金剛石刀具促進復合材料鉆孔加工應用的發展
2014-5-30 來源：數控機床市場網 作者：肯納金屬公司
優化的刀具設計方案具有關鍵性的作用
碳纖維增強復合材料（CFRP）具有極高的強度重量比，并且在極端條件下具有穩定的材料屬性，因此在全球航天航空行業內有著廣泛的應用。這種材料可以單獨使用，也可以與鈦板和鋁板配合使用。舉例而言，波音 787 夢幻客機 80% 的制造材料為復合材料，相當于其重量的 50%，可以減少1,500 張鋁板和 50,000 個固定件的使用。與波音 767 相比，可以節省 20% 的燃油消耗。目前，類如膠粘和焊接之類的聯接技術還有很多問題；因此，鉚接固定技術在實際應用中依然占有主流地位。因為碳纖維材料和金屬材料的機械性能有極大的差別，在對緊固孔進行有效的鉆孔加工時，需要使用具有高耐磨性和優化槽型的切削刀具產品。
在加工航天航空行業內的零配件時，多晶金剛石（PCD）刀具要比傳統的碳化鎢硬質合金刀具有更高的加工效率。一些領先的刀具制造商正在開發并生產 PCD 釬焊鉆頭產品。這些刀具產品的切削刃采用 PCD 材料，鉆體部分為整體硬質合金材料。硬質合金鉆體有很好的剛性和尺寸精度，確保鉆孔的加工質量，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，這些特性對鉆孔加工是非常必要的。位于功能區的切削刃部分采用 PCD 材料，具有極好的耐磨性，提高加工效率。
優化的刀具設計具有關鍵性的作用，在加工先進的航天航空復合材料時可以確保極好的鉆孔質量。在刀具尺寸設計中，很多必要因素對鉆孔質量都起著重大的影響作用，例如，為了降低切削力而提高刀尖半徑的銳度，增大前角等。其它因素還包括，為了減小推進力，以及避免纖維材料的撕裂現象而減小鉆尖角度，為了改善毛口高度控制性能而優化刃口設計。機床刀具、主軸及整體刀具的剛性、刀柄、內冷或射流冷卻方式，以及鉆孔工件材料在刀具設計過程中也都是需要考慮的重要因素。在多數情況下，為了滿足客戶的不同需求，需要為客戶及時提供定制刀具產品。
刀具開發過程
為了開發一款高性能的 PCD 刀具產品，應當在考慮綜合因素的情況下進行深入的研究。這種開發過程不僅決定了刀具的性能，還對刀具的加工效率和成本起到了重要的影響作用。
在生產用于復合材料加工的合成金剛石鉆頭產品時，有 4 種主要技術可以應用：
- CVD（化學氣相淀積）金剛石涂層鉆頭
整體硬質合金鉆在最后一個工藝經過 CVD 金剛石涂層處理。這是一種成本效益很好的產品，但刃口銳度受到了涂層厚度的影響。此外，因為硬質合金基體部分和金剛石涂層部分的硬度不同，這款產品吸收沖擊能量的性能不佳。防崩刃性能也很有限。
- PCD 鑲刃鉆頭
圓錐型的 PCD 材料按照特點鉆尖槽型燒結至較小尺寸的硬質合金基體之上。然后，將這些半成品釬焊至整體硬質合金鉆體之上。為了處理硬質合金和 PCD 聯接面之間的高應力問題，這款 PCD 產品在 PCD 材質優化方面受到了限制。后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，還要增加內部冷卻孔。
- PCD 紋絡鉆頭
在整體硬質合金棒料之上預先加工的槽內填入 PCD 粉末原料，然后經過高溫高壓處理形成 PCD 排列結構。在經過高溫高壓過程之后，對棒料進行剪切后釬焊至鉆體之上，最后按照規定槽型進行磨削處理。這種 PCD 紋絡技術可以制造復雜槽型，以及具有高正前角外形的刀具產品；與 PCD 鑲刃刀具產品相比，只需較少的磨削處理。這種刀具受到尺寸限制，因為要對復雜 3D 槽型進行高溫高壓處理。此外，因通常需要使用高鈷成分的材料，因此也降低了 PCD 材料的硬度和耐磨性。
- PCD 釬焊鉆頭
