复合材料与金属飞机的结构不同，较高的速度和较低的费用对于钻石精度孔不像碳纤维复合材料那样难。 。

设备

气动工具用于复合材料的钻孔。

请勿将标准扭曲钻头用于钻石复合结构。

碳纤维和玻璃纤维复合材料的钻头是由钻石涂层材料或固体碳化物制成的，因为纤维非常坚硬，并且很长一段时间内不使用标准的高速钢（HSS）钻头。

Kafla纤维不像碳纤维那样硬，如果使用标准钻头，则使用标准的钢钻。

（图1）Klenk钻探用于钻孔Kevlar®

（图2）复合材料的钻井工具

（图3）自动钻孔

钻井操作过程和预防措施

复合材料的钻孔电动机在2000至20,000 rpm之间运行，而织物材料制成的零件则较低。

返回-To -Pores是一种与金属结构零件配合的碳纤维氧零件，具有几何形状，更好的零件夹紧，增加最终的REH孔，使用钻孔或这些方法，可以减少或消除抗Drill。

当复合零件和金属零件的组合可以控制钻石的钻头钻头。

用手钻的硬合金刀的最常见问题是处理工具的损坏（边缘）。

通常不使用或不建议使用碳纤维结构（厚度小于6.3毫米或0.25英寸），或者不建议使用它是一种很好的方法。

当组件中安装了平坦的固定剂时，需要对金属结构进行100°角度的结构，或者张力头扣是典型的方法。

硬合金刀用于产生碳纤维环氧结构的凹槽。

使用微螺旋头来产生一个一致的埋入孔。

切割过程和预防措施

如果将切割金属工具用于复合材料，则是短寿命或较差的切割刀片。

•碳纤维增强的塑料：碳纤维非常坚硬，很快就会佩戴高速钢工具。

•玻璃纤维增​​强的塑料：玻璃纤维与碳纤维一样坚硬，并且很快就会佩戴高速钢刀。

•kevlar®纤维增强了塑料：芳族纤维不如碳纤维和玻璃纤维，并且可以用高速钢制成。

使用工具和设备时，请确保使用安全眼镜和其他防护设备。

切割设备

（图 4）

乐队锯是用于维修工作室的最常用的设备，因为硬合金或钻石涂层的刀具具有更好的光滑度和更长的服务寿命。

可以使用（CNC）CNC GEBER剪切 - 弹药。

（图5）Gerber切割台

铣削碳纤维化合物材料可以延长刀的寿命并提高孔处理的质量

概括

在传统的钻井过程中，机械加工（例如分层，撕裂和毛刺）会导致机械性能降低，并在切割过程中很容易磨损。

这项研究的目的是分析碳纤维化合物螺旋铣削工艺的磨损机制，总结了在不同切割下的工具磨损的磨损趋势，以及切割工具磨损对切割力和孔质量的影响。

研究表明：

在工具磨损的早期阶段，该工具的底部的磨损机构主要是磨损和粘附，在工具磨损的中间和晚阶段，磨损磨损和磨损区域的粘附力，伴随着严重的疲劳磨损和轻度的氧化磨损，与理论分析的结果一致。

随着主轴速度的增加，每轨轴的感知量以及每颗牙齿的增加，刀底部叶片侧面的磨损会减小。

的在处理24孔的过程中，工具的下边缘的严重磨损会导致头皮屑和碎屑能力降低。

径轴向力和径向力与纺锤体速度负相关。

Part1过去的研究进度

为了响应碳纤维纤维处理过程中工具磨损的磨损机制，一些研究指出，由于工厂的磨损区域不足，在碳纤维处理过程中，金属加工过程中的碳纤维处理过程不足。更严重的是，嘴巴有一个钝角，涂层的磨损颗粒磨损和涂层工具的粘合度。对磨损形状的分析表明，碳纤维和异性的不平衡显着影响异性的磨损特征。

但是，由于碳纤维的切割特性以及切割刀片与非切割材料之间的连续接触的难度，刀具磨损更可能在螺旋铣削过程中发生，但是这项研究仍然有限。

该工具的磨损与孔的质量密切相关。

简而言之，目前关于碳纤维螺旋铣刀磨损的实验仍然非常有限，因此有必要为工具磨损的磨损机理进行理论基础知识。

分析部分螺旋铣削期间的刀子磨损机构

2.1。

螺旋铣削过程也称为铣削。

（图1。螺旋铣削的重要意图）

2.2，基于不良头皮屑的切割参数的影响对工具磨损的磨损

基于切割机的切割刀片运动轨迹，在后面的切割过程中分析了沿着微观的刀片的切割点。螺旋磨机应由两个部分组成：非变形头皮屑的非连续侧和连续的轴向非变形芯片。

如图2B所示，刀具的底部表面的连续切割导致非成型芯片的量明显大于侧面叶片。

每个牙齿轴的进步（FZA）的组合，每个牙齿的百分比，饲料量（FZT）和每个轨道的轴（AP）直接决定了无言式头皮屑的几何形状头皮屑不明显的形状，因此对工具磨损的影响也不同。

如图2C所示，主轴速度会增加，而非确定性和切割几何形状保持不变，因此，切割刀片上的切割力几乎不影响非定向头皮屑的厚度。

根据切割参数的变化的不令人满意的头皮屑几何形状和机械磨损速率的变化，纺锤速度的增加通常会导致刀具的磨损速率降低，轴向方向的数量增加（AP）。刀的磨损也会增加，FZT的增加将加速轴的进步速度，从而减少工具和切割工具之间的接触时间，并最终降低工具的磨损速度。

（图2。无法变形头皮屑，无法变形头皮屑的形状和参数，并通过增加C螺旋速度的轴向进料体积，D轨道旋转的轴向进料体积以及每个牙齿的E百分比的切口

部分研究过程

实验装置如图3所示。

（图3。CNC机床B详细的螺旋铣床测试设备C铣刀几何形状D刀磨损评估Ehole墙壁粗糙度测量）

通过光学显微镜观察工具侧的磨损，并使用ImageJ软件来计算磨损宽度。

扫描电子显微镜和能量散射光谱仪以表征工具侧磨损的表面形状和特征。

选择用于墙壁壁粗糙度作为测量装置的测量设备。

第4部分结果讨论

4.1，螺旋铣削碳纤维，工具磨损特性

当碳纤维化合物的螺旋铣削时，主要的工具磨损机构包括磨料磨损，粘性磨损，由切割力引起的疲劳磨损以及切割热量的氧化磨损。

（图4。刀具磨损的扫描电子显微镜图像。A为2个孔后，B为16个孔）

为了进一步研究切割工具之前和之后的化学组成，图5显示了在0孔和24个孔的铣削底部的EDS分析结果。

（图5。刀具磨损形式的EDS分析结果。A是新刀，B是24个孔）

P和S元素的增加表明，树脂材料在工具表面的附着会引起粘附，并且碳纤维硬颗粒的粘附表明磨料磨损。

诸如微观观察，ED分析和先前介绍的理论分析之类的全面分析表明，在工具后端的初始阶段，碳纤维纤维时，主要机制包括磨料和粘合剂，表明磨料的耐磨性和粘合性均为易变。速度钢降低了这种正相关。

4.2，切割参数对刀的磨损的影响

图6a描述了每个轨道旋转（AP）的轴的数量为0.2mm，每个牙齿切割（FZT）为0.04mm/z，主轴速度（n）为1000〜5000 〜5000 r/min，刀底部的底部磨损底部的底部略微减少了24次。

（图6。当在不同纺锤体的不同纺锤体中螺旋铣削时，刀的详细微型 - 刀片磨损； B VB和开放孔之间的关系）

图6B显示，提高主轴速度可以降低底部的磨损，从而延长工具的寿命，降低切割力以及工具的磨损速度的降低，其速度越高，温度越高，摩擦率越高，这进一步降低了工具的磨损速度。

Figure 7A shows that in the case of the sidelines of the bottom side of the bottom of each tooth incision (FZT) at 0.04mm/Z, the spindle speed (N) of the main axis (N), and the axis (AP) of each orbital axis (AP) of 0.1 ~ 0.3 mm. When changing between M, the wear on the bottom side of the tool will decrease with the increase of AP.

