肯纳工具公司探索复合材料钻孔的技术进步，包括堆叠层压板，以满足航空航天应用和可持续性挑战。
Kennametal的HiPACS钻孔和沉孔工具专为高精度加工而设计，可提高航空航天制造的效率和精度。
提高性能和制造更轻、更坚固的部件一直是航空航天业的驱动力，这促使制造商突破创新的极限。这包括设计用于在碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料（包括热固性塑料或热塑性塑料）上钻铆钉孔的工具解决方案，用于机身、扰流板、机翼蒙皮和其他重要部件。
全球工具公司肯纳（Kennametal-美国宾夕法尼亚州匹兹堡）表示，它了解复杂铆钉孔钻孔的复杂性，尤其是在加工分层堆叠板时。随着全球对碳纤维增强塑料（CFRP）的需求因其显著的轻量化优势而增加，一些加工挑战可能会发挥作用，包括频繁的刀具更换和设置。肯纳工具公司正在不断开发能够提供更高性能的切削刀具系统，以克服这些挑战并满足行业要求。
在复合材料中钻铆钉孔的挑战
钻铆钉孔通常在CFRP或CFRP混合材料堆（如铝或钛）中进行。由于CFRP的磨蚀性和各向异性，加工CFRP可能具有挑战性；材料的强度和刚度会根据纤维方向和复合材料的分层方式而变化。如果处理不当，钻穿这些材料通常会导致分层、纤维拔出甚至孔错位。因此，至关重要的是要保持切屑控制和严格的公差，避免纤维损坏，并尽量减少毛刺的形成，以保持工件的完整性。
有几种方法可以确保用户在钻复合材料时达到最佳效果，包括以较小的增量去除材料，使用适当的工具和进给速度，以及优化钻孔周期以确保孔干净。
肯纳工具公司CFRP和航空航天装配及未来解决方案工程技术项目经理斯蒂夫·格莱姆（Steve Gray）表示：“为了应对加工复合材料的挑战，采用提高精度和保持工件质量的策略至关重要。考虑使用专用工具，调整加工参数并改进工艺，以实现最佳结果。”
堆叠层压板的一个问题是保持锋利的切削刃，这减少了加工所需的力，最大限度地降低了毛刺形成和分层的风险。注意工具的磨损也很重要，这会导致过度摩擦并产生更多热量，从而导致更高的分层和纤维拔出风险。在加工多材料堆叠时，使用金刚石涂层或聚晶金刚石钻头可以提高切削性能和刀具寿命，从而更容易保持严格的公差。
另一种可能的辅助方法是使用啄食循环- pecking cycle（也称为啄食钻孔或啄食铣削）。该技术使用多次少量切削而不是一次量大的切削，是去除碳纤维增强塑料/金属堆叠中的切屑并保持低温的有效方法。它可以防止孔积聚金属碎片，这些碎片在离开时会腐蚀CFRP。它还可以防止工具过热，这会阻止树脂达到其玻璃化转变温度，从而损坏复合材料工件。
事实上，如上所述，热量积聚是损坏零件的主要因素，但也会缩短切削刀具的寿命。值得注意的是，热塑性复合材料不易分层，但在钻孔过程中更容易积聚热量和变形。同时，热固性复合材料具有优异的热稳定性，在高温下不会熔化，但钻孔过程中产生的热量仍会导致热降解并影响复合材料的机械性能。CFRP-钛混合复合材料由于需要处理这两种材料的技术而带来了进一步的问题。
采用冷却剂策略是管理温度控制的另一种选择。例如，在刀具的切削刃上提供最小量润滑可以减少摩擦和热量积聚。
环保环境的可持续解决方案
除了提高复合材料的切削效率外，切削刀具供应商还将可持续性作为首要任务，即找到减少浪费和降低能耗的解决方案。MQL技术是减少浪费的理想选择—通过在钻孔时直接在铆钉孔的切割区域施加特定量的润滑，可以显著减少冷却液的使用量。使用液态二氧化碳进行低温冷却是减少刀具切削刃热量的另一种有效方法。这种技术使刀具保持极冷状态，有助于减少刀具磨损，并使切削刃保持更长时间。
肯纳工具公司钻削和螺纹工具全球投资组合经理格奥尔格·罗斯（Georg Roth）表示：“我们经常收到客户的来信，询问如何减少碳足迹。”。“这适用于从提高刀具寿命、减少碳化物消耗到使用可回收包装材料的所有方面。”
除了使用刃口刀片防止浪费或使用模块化刀架系统外，修复和重新研磨服务还旨在恢复现有的切削刀具，以延长使用寿命。这有助于通过使用更少的材料来实现可持续性，并降低每个孔的成本。
肯纳工具公司的切削刀具解决方案采用先进的立铣刀和钻头，为加工复合材料提供了更高的性能和精度。