最成熟的 PCD 鉆頭加工技術為 2D 技術（例如 PCD 扁鉆） 對于較小尺寸刀具，可以使用一種特殊的硬質合金和 PCD 夾層材料；對于較大尺寸刀具，可以使用純 PCD 鉆尖材料。這款產品在槽型方面有嚴重的缺陷，因為很難增加一個用于復合材料加工的前角。3D 釬焊需要多個所需材質的 PCD 刀座，并且微觀結構應按照設計切割為螺旋形狀。在整體硬質合金鉆頭上應磨削出一個對應的螺旋槽，以安裝 PCD 刀片。與 PCD 鑲刃產品相比，這款 3D 釬焊產品只在功能區采用 PCD 材料，大大增加了加工性能。這項 3D 釬焊技術被用于開發本文所述的 PCD 測試鉆頭。
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由不同 PCD 原材料制成相同刀具的時間評定的。重點關注各個制造步驟，包括 PCD 刀盤的腐蝕和 PCD 材料的磨削。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，等級就越高，制造時間就越短，成本也就越低；這與在開發一款具有競爭性的刀具產品時，刀具性能的重要性是一樣的。
PCD 釬焊
本文中介紹的刀具產品需要將 PCD 螺旋切片釬焊至碳化鎢刀體上，選用的釬焊技術應避免處于亞穩態的多晶金剛石石墨化，還需要將 PCD 與碳化鎢進行粘結處理。這需要采用高效的釬焊技術。高效的釬焊材料通常包括高熔點聚合物材料，如鈦材料。釬焊溫度因此很高，對金剛石相的穩定性有負面影響。為了避免石墨化，在釬焊過程中應避免氧化環境。最新的技術包括氬氣環境中的感應釬焊，以及真空釬焊。
優化的刀具槽型
在對復合材料/鈦材料層疊板進行鉆孔加工時，選擇優化的刀具槽型非常困難，因為這兩種材料在切削過程中表現出不同的特性。CFRP 材料的鉆孔加工通常需要大螺旋角和長切削刃，因為碳纖維應當沿著切削刃發生剪切作用。長切削刃通過小鉆尖角而實現。此外，CFRP 材料的鉆孔加工還應降低軸向力，以避免在退刀時發生加工材料層裂現象。這些特點可以形成非常鋒利的切削刃槽型，同時也減小楔塊角度。后角可以高達 20 度，螺旋角約為 30 度。鈦材料的切削原則上也可使用鋒利的切削刃，但與 CFRP 材料的鉆孔加工相比，需要一個更加穩定的楔塊角。鈦材料加工中的刀具后角通常在 8-14 度之間的范圍。與鋼材料加工相比，這些后角通常更大（在本文展示產品中約為 12 度），因為后刀面上的熱量應當盡可能降低，一減少刀側面磨耗的形成。大后角與典型的 30 度螺旋角結合應用時，會明顯降低切削刃的強度。螺旋角已減小至 15-20 度范圍，從而可對大后角做出平衡。本文展示的這項制造工藝可以根據所需刀具槽型，選擇不同的螺旋角。這是本文展示工藝的主要優勢之一，因為普通的 PCD 刀尖鑲刃刀具允許使用的最大螺旋角僅為 8 度。
為了實現孔徑緊密公差，鉆尖應當具備卓越的自定中心性能，這一點是絕對必要的。從另一個角度而言，鉆尖角度對毛刺的形成也起到重要的影響。我們知道，鉆尖角在低于 90 度或高于 150 度時，可以幫助降低鉆孔出口處的毛刺高度。因此，鉆尖角為 155 度的鉆頭適合鈦材料加工的需求，但定中心性能不好。所以，推薦使用雙鉆尖角設計方案，其中內部鉆尖角為 130 度，外部鉆尖角為 155 度。與普通應用的長切削刃鉆頭相比，這款鉆頭產品的整體鉆尖高度較低。因此，第三條和第四條刃帶可以很快接觸材料，有益于形成更緊密的孔徑公差。
采用 PCD 釬焊刀片的定制模塊化鉆頭