(Figure 7. A, CFRP spiral milling process Different axis advances to the detailed micro -photos of the knife wear under the measurement of the knife; B, VB and the number of hole processing times)

It can be seen from Figure 7b that the wear on the bottom of the tool of the tool decreases as the AP increases, thereby significantly increased the life of the tool: 16 holes when AP = 0.1mm, 20 holes when AP = 0.2mm, and 24 holes when APs are 0.3mm. First, the axial feed rate of the tool increases the cutting time of each hole, thereby reducing the cutting heat caused by friction and wear at the bottom side. It is more important, so the overall wear of the bottom surface of the tool is negatively related to AP.

Figure 8A shows that under the condition of the bottom side of the side side of the sideline on the bottom side of the axis per track (AP) to 0.2mm, the spindle speed (n) to 1000r/min, and the incision of each tooth is cut to (FZT) at 0.02 ~ 0.06mm/z.

(Figure 8. A detailed micro -photo of the knife wear when the spiral milling carbon fiber compounds is compounded at differential feeds; the relationship between B VB and the number of openings)

It can be seen from Figure 8b that as the amount of each tooth cut into the amount of feed, the wear of the lower edge of the knife is slightly reduced, and the life of the knife is slightly increased. When the tooth cut is 0.06mm/Z, the tool life is kept at 20 holes until the peak is 0.08mm/Z per teeth, and the life of the tool is 22 holes.

It shows that the increase in the axis advance rate is corresponding to the increase in the amount of each tooth cut, thereby shortening the contact time of the tool and workpiece materials during the single -hole milling process, and then reducing the wear rate of the tool. Dowager.

4.3 The effect of cutting tool wear on cutting force

The trend of the lower axis and radial cutting for different cutting parameters summarized with the changes in the number of holes, and the results were shown in Figure 9.

(Figure 9. Different horizontal spindle speed (A, B), axis (C, D) per track (C, D) and axial force and radial force under each tooth (E, F))

As shown in Figure 9A, under the influence of tool wear, the axial force under different spindle speeds increases significantly as the number of holes increases. The ability will also be significantly improved. When the spindle speed reaches 5000 rpm, compared with the processing speed of 4000 rpm/cents, the changes in the axial force during the processing process are not obvious, and it is not enough to achieve the conclusion that improves the axial force to effectively reduce the axial force.

As shown in Figure 9b, as the number of holes increases, the radial force increases greater than the axial force.

As shown in Figure 9C, the axial force under low AP conditions has increased significantly. As the AP value increases, the sensitivity of axial force to the wear of the tool gradually increases.

As shown in Figure 9D, the trend of radial force is similar to the axial force, which usually increases as the AP increases.

When the amount of each tooth cut is set to 0.02mm/Z, 0.03mm/Z, 0.04mm/Z, 0.05mm/Z, the axial force during the 24th hole processing is increased by 45.0%, 43.7%, 45.5%, and 47.7%compared with the second hole. e). This trend shows that under variable conditions, as the amount of each tooth is cut into the amount, the amount of non -deforms on the bottom blade also increases accordingly, and the force load and thermal impact of the cutting blade have increased. Although the tool wear is relatively small during this period, the impact on these is not significant.

It can be seen from FIG. 9E that the trend of radial force is similar to axial force. Generally speaking, the cutting force increases as the amount of each tooth cut forward. Increased force.

4.4 Effect of the wear of the knife on the roughness of the hole wall

Summarizing the trend of the roughness of the pores in different cutting parameters with the change of the number of holes, the result is shown in Figure 10.

(Figure 10. At different levels of pore wall roughness at different levels at different levels of the axis of the axis of the A spindle, the rotation of each orbital rotation of the B to each tooth, the roughness at different levels of each tooth)

As shown in Figure 10, in the same cut parameters, the increase in the number of holes will cause the knife to wear. Later, the roughness value of the hole wall gradually increased. Therefore, the distribution of the cutting load on the cutting blade became more uniform, thereby alleviating the impact of the wear of the knife. The intense friction and squeezing on the surface make the quality of the walls fall quickly.

如图10a所示，在每转轨道恒定轴向进给、每齿恒定切向进给、主轴转速不断提高的情况下，孔壁的粗糙度值随着增长速度的减小而逐渐增大。据观察，在主轴转速较低（n=1000r/min）时，刀具磨损和径向力都较大，这可能会损害孔壁质量。然而，实验结果表明，由于刀具的轴向进给率较小，导致工件表面的切削次数增加，因此在此转速下孔壁质量较好。这抑制了纤维的反弹变形，对降低孔壁粗糙度有较大作用，从而提高了加工质量。当主轴转速超过4000r/min时，孔壁粗糙度几乎没有差别，这表明在高速条件下刀具磨损的敏感性增加。

如图10b和c所示，孔壁粗糙度明显随着每轨道转数轴向进给量和每齿切向进给量的增加而增加。这种现象可归因于两个原因：首先，每齿轴向进给量和切向进给量的增加会导致更高的径向力、刀具变形和振动，从而降低稳定性和加工质量。其次，每齿ap和切向进给量的增加会导致侧边缘的未切削材料更厚、更宽，同时轴向进给速度也更高，这些因素共同导致孔壁质量显著下降。

总之，在相同的切削参数下继续加工，刀具磨损明显增加，孔壁粗糙度值显著上升（与第2孔和第24孔相比，孔壁粗糙度值增加了79~120%），导致加工质量显著下降。对不同切削参数下的孔壁粗糙度值进行比较后发现，降低主轴转速、每轨道转数的轴向进给量和每齿的切向进给量可获得更好的孔壁质量。

PART5指导意义

本文的研究结果为延长碳纤维复材螺旋铣削中的刀具寿命和提高孔加工质量提供刀具磨损机理方面的指导，也为减少碳纤维复材螺旋铣削过程中的刀具磨损提供了实用指导。

PART6文献信息

研究团队成员来自武汉理工大学机械与电子工程学院、汽车工程学院和湖北省机器人与智能制造工程研究中心，项目得到了国家自然科学基金项目（52275506、52305500）的支持，研究成果以“Experimental investigation on tool wear and hole quality in helical milling of CFRPs”发表于最新的《The International Journal of Advanced Manufacturing Technology 》。

F35复材蒙皮钻孔

F-35用于碳纤维/BMI蒙皮的钻头特写。

早在2006～2008年，在我担任《CW-Composite World》编辑领导的早期，我们很难说服复合材料制造商和原始设备制造商让我们参观他们的工作。这种抵制大多围绕着对知识产权保护的担忧—担心我们会报告我们所看到的一切。我们最终克服了他们的担心，行业开始明白，我们的编辑人员可以被信任来保护被视为竞争优势的信息和技术。

因此，我怀着极大的兴奋在2009年进行了我的第一次工厂之旅。《CW-Composite World》受邀参观了位于德克萨斯州沃斯堡的大型F-35总装线。当时，F-35战斗机正处于低速生产和飞行测试的早期阶段。

因为沃斯堡的设施包含FAL，所以我所追求的故事与其说是复合材料的制造，不如说是将碳纤维/BMI蒙皮连接到战斗机框架上所需的机加工、修整和钻孔。这个故事是关于用一个钻孔工具钻穿复合材料蒙皮并进入钛框架的挑战。它还涉及到修剪不合格蒙皮以满足厚度和尺寸公差的挑战。

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。

这个故事，“剥F-35战斗机的皮”，今天仍然引起共鸣，并有一些很好的基本信息和指导，关于如何为尺寸要求很高的国防应用选择和优化钻孔和修整操作。我还应该注意到，这个故事在很大程度上是时代的产物，并没有解决F-35随后面临的—现在仍然面临的—一些生产和技术挑战。