改进设计和性能
随着钻孔工具和技术的不断进步，CFRP和热塑性塑料等材料的整合导致了肯纳工具公司铆钉孔钻孔分层材料堆叠技术的重大创新。
例如，模块化钻头具有高刚性，可用于各种材料。超高抛光槽实现了高效的排屑，联轴器完全免受切屑流动和与工件接触的影响。
分体式纤维（SPF- Split point fiber ）整体硬质合金钻头提供了一种针对特定材料的设计，用于加工复合材料和复合材料堆叠。多层化学气相沉积（CVD- chemical vapor deposition ）金刚石涂层提供了更长的工具寿命和高耐磨性。90°点角设计提高了切削刀具的定心能力，并最大限度地减少了分层。
双角度（DAL- Double angle ）钻机用于CFRP金属堆叠钻孔作业。双角点设计提供了最佳的定心能力，并在离开堆叠的金属侧时最大限度地减少了毛刺。DAL钻头可应用于所有堆叠组合：CFRP钛铝（CFRP Ti-Al）以及CFRP Ti、CFRP Al和直Ti或Al。即使在应用MQL时，高度抛光的切屑槽也能确保最佳的切屑排出。
正确的钻尖几何形状在铆钉孔钻削中也至关重要，因为它确保了精确的孔径和对齐，有效地减少了热量，促进了有效的切屑去除，最终使飞机的结构完整性更强。
肯纳工具公司进行了碳纤维钛堆叠钻孔Ti6Al4V（3.7164）出口毛刺分析，以比较使用通用钻头几何形状（顶部）与使用肯纳工具的DAL几何形状（底部）钻孔的毛刺尺寸结果。毛刺尺寸分别≤0.48毫米和≤0.06毫米。
HiPACS钻孔和沉孔工具是另一种高精度系统，在航空航天紧固件孔应用中实现了1°角埋头窝公差。HiPACS设计用于夹紧在标准液压卡盘中，由三个标准部件组成：带有内置高精度凹座的减速器套筒，用于锪窝刀片，PCD锪窝刀片和具有SPF和DAL点几何形状的整体硬质合金或PCD钻头。这种易于组装的系统可用于一次性钻孔和锪窝。每个部件都可以彼此独立地更换，因此只有磨损的部件可以更换，而其他部件可以继续使用。
HiPACS精密刀具系统刀片位于槽内，可实现过渡半径/倒角的最佳形成，防止孔和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工具的库存。直柄可在10毫米内调整高度。该精密系统提供间隙，使钻头能够保持3-5微米的跳动。
在实际应用中，一家一级航空航天供应商希望降低其整体组件的成本和复杂性。肯纳工具公司介入，用该公司的HiPACS系统取代了现有的整体式模具组件，该系统实现了每孔成本最低，并显著减少了生产线项目。
肯纳工具公司的HiPACS精密模具系统，描绘了可以调整刀片高度的位置。
导向可以提供帮助
铆钉头不得伸出飞机蒙皮，因为这会产生湍流和阻力。相反，通过埋头窝实现齐平表面，使铆钉头与表面齐平。由于机械和设备的可访问性挑战，埋头窝操作通常必须手动完成。为了解决这一挑战，KenShape MaPACS和MaxPACS导向PCD埋头窝的设计便于在手动埋头窝应用中操作。Microstop工作站提供深度控制的准确性。这使得埋头孔在加工时能够提供一致的质量。
铆钉钻孔的未来
铆钉孔钻削是航空航天制造业的关键工艺，向复合材料的转变正在推动切削刀具技术的进步。考虑到这一点，肯纳看到了复合材料制孔的新方向。例如，正在开发传感器来指导、监测和调整钻孔操作，以防止工具磨损和材料损坏。这将实时完成，不仅可以优化造孔过程，还可以提高效率。
例如，肯纳工具公司最近与一位客户合作开展了一个“单向装配”项目，该项目涉及开发基于传感器的技术，旨在简化飞机装配中的堆叠钻孔。通过使用传感器来确保孔符合规格，可以消除清洁、拆卸和检查的需要，从而节省飞机--装配的大量时间和成本。
航空航天工业对更好性能和更轻部件的追求导致了切削刀具的创新，随着对碳纤维增强塑料需求的增长，这种创新将继续下去。
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原文《 Addressing rivet hole drilling challenges for aerospace composites 》
杨超凡