這款展示的鉆頭產品另一個優勢在于其具備內冷性能。在對純 CFRP 板材進行鉆孔時，在壓縮空氣的作用下，內冷孔可以促進 CFRP 切屑經鉆頭排屑槽快速排出。在對 CFRP/鈦層疊板材料進行加工時，可以通過密封的內部冷卻通道進行微量潤滑（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，因為這種材料的熱傳導率較低。在使用 PCD 刀具進行鉆孔加工時，微量潤滑是絕對必要的；否則切削刃部位形成的高熱會導致石墨化，或相應形成碳化鈦。這種反應會形成排屑槽部位出現化學磨耗，最終會導致排屑槽內的 PCD 材料崩裂。
實驗性研究
這款開發的 PCD 刀具產品經過了實驗性測試，目的在于評估在規定應用中最合適的 PCD 材質和刀具槽型。測試過程中的刀具設置和切削參數如下。
- 測試刀具
PCD 釬焊鉆頭，直徑為 11.113 毫米（7/16 英寸），三種不同的 PCD 材質（G4、KD1415，和 KD1425），未經涂層處理相同槽型的鉆頭。
- 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 CFRP 板材（Isocarbon 3k），并與一塊 厚度為 10.8 毫米（0.425 英寸）的 Ti-6Al-4V 板材牢固地層疊在一起。使用測試刀具進行通孔加工，從 CFRP 側進刀，從鈦板側出刀
- 機床刀具及冷卻劑
一臺 CNC 加工中心（Heckert CWK 400），水平主軸，主軸貫通式微量潤滑方式（Vascomill MMS FA2）。
- 切削參數
切削速度為 20 米/分鐘（65 SFM），進給率為 0.05 毫米/轉（0.002 ipr），同時適用于 CFRP 和鈦材料加工。不使用啄鉆加工法。
- 刀具檢測
為了監控刀具磨損過程，在完成 4 個孔的鉆孔加工后，使用顯微鏡對鉆頭進行檢測。在完成 24 個孔的鉆孔加工后，在掃描電子顯微鏡下觀察刀具的磨耗結構。
- 鉆孔測量
在完成所有加工測試后，對測試材料進行清洗和標注。對所有鉆孔進行檢測。對 4 個孔的內部進行直徑測量（兩個在 CFRP 板材的進口處和出口處附近，兩個在 鈦板材的相同位置）。同時還對鈦板材底部出口孔表面的毛刺高度進行測量。
結果及分析
超長、可預測，以及穩定的使用壽命是決定刀具產品是否能夠贏得客戶的主要因素。在對 CFRP/Ti 復合基體材料進行鉆孔加工時，為了獲得滿意的鉆孔質量，必須同時滿足幾個要求。鉆孔尺徑為緊公差尺寸，以安裝緊固件，鉆孔出口處的毛刺高度必須符合規定要求，以減輕或避免去毛刺工序。為了避免因刀具突變失效而導致的鉆孔損壞，并盡力維護刀具的可修磨性，鉆尖的崩刃現象必須盡可能降低，并對其進行監控。以下標準被用來作為確定測試刀具是否已達到使用壽命極限：
a）鉆孔尺寸公差為 11.113 + 70 微米（H10）；
b）毛刺尺寸為 0.2 毫米；
c）出現鉆尖崩刃
測試表明，PCD 鉆頭在使用壽命即將結束時的主要失效模式是鉆尖出現崩刃；。
硬質合金鉆的失效模式表現為毛刺高度超限。在這次測試中，所有鉆孔都符合鉆孔質量要求。
鉆孔尺寸
圖一顯示內容為測試 PCD 刀具的鉆孔加工尺寸。在對每個鉆孔檢測時，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；分別對應在鉆孔進口表面和出口表面。
圖一：一款 PCD 刀具加工鉆孔數與尺徑的對比
可以看出，位于鈦板材部位的鉆孔質量非常好，尺寸在規定公差值的中間范圍，上下浮動范圍很小，為10 微米。鈦板材鉆孔入口處和出口處的尺寸非常接近。但在 CFRP 板材部位，鉆孔入口處和出口處的孔徑差較大。這種現象是因為在排屑過程中，切屑對鉆孔避刮擦造成的結果。對于減少切屑的刮擦，以及增加鉆孔尺寸的一致性而言，提高切屑控制性能是非常必要的。僅僅依靠刀具設計而提高切屑控制性能是非常困難的。在加工實踐中，一種成熟的工藝是增加啄鉆操作，或是通過振動支持鉆孔操作，以實現控制切屑長度并減弱切屑刮擦效果。