几年后，高级技术编辑金吉·加德纳（Ginger Gardiner）在2012年的文章《优化、定制复合材料钻孔》中重新审视了复合材料钻孔的主题，该文章总结并扩展了我的F-35故事中介绍的许多想法和概念。同样，这是关于复合材料钻基础知识和支持它的技术的好的基本信息。

这些故事提醒我们复合材料制造的两个重要元素，值得提醒。首先，复合材料不像金属那样切割、修剪、布线或钻孔，因此需要专门为这项工作设计的专用工具。其次，无论你使用什么复合材料，无论你如何加工，通过某种数控加工进行的后处理都是每一种复合材料制造操作的基本组成部分。再说一遍，普通工具不行。

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，SC）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。

这是一个用未损坏的钻具钻孔的特写镜头。

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？”

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。

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。”

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。如果他们来自钻孔，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3～5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。它的制造者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，三阶段钻孔工艺仍然普遍使用，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。

在F-35闪电II上紧固所有复合材料蒙皮需要经过成本效益优化的机械加工和钻孔技术。

与PCD工具的275孔寿命相比，这种AMAMCO金刚石涂层钻孔工具提供了1200孔的使用寿命。

这架F-35在沃斯堡工厂内的洛克希德·马丁航空公司装配线上等待着碳纤维增强蒙皮，该蒙皮将包裹成品飞机的机身和机翼。

一个自动钻孔系统钻制了1500个孔中的一个，这些孔将容纳F-35前机身前部的紧固件。

常规起飞和降落的F-35 CTOL

DST加工中心去工艺补偿（sacrificial）材料，以帮助F-35蒙皮达到公差目标。

钻头特写

AMAMCO的新型金刚石涂层刨槽工具。

F-35的机翼蒙皮在离开DST加工中心后放置在其工具上。蒙皮上的一些孔是由加工中心使用AMAMCO的专用钻孔工具钻孔。

奥尔巴尼公司自动铺放F-35机翼蒙皮。

当奥巴马政府今年早些时候宣布将从2010年美国国防部预算中削减F-22战斗机项目时，洛克希德·马丁航空公司位于德克萨斯州沃斯堡的工厂员工的情绪是又苦又甜。这个洞穴状的工厂长1英里/1.6公里(千米)，宽0.25英里/0.4公里(千米)，不仅是F-22的组装点，也是即将推出的F-35闪电II的组装点。

从预算角度来看，国防部对F-35或联合攻击战斗机（JSF-Joint Strike Fighter ）的偏好是可以理解的。与F-22的1.43亿美元相比，其8300万美元的飞行成本（取决于变种）相对便宜。洛克希德·马丁公司计划在2036年前交付3000多架F-35，而与成本分摊伙伴国的共同开发确保了很长的订单。

与空对空F-22不同，F-35是一种多用途飞行器，专为美国飞行员未来更可能面临的空对空和空对地作战而设计。多用途设计使F-35具有很强的适应性。它有三种变体：用于常规起飞和降落（CTOL- conventional takeoff and landing）的F-35A、用于短距起飞和垂直降落（STOVL-short takeoff and vertical landing ）的F-35B和用于舰载降落（CV-carrier-based landing）的F-35C。多用途能力使其能够取代美国的F-16、A-10、AV-8B和F-18，以及英国的Sea Harrier和GR.7。在美国，它将补充现有的F-22和F-18E/F机队。从制造的角度来看，这些变体在超过20%的机身结构上具有共同的设计，从而降低了项目成本。

十多年发展

洛克希德·马丁公司是F-35的主要承包商，于2001年10月中标。诺斯罗普·格鲁曼公司和BAE系统公司是该项目的主要合作伙伴。这三家公司已经完成了为期12年的系统开发和演示（SDD- System Development and Demonstration ）阶段的一半以上，其中包括19架飞机的生产和测试。复合材料一直是制造业的主要组成部分。诺斯罗普·格鲁曼公司在其位于加利福尼亚州帕姆代尔的工厂制造中心机身；BAE Systems在其位于英国萨姆斯伯里的工厂生产后机身和尾翼，ATK（犹他州麦格纳）生产机翼蒙皮；洛克希德·马丁公司在沃斯堡制造前机身并总装成品飞机。第一架F-35是一种CTOL变体，于2006年12月15日首次飞行。所有SDD飞机都在生产中或在飞行线上进行测试；首批14架生产型F-35已经开始总装。

HPC最近被邀请参观沃斯堡的大型工厂，亲眼目睹这种下一代战斗机的复合材料是如何成型的。

预算紧张的大工程

制造一种在一定程度上以预算友好的方式销售的战斗机的挑战之一是，必须特别注意对飞机的每个部件进行成本优化。对于F-35的碳纤维复合材料来说，这可能是最正确的，它约占战斗机结构重量的35%和大部分可见表面。由于机身部分、机翼和尾翼来自不同的供应商，洛克希德公司面临的最大挑战是管理飞机的复合材料蒙皮厚度。

洛克希德·马丁航空公司JSF生产运营技术副总裁Don Kinard表示，该公司花费了大量时间评估飞机框架和蒙皮的各种材料类型—复合材料、铝、钛和钢，以确定最具成本效益的成本效益比。

“我们能制造一架全复合材料的战斗机吗？”基纳德问道。“当然，但我们不会因为可以就采取行动。一切都是成本效益分析。哪里是最有效地使用复合材料的最佳场所？”他指出，对F-16、F-22和F-35的复合材料结构进行了评估，但没有提供证明成本合理所需的重量节约。他说：“我们需要为复合材料结构节省更多的重量，以使其有意义。”。他还指出，在复合材料的子结构中，“材料Z向特性是个问题。树脂的强度必须得到显著提高。还有很多需要克服的。”

因此，F-35上的复合材料几乎只用于蒙皮。Kinard指出，洛克希德公司在飞行服务温度允许的情况下，使用Cytec Engineered Materials（亚利桑那州坦佩市）的碳纤维/环氧树脂，但飞机的大部分蒙皮需要更高的耐热性，其中使用了Cytec的CYCOM 5250-4双马来酰亚胺（BMI）。尽管洛克希德公司正在评估新一批用于特殊应用的热压罐外树脂，但Kinard预计基质近期不会发生变化。

它的表皮全部由碳纤维增强塑料制成。大部分机身部分的基体为CYCOM 977环氧树脂，机翼和一些较热表面的基体为CYCOM 5250双马来酰亚胺树脂。增强纤维为中等模量碳纤维，主要为Hexcel IM7，抗拉强度为550-700 ksi。双马来酰亚胺通常比铝具有更好的耐热性；根据所比较的特定合金和树脂，环氧树脂的耐热性不如铝或铝。

在F-35的SDD阶段，根据供应商、零件的复杂性和成本效益，蒙皮部分的生产有所不同。例如，ATK使用自动纤维放置（AFP）技术生产许多机翼复合材料零件。洛克希德公司内部选择使用手工铺放生产前机身蒙皮。随着F-35的投产，更多的国内和国际航空航天供应商将参与复合材料部件的生产，包括阿莱尼亚航空公司（意大利罗马）、康斯伯格国防系统公司（挪威康斯伯格）Terma A/S公司（丹麦格勒纳）、TAI公司（土耳其伊斯坦布尔）和其他公司。“我们正在利用全世界在复合材料制造方面的能力，”基纳德认为。

基纳德表示，他和洛克希德公司的F-35复合材料的大部分精力都集中在管理复合材料蒙皮的厚度上。在某些情况下，这是通过基于仔细计量的复合材料层的添加和减少来实现的，而在其他情况下，则是通过对零件进行机加工来实现的。

