【先進刀具】航空難加工材料加工刀具

不斷攀升的燃油成本、嚴苛的法規要求，使得減輕重量成為航空工業的日常課題。該行業通過採用諸如碳纖維增強塑料（CFRP）、利用金屬部件和層疊複合材料製成的夾芯部件等新的、輕量化複合結構材料對此作出了回應。而這些又對機加工專業人員在耐磨損、工具幾何參數等方面提出了新的挑戰，尤其是象CFRP 這樣特別耐磨的材料，更具有挑戰。

目前，航空工業越來越多地採用CFRP 來製造結構部件， 如空客A350 和波音787，整個飛機的外殼幾乎都採用了這類材料。在使用的過程中，一般而言，幾層碳纖維會植入塑料基體， 以提供更高的強度。儘管強度在很大程度上取決於作用力的方向，但這樣做還是賦予了CFRP 在纖維長度方向以特別的拉伸強度。如果拉伸載荷不是作用於纖維方向，材料不耐拉伸，在發生事故時，更容易斷裂。因此，會在飛機底部使用金屬型材。和鋁這種輕量化結構材料一樣，鈦也適合加工成這種金屬型材。鈦的剛度很高，而且由於拉伸強度不依賴於纖維，不會產生力的方向問題。這樣，飛機結構件如門框、肋拱和增強型材都可以採用鈦鋼，因為它的膨脹係數接近於CFRP。尤其是構建棧板時，往往和CFRP 一起使用。

要求嚴格的鑽孔

棧板一般用鉚釘接頭連結。在製造棧板時，會先將兩層或三層重疊的材料鑽穿，然後用鉚釘連接。由於這些材料的性能不完全一致，這種連接操作存在很大挑戰，尤其是在鑽銑相對小、公差緊的孔時。

象鈦鋼這樣的材料可以用裸露的硬質合金銑刀加工，CFRP 則需要更硬的切削刃。因為60% 的CFRP 含有數百萬根極其細微的纖維，每根只有8μm 粗。而人的頭髮約為70μm，由此可見一斑。在切削時，這些細微的纖維就像是打磨工具一樣，磨掉合金刀具的切削刃，直至它變圓。這會造成層的分離（纖維被扯開）和纖維毛刺，尤其是在孔的出口處。

割穿CFRP 的PCD

這就是金剛石發揮作用的場合。這種切削材料的硬度居世界之首。聚晶金剛石（PCD）是一種通過合成手段製造的極其堅硬的刀具材料，由金剛石顆粒附著在金屬基體上。維氏硬度（HV） 為6000 的PCD 硬度遠超過硬度介於1600HV ～ 2200HV 的硬質合金。PCD 適用於諸如CFRP 這樣的耐磨性很強的材料的高速切削和鑽孔。

多種配置

有各種不同規格的硬質合金刀具可供，如階梯鑽和兩齒或四齒階梯式鉸刀。

切削點的角度

◆手動反鏜鈦- 鋁- 碳纖維材料：20°；

◆ CFRP 材料一般為85°；

◆鋁-CFRP 棧板：155°；

◆ E 形點磨：特殊的凸形部件、薄型棧板和CFRP。

註：金剛石塗層合金刀具使用壽命長，但不能對其再進行打磨。

一段時期以來，PCD 在飛機加工領域發揮著重要作用，但由於採用了PCD 礦脈技術這樣的新型加工工藝，PCD 刀具的可靠性和精密性得到了進一步的改善。採用PCD 礦脈技術的硬質合金刀具頂端槽中充滿了PCD 粉末。施加高溫高壓後，在刀具頂端形成多晶金剛石。最後還要對刀槽和刀刃進行腐蝕和打磨。

這種加工工藝，可以採用角磨和點磨的方式，以滿足加工纖維複合材料的要求。在加工CFRP 時，還需要區分單向和多向纖維取向。儘管單向CFRP 在纖維方向上的拉伸強度極高，但加工時，硬度遠比多向材料高。多向材料的特點是加工性能更好， 層之間不會脫開，機械加工時纖維毛刺少。兩種類型的材料以及鈦、鋁-CFRP 棧板以及凸形部件，均可以用最新的PCD 礦脈型鑽銑刀具進行加工。

圖：西鈦珂公司展示的DIACUT帶螺旋角整體PCD鑽尖鑽頭

另外，傳統的焊料失效問題，也會發生在PCD 鑽孔點的直接釺焊，但不會發生在PCD 礦脈結構工藝中。與未塗層的硬質合金鋼刀具相比，PCD 礦脈結構刀具的切削速度非常快，刀刃穩定，可以經常重新打磨，而不會影響質量。目前，業內越來越多地傾向於選擇PCD 礦脈結構刀具，尤其是因為PCD 礦脈結構鑽銑刀具有各種幾何尺寸可供。有的配備了冷卻液通道，最大程度地減少了潤滑油用量；有的帶有下沉角和刀柄設計。

硬度最高

與PCD 刀具一樣，硬質合金刀具廣泛用於航空結構件的加工中。硬質合金鑽頭極其適合高韌高強的材料，如鈦、高合金鋼或者Inconel 718。但是，如前所述，未塗層的硬質合金刀具在CFRP 材料加工過程中磨損很快。這個問題已經通過新一代塗有8μm ～ 20μm 厚、硬度為10000HV 的PCD 塗層合金鑽刀得到了解決。

這種新型塗層鑽頭在加工飛機外殼部件時非常有效。為了確保飛機外殼表面的加工儘可能光滑，會採用埋頭鉚釘。需要確保埋頭部分和孔之間的過渡半徑非常精確。未塗層硬質合金刀具在使用了很短的時間後，就不能保持過渡半徑的加工公差。新一代金剛石塗層硬質合金刀具可以更長時間地保持所需加工公差，對於這種外飾件加工特別有利。通過採用合適的形狀和塗層，金剛石塗層硬質合金刀具幾乎可以用於任何應用。

另一個特點是，PCD 礦脈結構刀具只能用於CNC 工具機，硬質合金刀具可以用於CNC、半自動甚至是手動鑽銑刀具。看上去， 用手工方法加工高科技產品，如今天的先進飛機這種想法很奇怪，但是在組裝過程中，飛機零部件所在的位置可能很難觸及。在這些場合，零部件會用壓縮空氣鑽銑刀具進行加工，並且必須使用硬質合金刀具。

使用鑽頭進給單元時，需要裝配的時間長，對員工的體力強度要求高、切屑容易堆積、刀具磨損厲害，因此各個企業都努力使用一次性鑽銑，也即， 鑽孔和打埋頭孔一次性完成。鑽頭進給單元適用於在組裝車間組裝加工相對容易觸及的零部件。

外殼鑽銑不只是限於鑽頭進給單元。一種採用稱作一次性組裝的技術，它結合了CNC 鉚接系統以及帶末端執行器的機器人，將鑽孔、打埋頭孔和鉚接工序一次性完成。PCD 礦脈刀具可以用於這些加工。這些全自動的系統具有最大的加工精度和可重現性，但只有在需要多孔加工時才具有成本優勢。目前為止，僅用於大批量易於觸及的零部件的加工。

這些代表了當今航空零部件最複雜的解決方案，但是，還有一個潛在的問題，即刀具供應商的能力。刀具供應商是否具有經驗，可以提供滿足這些應用的產品？另外， 刀具供應商還需要能夠按照不同機加工要求，提供具有理想切削數據、售後服務、重新打磨服務的定製刀具，以及完整的及加工解決方案。在現今的航空加工背景下，缺乏這點是不行的。