測試結果表明，在此展示的新型鉆尖產品可以加工出 H10 公差等級的鉆孔尺寸。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 公差等級的鉆孔尺寸。不能證明鉆孔質量與切削刃材料有必然關系。相同鉆尖槽型的 PCD 鉆頭和硬質合金鉆頭的鉆孔加工質量是相似的。
毛刺
在探討與毛刺高度控制和磨損結構相關的鉆孔結果時，可以清晰地看到不同切削刃材料產生的不同結果。圖二顯示內容為一款硬質合金刀具和兩款 PCD（KD1415 和 G4 材質）刀具鉆孔加工時毛刺高度的發展過程與鉆孔數的對比情況。
圖二：因刀具磨耗導致的毛刺高度發展過程與鉆孔數的對比情況
可以看出，硬質合金鉆僅完成 14 個鉆孔加工之后，在鈦板材出口處的毛刺高度就明顯增加；而兩款 PCD 刀具在加工過程中，首次出現毛刺超過規定的鉆孔分別是第 57 個鉆孔和第 117 個鉆孔。
從理論上講，毛刺高度的發展過程與刀具鉆尖部位的磨耗緊密相關。這一點可以在硬質合金刀具和 PCD 刀具的對比中顯明，因為這兩種材料的硬度有很大的不同；所以，PCD 刀具鉆尖處的磨耗發展過程較慢。與硬質合金鉆相比，PCD 鉆的鉆尖磨耗要少得多。這三種 PCD 材質的磨耗發展情況區別很小。PCD 材質的主要磨耗類型為切削刃/鉆尖部位的崩刃。
表格一對這三種 PCD 測試材質的刀具壽命做了綜合對比。可以看出，G4 和 KD1415 材質在刀具平均壽命方面非常相似。KD1415 在刀具使用壽命的穩定性方面表現更好，并且因為機械加工性能更好，可以減少制造成本。因此在本文所述的加工應用中，被選為最適宜的材質。
結論
我們開發了三款采用不同 PCD 材質以及優化槽型的 PCD 整體硬質合金釬焊鉆頭產品，并對這些產品進行了測試。測試結論如下：
1）在 PCD 刀具制造過程中，3D 釬焊技術允許刀具采用靈活的螺旋角角度，因此也可以采用大前角設計方案。與 PCD 鑲刃產品相比，3D 釬焊產品因為去除了刀具功能區表面的 PCD 材料，所以具有更好的機械加工性能；
2）這款開發的 PCD 鉆產品采用優化的刀具槽型（雙鉆尖角度、螺旋槽、內部螺旋冷卻通道、大前角），因此可以加工高質量的鉆孔（鉆孔尺徑及毛刺高度控制）。
3）與未經涂層處理的整體硬質合金鉆相比，PCD 鉆在使用壽命方面有顯著的改善。
4）所有測試 PCD 刀具有相同的磨損形態，從前刀面出現細微裂縫開始，最終會因鉆尖崩刃導致突變性失效。
5）在刀具壽命穩定性和機械加工性能方面，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的材質。
作為行業的領導者，肯納金屬公司在慶祝公司成立75周年之際，特別為在苛刻加工條件下，尋求最佳產品性能的客戶提供創新的產品解決方案，幫助客戶提高生產率。肯納金屬公司應用最先進的物料技術，為分布在60個國家，涉及航空航天、筑路與采礦、能源，以及工業生產等領域的客戶提供創新的耐磨損產品、產品和應用設計，以及應用技術服務。公司員工總數約為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（道德村協會），“杰出創新企業”稱號 （產品研發管理協會），以及“美國最安全企業”稱號（EHS Today雜志）；肯納金屬公司及其基金會持續在技術教育、工業技術，以及物料科學等領域進行投資，展現了行業發展以及經濟繁榮的魅力前景。了解更多信息，請登錄公司網站： www.kennametal.com
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