基纳德表示，复合材料蒙皮厚度的一致性对于注重重量、性能和成本的F-35至关重要。洛克希德公司及其合作伙伴使用两种方法来确保蒙皮达到厚度目标：机械加工或模具后添加帘布层。在沃斯堡的洛克希德·马丁公司，前机身蒙皮被手工铺在因瓦模具上，并在塔里科公司（加利福尼亚州长滩市）制造的三台大型热压罐中的一台中进行固化。随后，将固化成层压板的工艺补赏层进行机加工，以控制蒙皮的厚度。在ATK，机翼的纤维蒙皮被固化，固化后，蒙皮厚度使用洛克希德·马丁公司制造技术和生产工程人员开发的工艺进行精确测量。如果需要，在称为固化层压板补偿（CLC-cured laminate compensation）的过程中，将额外的层压板叠起来，并对整个结构进行第二次固化。“这里的圣杯（Holy Grail）是控制厚度，”他说，但他指出，成本决定了这样做的策略。

大型加工中心

位于洛克希德公司庞大的沃斯堡工厂中心，是该战略的关键组成部分：F-35的机加工和钻孔作业。在Dörries Scharmann Technologie GmbH（DST）（德国门兴格拉德巴赫DST）建造的最大的加工中心中，位于其中心的10米乘30米（33英尺乘99英尺）的加工中心对F-35的一些前机身蒙皮、机翼蒙皮和其他复合材料部件进行加工和钻孔。基纳德承认：“在这个项目中，修剪和机械加工对我们来说是一件大事。”。DST系统自动化了历史上手动执行的大多数工作。同样，制造技术集团的工程师在将这些系统上线和开发可靠的加工工艺方面发挥了重要作用。

DST系统使用带自动换刀装置的柔性高架龙门架（FOG-flexible overhead gantry）来处理修边、钻孔和压缩路线。这里所做的大部分加工都是在机身前部蒙皮上进行的。（机翼蒙皮加工已移交给ATK，ATK与华盛顿州塞德罗·伍利的Janicki Industries签订了加工合同。）

机身前部蒙皮的加工大约需要八个小时，主要是因为每个蒙皮部分都需要几个设置。该机器在结构的两侧工作，一个头加工内模线（IML，以控制厚度），另一个头钻孔并修剪零件边缘（EOP-edge of part）。机翼蒙皮由洛克希德公司加工时，通常需要较少的时间来加工，因为没有IML加工来控制厚度——机翼零件使用CLC工艺来满足厚度参数。

DST加工中心的大部分工作由AMAMCO Tool（南卡罗来纳州邓肯市；见左侧边栏）提供的金刚石涂层硬质合金工具处理。

AMAMCO专门为该应用程序设计了DST加工路线。

加工完成后，所有复合材料结构都从DST机器中推出，进入相邻房间，该房间内装有卡尔蔡司微成像股份有限公司（明尼苏达州枫树格罗夫）计量系统，“据我们所知，这是世界上最大的高公差测量系统，”基纳德说。正是在这里，对蒙皮的尺寸、边缘和孔进行了准确性检查。MMZ-B Plus龙门坐标测量机自2008年6月开始运行，其扩展测量范围为5米×16米×2.5米（16英尺×52英尺×8英尺），可容纳F-35的机翼蒙皮，以及空气动力学工具、风洞模型、1:1模块和其他机身元件。

洛克希德·马丁公司还使用其内部开发的无损激光超声检测系统（激光UT）检查其复合材料结构的空隙和其他内部缺陷。该系统的400MHz激光指向复合结构；从激光返回到传感器的信号揭示了皮肤中的空隙、裂纹、分层和其他缺陷。Kinard说，它的运行速度为6英尺2/分钟（0.56平方米/分钟），比传统的喷射器检查系统快10倍，是F-35制造过程中不可或缺的一部分。洛克希德·马丁公司为该系统申请了专利，但将该技术授权给了PaR Systems股份有限公司（明尼苏达州Shoreview）。

钻孔，钻孔，钻孔

一旦复合材料蒙皮成型、修剪和检查，它们就可以连接到组成的机身结构上了。这是通过在预定位置钻穿蒙皮并进入框架的紧固件来实现的。对重量敏感的F-35的钻孔管理和优化已成为一项重大工作，SDD流程的一部分涉及对钻头、钻具几何形状、工具效率、工具寿命、钻孔时间、每个钻孔的成本和其他变量的评估。

F-35在钻孔方面已经有了一个良好的开端：洛克希德·马丁航空公司的制造工程高级职员、沃斯堡工厂的常驻钻井孔大师之一Glenn Born表示，F-35的整个飞行器的切割工具图纸不到50张。相比之下，F-16有9000。这种减少主要归因于F-22和F-35计划中集成的标准化工作，以解决常见的孔尺寸、紧固件减少和处理复合材料/金属结构的常见装配方法。这也有助于复合材料钻孔技术的快速发展。

F-35上有三种类型的钻孔正在评估中：手动、动力进给和自动（数控），尽管洛克希德公司的大多数钻孔都是自动化的。在大多数情况下，F-35的钻孔方法是“堆叠”的，这意味着将复合材料蒙皮放置在下部结构上，并使用一个一次性钻孔、扩孔和锪窝的单一钻具同时在蒙皮和下部结构上钻孔。F-35上最令人印象深刻的钻孔操作之一涉及前机身，机身两侧各有750个孔，由自动龙门式机头钻入。（见图，右起第三张）。

Born说，底层结构为蒙皮提供了支撑，因此有助于防止分层。这种方法的缺点是产生一个孔所需的时间——大约30秒，这取决于蒙皮的厚度。Born承认：“如果我们分别对蒙皮和下部结构进行钻孔，这可能会加快装配过程，但公差需要堆叠钻孔。当零件在其他地方制造，然后在洛克希德·马丁公司进行匹配时，这尤其具有挑战性——在最大材料条件下，螺栓到孔的间隙会减少，干扰的机会太多了。”

机翼蒙皮由辛辛那提Milicron自动化龙门系统进行堆叠钻孔。随后，F-35团队使用Virtek Vision International Inc.（加拿大安大略省滑铁卢）激光投影系统，在紧固件安装期间将紧固件零件号投影到翼蒙皮表面上，以消除参考复杂图纸的需要。在无法进行自动钻孔的情况下，手动钻孔需要在皮肤上安装一个模板，显示钻孔位置。Kinard报告称，投影系统的使用在减少劳动力和任务跨度方面具有巨大潜力。

跟踪刀具更换阈值

考虑到使用叠层钻孔的决定，洛克希德公司专注于开发测量钻孔质量和工具寿命的参数，主要是评估工具磨损和随后降低的钻孔速度的成本与新的更快工具的成本。沃斯堡工厂使用的大多数钻机电机采用空气和液压。然而，刀具的锋利程度决定了钻孔速度。随着切削工具变钝，这个过程需要更长的时间。Born说：“我们的供电系统最终会测量钻孔的时间长度。当达到阈值时，指示灯会通知操作员更换工具。”。他说，最终，洛克希德公司正在寻找良好的直径公差和特殊的工艺控制，使不合格的孔几乎不存在。F-35孔质量的Cpk（工艺能力的统计测量）目标为1.3；Born表示，目前Cpk大约为1.0，并且正在改善。“我们的第一篇文章的质量比一些成熟的程序要好，”他认为。

正在评估所有这些修整和机加工系统以及钻孔工艺的效率、成本、速度和其他变量，以确定整个F-35复合材料生产过程的最佳实践。洛克希德·马丁公司在沃斯堡工厂建立了一个钻孔/机械加工卓越中心，以继续开发切削工具和技术。如果F-35的寿命是真的，那么洛克希德·马丁公司及其所有供应商似乎也有几十年的复合材料优化和管理工作要做。

验证工具几何结构和材料

当洛克希德·马丁公司第一次开始在其DST加工中心（德国门兴格拉德巴赫的Dörries Scharmann Technologie GmbH）评估F-35生产的刨床和钻具时，它使用了一种带有红烧金刚石镶块的聚晶金刚石（PCD-polycrystalline diamond）刨床机。它的特点是直槽，在复合材料结构上产生了太多的分层，迫使返工并增加了加工成本。此外，这些工具缺乏这种苛刻应用所需的耐用性——一个0.375英寸/9.5毫米厚的机翼蒙皮部分通常需要24个工具才能布线（当时F-35有一个大的、连续的顶部蒙皮来覆盖两翼；目前的设计有三个顶部蒙皮）。

洛克希德公司向美国国家国防制造与加工中心（NCDMM，Latrobe，Pa）寻求帮助，这是一个由合作公司组成的研发联盟，与国防承包商合作优化制造方法。洛克希德公司最终采用了NCDMM成员AMAMCO Tool（南卡罗来纳州邓肯市）提供的金刚石涂层压缩刨床，并在DST加工中心测试了该工具。

AMAMCO的业务开发经理Andrew Gilpin表示，金刚石涂层复合材料工具的测试结果很有希望：加工整个机翼蒙皮所需的工具数量从24个减少到2个，单个工具在复合材料中的加工路径从9线性英尺增加到57线性英尺（2.7到17.4米），它使用两个相对的凹槽（见上图）将复合材料层夹在一起，而不是将它们全部拉向一个方向：“就像剪刀，而不是铲子，”他说。“它提供了一种很好的、干净的剪切效果。”

AMAMCO开发了几何形状并制造了工具。金刚石涂层厚度为12µ，由diamond Tool coating LLC（纽约州北托纳旺达）提供。洛克希德·马丁公司对AMAMCO工具非常满意，因此批准了其生产，并使其具有F-35上使用免检入库的状态。

洛克希德公司目前正在F-35的其他钻孔应用中使用其他AMAMCO金刚石涂层工具。Gilpin说，在一个应用中，AMAMCO金刚石涂层工具的使用寿命为1200个孔（底部照片），而竞争对手PCD工具的275个孔寿命是AMAMCO钻石涂层工具的三分之一。尽管洛克希德公司报告称，金刚石涂层刀具的转速约为8500转/分，而PCD刀具的转速为5000转/分。但Gilpin表示，总体而言，金刚石涂层工具的转速比PCD刀具慢，但进给速度更快。洛克希德公司正在评估一系列AMAMCO工具，直径从0.125英寸到0.4英寸（3.2毫米到10.1毫米）不等。

洛克希德·马丁公司为F-35精确加工复合材料蒙皮部分，这也是该飞机为美国纳税人省钱的部分原因。这种机加工使飞机引人注目，导致其他国家承担了部分成本。以下是联合攻击战斗机的高价值、高度工程化加工工艺。

紧密贴合的蒙皮部分提供了F-35的非常低的可观察性(VLO-very low observability)。

为修切复合材料蒙皮而开发的挤压铣刀-compression router通过在机加工过程中将材料层推到一起来抑制分层。

洛克希德·马丁公司的里克·丹尼讨论了挤压铣刀工具。

蒙皮零件分两个阶段进行机加工。内模线（此处）加工完成后，零件将翻转到镜像夹具上，用于修切和外模线操作。

为了进行检查，托盘从FOG- flexible overhead gantry机器移到此处所示的大型CMM。

PINC-pressure induced normal-vectored countersink工具是应用于该过程的更重要的成本节约创新之一开发出一种精确、自动的埋头窝放置方法，消除了过去进行埋头窝控制的大量手动操作。

洛克希德·马丁公司的杰米·史密斯是参与开发PINC工具的工程师之一。

FOG机器使用在平衡机中测量的液压刀架

精密公差FOG机器对F-35复合材料蒙皮截面进行精密铣削和钻孔。

美国武装部队的不同部门历来坚持使用不同的飞机。空军、海军陆战队、海军—他们有不同的任务，面临不同的需求。一架一刀切的战斗机显然生产和维护成本较低，但人们一直认为，为了给每个服务部门提供最适合其角色的设备，成本效率相当低是有道理的。其结果是军用飞机成倍增加，不同型号的飞机可以重复使用。

乔尔·马龙（Joel Malone）说，在国际力量加强合作的时代，乘法运算变得更加复杂。马龙是国防航空公司洛克希德·马丁公司F-35项目的高级经理。他说，在20世纪90年代的波斯尼亚冲突中，他看到了这种多样性的影响。一个联盟机场展示了来自美国和其他国家的不同飞机的全景。各种飞机需要不同的供应链和不同的维护程序，以便在战场上为它们提供支持。

现在，与飞机开发和设计相关的技术进步使设计一个能够适应多种需求的单一飞机平台成为可能。同一架飞机，在不同的型号配置中，可以为海军陆战队提供短距离起飞和垂直降落的能力，海军航母降落所需的弹性，或者空军所珍视的速度和机动性。

洛克希德·马丁公司生产的F-35闪电II（也称为联合攻击战斗机）是一种多用途飞机。

事实上，这种飞机的可能变体也使其有可能为美国的各种军事盟友量身定制。

然而，马龙说，仅凭经济因素不足以让美国及其盟国支持一个共同的飞机项目。由于设计受制于另一项服务的需求，所以不要将飞机和其他服务放在同一架飞机上，这一警告太过强烈。必须要有一根胡萝卜--一种使这架飞机与众不同的诱惑。在F-35上，胡萝卜是“VLO-very low observability”，或者说“非常低的可观察性”。通过雷达和其他传感手段，这架飞机很难被探测到。

但胡萝卜实际上比这更好。F-35具有“可支持的-supportable”VLO。也就是说，这架飞机上的VLO的维护成本非常低。

过去的隐形飞机不能做出这样的声明。由于雷达可以检测到尖锐的边缘，即使是过去VLO飞机外部部件之间的微小失配也可以使用环氧树脂进行平滑处理。环氧树脂会在现场干燥、硬化和分离，这意味着必须经常检查和更换。

相比之下，F-35的相邻部件匹配得如此流畅和精确，以至于不需要环氧树脂。以前的隐形飞机的问题已经消失了。

这一好处，加上多用途的经济性，有助于赢得许多军事部门的联合支持。它们不仅包括美国的军事部门，还包括其他八个伙伴国家的军事部门。每个分支机构的影响力与其贡献成正比，因此非美国国家已承诺为飞机的开发投入40多亿美元。这是美国纳税人不必花的钱。

而回报几乎直接归功于数控加工。同样，根据马龙先生的说法，可支持的VLO是外国支持的一个重要原因。允许支持VLO的是部件之间的紧密匹配。

为什么允许势均力敌的比赛？我在最近参观洛克希德·马丁公司位于德克萨斯州沃斯堡的制造园区时看到了答案。

答案当然是数控加工。复合材料蒙皮经过研磨和钻孔，公差非常接近，飞机的组装表面避免了雷达所能看到的失配。

简言之，这家公司的数控加工集团所获得的精度帮助实现了一种如此有效、能力如此强大的飞机，以至于其他国家都想帮助我们支付费用。

竞争的FOG

一台精密的五轴铣床提供了这种复合材料蒙皮的精确铣削和钻孔。国防供应商喜欢缩写词；洛克希德·马丁公司称这种机器为“FOG-flexible overhead gantry”，意思是柔性高架龙门架。

事实上，FOG上使用的一个更有趣的项目是一个缩写为PINC-pressure induced normal-vectored countersink的设备。也许不可避免地，PINC被染成了粉红色。（有关此设备的详细信息，请参阅下文。）

FOG由机床制造商DS Technology提供，该公司的美国总部位于俄亥俄州辛辛那提。这台五轴铣床的X轴托盘长度为15米。提供位置精度的玻璃秤和用于体积补偿的专有DS技术系统有助于在整个机器的大工作范围内保持严格的精度。F-35全球生产技术运营副总裁唐·基纳德(Don Kinard)博士表示，他认为这台机器是“就其尺寸而言，世界上最准确的机床”。

这里加工由碳纤维增强塑料（CFRP）制成的复杂轮廓零件，在加工过程中固定零件的同样复杂的铝制真空夹具也是如此。大约有56个复合材料零件号在机器中进行铣削、修剪和钻孔，但随着零件号的整合以实现全面生产，这一数字可能会下降。对于典型的CFRP零件编号，该过程包括在零件固定在一个真空夹具上时加工复合材料零件的IML（内模线或内表面），然后在零件翻转到相邻的镜像真空夹具上后加工OML（外模线）的剩余特征。

在我自己的访问中，洛克希德·马丁公司不愿透露的最重要的细节是F-35机加工过程能够保持的精确公差。相反，我了解了这个过程的要素。

因此，以下是实现这些未指定公差的一些原因：

01、挤压铣刀-compression router

分层是复合材料零件加工精度的最严重障碍。修切边缘时尤其如此。材料是分层的，机械加工的力会导致层分离。

里克·丹尼（Rick Denny）是联合攻击战斗机加工系统的技术负责人。他说，以前用于修切复合材料的切割工具——一种具有PCD边缘的工具——只能使用21英尺。仅仅在这个距离之后，工具磨损引起的力的变化将导致分层开始。

他说，解决方案是使用硬质合金工具。具体而言，该解决方案是由刀具供应商AMAMCO（美国制造和营销公司）与美国国防制造和加工中心合作开发的“压缩路由器”。该工具的特殊几何形状（见图）以一种在切割零件时将零件层压缩在一起的方式引导切割力。他说，这种工具的价格是以前工具的三分之一，但在磨损成为问题之前，它通常可以使用100英尺。

02、铣削厚度

CFRP零件是使用自动铺丝过程精确制造的，但即使这样也不能足够精确地控制厚度。厚度必须通过数控铣削进一步控制。PCD球头立铣刀在一组平行的小台阶刀具路径中加工零件（IML）的内表面。

铣削操作大约需要6个小时。基纳德博士认为这是这个过程中可能会变得更高效的许多方面之一。加工小组正在研究是否可以在五轴路径中使用平底铣刀来获得必要的精度，该工具每次通过都可以去除更宽的材料带。

03、混凝土补偿

潜在变化的一个原因是车间地板的沉降。为了保持稳定性，机器位于30英尺深的地基上。然而，即使是这种基础也会随着时间的推移而发生微妙的变化。为了确保任何沉降都不会影响机器的精度，FOG机器具有陶瓷测量球体，这些球体位于机器XY行程的四个角的保护壳中。机器每天对这些球体进行探测，以监测地基运动。

04、CMM检查

对于如此大的工件和夹具，机上检查似乎是最实用的验证手段。也就是说，只需将零件留在原位，然后在机器上进行测量。基纳德博士指出了这种方法的问题：与FOG机器的成本和价值相比，即使是大型CMM也会是低成本的。

因此，FOG更有效的用途是使其免于检查，即使这意味着移动零件。通过一个巨大的三托盘交付系统，每个零件都可以从蔡司（Zeiss）运送到一个房间大小的CMM。为了确保将零件固定在夹具上的真空在转移过程中不会被破坏，一系列独立的真空罐在每个托盘上移动。

05、特种作业人员

了解这种精细精密工艺的各个方面需要进行特殊培训，这导致沃斯堡工厂对机械加工技术人员进行了新的分类。在FOG上工作的某些操作员被归类为“STEM”，用于配备特殊技术的机器。

06、刀架注意事项

当然，刀架也是影响加工精度的重要因素。任何一家达到精密加工中心精度的商店都可以欣赏这一点。刀具夹具的同心度、夹紧性或稳定性不足可能会破坏其余过程。

FOG使用液压支架，每个工具和工具支架组件使用Haimer的工具平衡测量机进行平衡。对于长距离的工具夹持（考虑到轮廓更大的零件的可访问性挑战，这是一种常见的要求），该过程在液压工具中使用Tribos扩展。“Tribos”是Schunk的一种系统，它使用刀柄金属的弹性变形作为热激活收缩配合的替代方案。

07、埋头孔控制

加工埋头孔曾经是该工艺中成本较高的挑战之一。由于即使是埋头孔也需要F-35蒙皮零件的精度，技术人员过去常常使用手动埋头孔规测量孔，并手动更新机器偏移量。该过程耗时且容易出错。现在，使用洛克希德·马丁公司内部开发的设备，手工工作已经被取消。该设备是PINC，用于压力引起的法向矢量加工埋头窝。

技术研究员里克·卢普克（Rick Luepke）和应用工程师杰米·史密斯（Jamie Smith）（如图）领导了该工具的开发。该工具安装在FOG的主轴上，包含切削工具（组合钻头/埋头工具），并具有一个可精确调节的鼻状件，该鼻状件在切割之前与零件表面接触。通过包括鼻形件和整体线性补偿在内的纯机械方式，该设备可以使机器偏离零件表面，从而可以准确自动地放置埋头孔。因为它不需要对机器进行电子反馈，所以可以在现有机器上使用，而无需改造。

史密斯女士说，这种设备可以在市场上买到。洛克希德·马丁公司授权密歇根州特洛伊市的杰伊·恩恩公司出售。洛克希德·马丁公司自己的PINC版本本身是部分粉红色的（见图），但许可协议没有规定颜色。

08、第二台机器

不过，说真的：基纳德博士说，PINC对F-35机加工成本的影响已经很明显了。该设备展示了看似狭窄的制造改进可以达到的程度。自动锪窝加工已经转化为更大的机器可用性，因为机器不再等待手动孔测量，也不再因锪窝放置错误而浪费时间。由于这些节省，每个零件的生产成本更低，沃斯堡工厂可以用更少的FOG机器来满足其需求。

他说，又有一只狐狸来了。下一个30英尺深的地基的坑已经挖好了。在锪窝系统的其他省时、省电的创新的最终帮助下，该公司希望仅这两台机器就足以满足F-35全面生产的所有复合材料龙门加工需求。

你能解决这个钻孔挑战吗？

洛克希德·马丁公司装配区的这一部分（如左图所示）说明了飞机某些部件通常需要的孔的数量。

如何降低精密加工的成本？这个问题—以这样或那样的形式—占据了洛克希德·马丁公司众多工程师的大部分注意力。如果F-35蒙皮部件中使用的相同类型的精密五轴铣削能够在整个飞机上经济高效地应用，结果将是组装成本低得多的高性能飞机。该公司期待着机床技术发展到今天的那一天。

与此同时，洛克希德·马丁公司负责F-35全球生产的技术运营副总裁唐·基纳德博士描述了一种不同的制造解决方案，如果能找到的话，这种解决方案可能会产生类似的全面影响。他说，在组装过程中，零件要经过大量的钻孔。这张照片显示了仅一个组件中可能涉及的孔数。有些工作是在数控钻床上完成的，有些是用工程手动工具完成的。在任何一种情况下，都必须检查许多或大部分钻孔。

但是，如果有一种方法可以一次钻孔并检查一遍呢？

唐·基纳德博士说，具体来说，孔径和埋头窝深度是否都可以被确认为产生这些特征的同一道工序的一部分？

他不知道这样的系统是如何工作的。也许是通过使用电场进行感应？无论是什么机制，找到解决这一挑战的方法都将降低在每个都有数千个关键孔的飞机上钻孔的成本。

原文见：

1.《From the CW archives: Drilling is not for the faint of heart 》2024.2.21

2.《Optimizing, customizing composites hole drilling》2024.2.21 (初发布日期：2012.4.9 )

3.《Skinning the F-35 fighter》 2009.10.19

4.《Composites Machining for the F-35》2010.8.3

如何选择非金属五轴加工中心

过去五轴加工中心多为德国、美国、意大利制造，令人欣喜的是近几年在“中国数控机床展览会”上，展出了很多国内生产的五轴加工中心。随着我们的生活水平的不断提高，高端产品的研发与生产都离不开五轴加工中心，五轴加工中心的使用也越来越多。比如：汽车生产制造、汽车模型制作、卫浴产品加工、高档家具生产制造等。非金属五轴加工中心已成为现代制造业的“主力军”，它以其加工精度高、效率高、精度稳定等特点，在工厂、研究所及学校等部门得到了越来越广泛的普及，而非金属五轴加工中心可以满足形状更复杂、工序更多的产品的加工。

下面为您详细介绍下关于非金属五轴加工中心如何选择设备：

非金属五轴加工中心即为加工中心三根主运动轴(X、Y、Z)和两根旋转轴(一般为A、C或B、C)一起运动的一种加工形式，通常用来加工叶轮、机翼、模具等带有复杂曲面的零件。因其装夹一次便可加工出零件绝大部分甚至全部工序，所以避免了三轴、四轴加工中心在多次装夹中产生的定位误差，因此加工出来的零件精度更高，所用辅助时间更少。非金属五轴加工中心加工零件时，首先应编制零件的加工程序，这是数控机床的工作指令。将加工程序输入到数控装置，再由数控装置控制机床主运动的变速、起停、进给的方向、速度和位移量，以及其它如刀具选择更换、工件的夹紧松开、冷却润滑的开关等动作，使刀具与工件及其它辅助装置严格地按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数进行动作，从而加工出符合要求的零件。

结构选择：

五轴加工中心根据结构的不同分为龙门五轴加工中心及定梁定柱床身移动五轴加工中心。随着信息技术和计算机数字化技术不断发展，数控机床的性能和效率也不断在提高。目前档次较高的数控系统已经具备高效、高精度，适应于复杂曲面的加工，但对机床整体就要求刚性好、精度高、稳定性佳、数控系统反响速度快等功能。

龙门五轴加工中心：它的工作台承载能力大，而且不受上下工件的冲击和其他因素影响而干涉机床的变形，最大的优点是工件夹装方便，可以充分发挥工作台的实际有效长度来加工工件，因此可以加工更大尺寸的物品，如游艇底面、风车叶轮、汽车模具等

床身移动式五轴加工中心：它的工作台移动均匀、低速运行时不易出现爬行现象、有较好的定位精度、牵引力小、精度保持性好、寿命较长、维修性强，但抗震和抗冲击能力较差。因此床身移动式五轴加工中心更适合工艺品、模具等精细产品的制作。

主轴：五轴加工中心主轴按旋转轴分为单摆头和双摆头；

双摆头五轴：双摆头五轴两个旋转轴均属摆头类，B轴旋转平面为ZX平面，C轴旋转平面为XY平面。两个旋转轴结合为一个整体构成双摆头结构。

特点：加工过程中工作台不旋转或摆动，工件固定在工作台上，加工过程中静止不动。适合加工体积大、重量重的工件；但因主轴在加工过程中摆动，所以刚性较差，加工切削量较小。

单摆头五轴：特点：加工过程中主轴只在一个旋转平面内摆动。

台面：五轴加工中心大多可设计成单台面或双工作台，双工作台即当一个工作台在加工时，另一工作台则在加工区外更换工件，为下一个工件的加工做准备，工作台交换的时间视工作台大小，从几秒到几十秒即可完成。

合适的CAM软件：

采用合适的CAM软件进行编程的五轴加工技术可以为用户提供更现实有效的策略来减少循环次数、减少加工步骤、提高表面质量和加工质量并延长刀具寿命，这些对传统的三轴加工来说是不可能的。

现在，越来越多的机床和控制器都可以适应五轴铣削加工的要求，然而在CAM软件方面，真正意义上的五轴联动加工却没有得到足够的普及，有些用户采取的仍是定位五轴加工（3+2）的方式，其中需要进行繁杂的优化。

定位五轴加工（3+2的方式）：

定位五轴加工通过一套“三轴”系统来完成，第四和第五轴的加工定位在旋转位置。其主要优势有：可有效利用较短的刀具、刀具伸出较少、切削较快、刀具寿命延长、加工精度和表面精度提高，而这些只需创建一系列定位工作平面即可完成。另外，定位五轴加工所需加工步骤也较少，故节约了时间、降低了机床加工出错率、提高了机床利用率。

五轴联动加工：

当模具型腔较深且有很窄的部位需要加工时，如果仍采用定位五轴加工的三轴刀具路径，相互干涉通常是难以避免的，与此同时，另外的某些区域可能又无法完全覆盖到。这时，五轴联动加工必然是一个更好的选择。

当然，市场上不乏一些先进的CAM系统，这些系统能够提供专业可靠的、真正意义上的五轴联动加工方案，比如星辉公司进口英国莱康的ALPHACAM软件、DELCAM公司的PowerMILL软件、德国OPENMIND公司的HyperMILL软件等，它们可使用户在复杂曲面、实体和三维模型上创建连续五轴刀具路径，并且刀具路径都经过自动检查和优化，支持各种各样的加工策略和所有刀具类型。

五轴联动加工的优势在于能使刀具进给方向与工件表面连续保持合适的角度，以得到更好的表面质量，还能更好地接近倒角，同时也提高了刀具寿命。刀具利用更经济、循环时间降低、一次性装夹，这些都同样节约了时间、减少了机床加工的出错率。

探究航空领域复合材料的机械加工技术

概括：

近几年来，随着我国航空航天事业的发展进程，我国在航空航天领域复合材料的研究上面也取得了实质性，突破性的进展。据调查发现，近几年来，复合材料在航空领域上面已经获得大量应用，并且取得了一定的成果，并且帮助飞机成功减轻自身自重，取得这一成果，复合材料在其中是功不可没的，本文将从复合材料的特点、分类，以及针对于不同复合材料的加工方法对于复合材料的机械加工技术进行分析。

随着现代航空科技的飞速发展，飞机变得越来越轻、越来越快，在航空事业上面取得这样大的成就，不仅仅是因为航空发动机技术发展的大力推进，同时复合材料的飞速发展也是其中的一大助力。目前，复合材料在当前的航空领域的事业之中应用广泛，这便使复合材料的机械加工技术得到了快速发展。

一、航空领域复合材料的发展前景

复合材料与金属、高聚物、陶瓷并称为四大材料。一个国家的复合材料工业水平，是衡量该国家和地区科技与经济实力的重要标志之一。自新中国成立以来，我国航空航天事业飞速发展，对航空航天材料提出更多新要求。为更好地满足现有航天航空材料发展要求，要进一步加快研发新性能、高质量的复合型材料，使我国航空航天复合材料的研发在世界竞争中占有一席之地。先进复合材料具有高性能、多功能和智能化的特点。由于其可塑性强，质量轻，现已被大量运用到航空航天、医学、机械、建筑等行业。在未来的航空领域市场当中，复合材料将会以其独有的优势占领大面积的市场。

二、复合材料的特点分析

复合材料是人们运用先进的材料制造技术，将不同性质的材料组分优化组合之后而形成的一种新型材料。一般情况下需要满足以下几个条件才可以成为复合材料。第一，复合材料必须是人造的，是人们根据生产需要的不同，而设计制造出来的材料。第二，复合材料必须拥有两种以上的化学、物理性质不同的材料组分，同时以设计的形式，将形式、比例、分布等进行整合，从而形成一种新型材料，兵器各组分只见还有着明显的界面存在。第四，复合材料不仅能够保持各组分材料性能的优点，而且通过各组分性能之间的互补和关联能够达到单一组成材料所不能达到的综合性能[1]。

复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属。

三、航空领域复合材料机械技术研究

复合材料的机械加工是复合材料制造品生产工艺的一个重要环节。通过加工方法的不同，通常将其分为常规方法和非常规两种方法。常规方法简答容易，方便加工，但是其加工的质量不高，并且容易损坏加工件，同时道具的磨损也比较快，而且能以加工太过复杂的零件。非常规的方法虽然有些复杂，但是其加工质量高，刀具的磨损度小，并且能够加工复杂形状的工件。下面本文将对两种方法分别进行介绍。

1、复合材料常规机械加工方法

（1）锯切

在对复合材料进行加工的时候，对于玻璃纤维增强热固性基体层压板，便需要采用手锯或者是圆锯对其进行切割。同时，碳纤维增强复合材料便需要采用金刚，砂刀等工具对其进行切割，而同时，切割工艺的参数与碳纤维增强复合材料的厚度有着极大的关系。热塑性树脂材料便需要采用带锯或者圆锯对其进行切割，金属复合材料可用镶有金刚石的线锯进行切割，不过，其切割速度较慢，并且只能对其进行直线锯切。石墨，环氧等复合材料便需要使用镶有硬质合金的道具进行切割。在采用金刚石砂轮对陶瓷复合材料进行常规切割是有两种速度，一种是250r/min，另外一种是4000r/min[2]。

（2）钻孔和仿型铣

复合材料机械加工是，在复合材料上面进行钻孔或者是做仿型铣的时候，大多数的热固性复合材料在钻孔和仿型铣的时候会产生收缩，所以，在对其进行加工的时候，要同时考虑一定的余量，也就是说，钻头或者仿型铣的尺寸一般需要略大于孔径和尺寸，在钻孔的过程当中，最好垫上垫板，这样能够在很大的程度上避免边缘分层和外层撕裂。与此同时，在进行钻孔的过程当中，必须保持钻头的锋利。

在对碳纤维复合材料进行加工的时候，由于碳纤维材料的性质与金属不同，所以在对于碳纤维复合材料进行加工的时候，便不能够与加工金属材料同样的方法，在对于碳纤维材料进行加工的时候，要防止在出口短出现纤维分层的现象，在结构开敞的条件下，空的出口面需要使用硬度和密度都比较高的度板支撑并垫实，这样能够有效的防止孔出口出现分层和劈裂的现象。

（3）车削和磨削

聚合物复合材料常用在普通车床或者台式车床上面就能够进行车削、挫削和切割。在目前，其使用的刀具一般采用高速钢、碳化钨、和金刚石刀头。同时，采用砂磨或者磨削都可以加工出高精度的聚合物复合材料零件。在进行加工的过程当中，最为常用的便是30～240的傻大或者鼓式砂轮机，热塑性聚合物复合材料一般采用常规机械打磨，在打磨的过程当中，需要同步添加冷却剂，从而有效的防止磨料阻塞。在对热塑性聚合物复合材料进行磨削的时候一般有两种机械可用，一种便是湿法砂带磨床，另外一种便是干法或者湿法研磨盘。在使用碳化硅或者氧化铝砂轮磨削的时候，不允许使用流动冷却剂，以防止工件变软[3]。在通常状况下，复合材料层合板采用一般工艺就能够在标准的机床上面进行车削，同时其可以采用的工具也比较多，黄铜铣，高速钢铣刀，碳化钨铣刀和金刚石铣刀均可应用。同时，铣刀的后脚必须磨成7～12°，铣刀要非常锋利，同时，高速铣刀的铣削速度建议采用180～300m/min，进刀量采用0.05～0.13mm/r。

2、复合材料特种加工方法

复合材料的特种加工方法主要包括激光束加工、高压水切割、电火花加工、超声波加工、电子束加工和电化学加工等，各种加工方法的优缺点和应用范围见表1所示。

四、直升机复合材料的要求

铝基复合材料的性能：铝基复合材料是应现代科学发展需求而涌现出的具有强大生命力的材料，它由两种或两种以上性质不同的材料通过各种工艺手段复合而成。铝基复合材料拥有低密度、良好的尺寸稳定性、耐磨性、韧性、热能性等方面优点，在航空领域尤其是直升机的制造过程当中被普遍应用。

铝基复合材料的加工方法：铝基复合材料需要在压力400～600Mpa的压力条件下进行压制，之后还要采用CO2激光加工机发射高能激光束，引發压坯自蔓延烧结，生成原位铁铝基复合材料，激光点燃时间为15～25s，自蔓延烧结的反应速度为3～5mm/s。

结论：

总而言之，在复合材料的机械加工方面，针对于每种材料都有其不同的加工方法，并且在加工的时候也会有比较特殊的要求，这就需要在实际的应用当中根据具体情况进行具体的分析，并且能够针对不同的复合材料，选取相应的加工方法。并且，在实际应用的过程当中要不断的做出总结、分析和改善，不断的完善我国在复合材料方面的机械加工方法。

参考：

[1] 祁萌， 李晓红， 高彬彬. 国外航空领域机器人技术发展现状与趋势分析[J]. 航空制造技术， 2018， 61（12）：97-101.

[2] 刘伟， 田治坤， 楚天舒，等. 复合材料在航空航天领域中的应用探究[J]. 科技风， 2017（7）：6-6.

[3] 王华. 飞机先进复合材料结构装配协调技术研究现状与发展趋势[J]. 航空制造技术， 2018， 61（7）：26-33.

加工复合材料时应注意的四大问题

加工中心是自动化加工很强的的高精度加工设备，它的整个加工过程都是在CNC数控系统的控制下完成的，可以加工一些非常独特的复合材料，但是加工中心在加工复合材料时应该注意哪些问题呢？

复合材料按按其结构特点分为：

1、纤维复合材料。将各种纤维增强体置于基体材料内复合而成。如纤维增强塑料、纤维增强金属等。

2、夹层复合材料。由性质不同的表面材料和芯材组合而成。通常面材强度高、薄；芯材质轻、强度低，但具有一定刚度和厚度。分为实心夹层和蜂窝夹层两种。

3、细粒复合材料。将硬质细粒均匀分布于基体中，如弥散强化合金、金属陶瓷等。

4、混杂复合材料。由两种或两种以上增强相材料混杂于一种基体相材料中构成。与普通单增强相复合材料比，其冲击强度、疲劳强度和断裂韧性显著提高，并具有特殊的热膨胀性能。分为层内混杂、层间混杂、夹芯混杂、层内／层间混杂和超混杂复合材料。

加工中心加工复合材料时应该注意:

1、碳纤维复合材料层间强度低，易在切削力的作用下产生分层，因此钻孔或切边应减小轴向力。钻孔要求高转速、小进给，加工中心转速一般在3000~6000r/min，进给量达到0.01~0.04mm/r，钻头选用三尖两刃或两尖两刃形式较好，锋利的刀尖可先将碳纤维层划断，两刃对孔壁起到了修补作用，镶金刚石的钻头锋利与耐磨性俱佳。复合材料与钛合金夹层的钻孔是个难题，一般采用整体硬质合金钻头，按钻削钛合金的切削参数进行钻削，从钛合金侧先钻，直至钻通，钻削时加润滑剂，缓解复合材料烧伤。波音公司专门研制了PCD组合钻头用于夹层的钻孔。

2、三类新型整体硬质合金复合材料加工专用铣刀的切削效果更好，它们都有一些共同特点：刚性高，螺旋角小，甚至是0°，专门设计的人字形刀刃，都可以有效减小加工中心轴向切削力，减少分层，其加工效率与效果都很好。

3、复合材料切屑为粉状，对人体健康危害大，应采用大功率吸尘器吸尘，采用水冷也可有效降低粉尘污染。

4、碳纤维复合材料构件一般尺寸较大，形状结构复杂，硬度和强度都很高，属于难加工材料。切削过程中切削力较大，切削热不易传出，严重时会烧焦树脂或使树脂软化，刀具磨损严重，因此刀具是碳纤维加工的关键，其切削机理更接近于磨削而非铣削，所以，加工中心切削线速度通常要大于500m/min，采用高转速小进给策略。切边加工刀具一般选用整体硬质合金滚花铣刀、电镀金刚石颗粒砂轮、镶金刚石铣刀、铜基金刚石颗粒锯片。

来源：刀具界、复材殿堂、金属加工、对钩网、钴领刀具、山高刀具、刀界、上工工具、复合材料前沿、碳纤维研习社、杨超凡、复材应用技术等等由复材先生搜集、编译、整理、汇总。

【复材殿堂和复材先生介绍及友情提示】：

复材殿堂和复材先生很多时候只是知识的搬运工、传播者。我们所发的文章、知识可能正是您所需，我们正好有；也可能正是您的朋友所需，他们还没有找到或看到，只有您的转发和再分享，才会使他们更容易看到或找到；把知识传递、分享给您的朋友，也是一种奉献和美德。