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加工碳复合材料:风险很大

随着复合材料在航空航天结构部门中采用较大的部分(并形成较大的部件),它不仅仅是一种制造 - 或突破它的主题。
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可能没有组合物的一部分制造工艺,其遭受的变量和碳纤维增强聚合物的变量和不确定性多于加工。

不仅使用碳纤维复合材料的使用增加了作为F-35多样化的项目闪电二,V-22鱼鹰波音787,梦林和空中客车A350 XWB - 但复合结构的纯粹尺寸也增加。“五年前,零件长度为10英尺长,最大值,大约四分之一到半英寸厚,”丹库珀,Cycl Cut Products Manager(希伯伦,KY。)。“今天,我们正在观看60英尺的翼皮,厚度为1到4英寸。自20年前钛出现后,您是否看到了材料对航空航天行业有这么大的影响。“

随着碳部件的使用和尺寸增加,必须产生这些结构的尺寸公差急剧缩小 - 今天的错误的余量非常小,即几乎不存在。因此,加工比以往任何时候都更加重要。

这些不是微不足道的事项:加工通常是将固化,几乎完全复合结构带到其最终尺寸的唯一手段。在航空航天工业中,近净结构可能代表数千美元 - 如果不是数百万美元的工程专业知识,材料和制造业。有缺陷的加工努力很少可固定,因此对生产力和盈利能力构成了致命的威胁。“复合材料是未命的,”库珀说。“这些材料很棒在表现出加工过程中的弱点。”


绝对不同的材料

要了解原因,必须首先了解实际上的加工。在最简单的术语中,控制加工,管理断裂。从历史上看,通过整体金属材料 - 钢,铝,钛等进行航空加工。大多数金属由晶体结构形成。“在金属中有自然的骨折和压力,”汤姆康威尔,汤工具供应商Onsrud Cutter LP(Libertyville,Ill。)。这些裂缝线允许晶体结构“通过钻孔或加工部分楔入”。当机床或水射流接触时,它们往往会在更多或更少的均匀块和位断开,并且可以易于加工以较小且更小的增量,以实现所需的尺寸。这种可预测性,以及人类一直在处理金属材料的待处理,操纵和积累数百年的科学知识,使加工,钻孔和布线金属相对常规,使金属具有吸引力和相对容易管理。

通过比较,复合材料反应非常不同而不是如此可预测地反应。Mark Saberton,Waterjet机器制造商的总工程师流动国际公司(肯特,华盛顿)用类似的类比描述了这种差异:“当你加工复合材料时,你不会像加工金属那样剥离材料。”在这里,分层结构将树脂基质与离散的脆性纤维增强层结合在一起。“你实际上是在加工纤维,而加工它们的正确方法是将它们断裂。”

因为破坏是目的,当然,这种暴力活动会导致分层,导致部分拒绝或失败的风险永远存在。Onsrud公司的Cornwell指出:“在大多数情况下,复合材料部件的分层和破裂会影响基础产品的内部结构,而且无法修复。”

复合材料比金属更少可预测,因为更多的变量决定了复合材料如何应对 - 光纤型,树脂型,纤维取向在接触点,复合部件厚度,基质硬度和热敏度,以及复合部件施工的类型(三明治Vs.固体层压板)。因此,复合材料师在选择加工过程并将其适应手头的应用时,必须考虑所有这些变量。



加工系统101

有两种基本技术可供选择:旋转加工和磨料水射流加工。旋转加工采用一种连接在高速主轴上的刀具,由数控编程加工中心驱动。该工具的横截面一般为圆形,但带有凹槽。凹槽具有锋利的边缘,通常以缓慢的螺旋结构排列,这使得凹槽之间的空隙成为旋转工具将破碎的材料从工作区引导出去的手段。

在水射流加工中,加入石榴石(颗粒状硅酸盐)或类似材料与水混合,然后在非常高的压力下发射(60,000至100,000 psi)。这种强大的磨料升起的流,在速度接近马赫3(2,200英里/小时),由特殊设计的喷嘴集中到0.001英寸/0.254毫米的直径流中,快速侵蚀矩阵材料并剪切件件中的纤维厚6英寸/ 152.4毫米。它在没有发热或粉尘发射的情况下,即使在显微水平下也不会在复合材料中引起分层。Waterjet Systems通常提供5轴头,增强制造灵活性,并具有内置探头进行测量工作。



旋转工具还是水射流?

根据三种基本加工操作或任务,过程选择部分地基于每个技术的一般能力和限制:修整,钻孔和表面精加工。旋转切割工具,取决于它们的设计方式,可以成功地用于所有三个任务。MAG的Cooper指出,复合材料扇区中的旋转加工最大强度之一是表面精加工,以使部件或结构均匀,或者在两个配合表面之间产生紧密容合。他说,五到六年前,在没有间隙的情况下伴随两个表面,每个表面都更具挑战性,每个表面都需要填充垫片或粘合剂。如今,他观察到,这种差距是不可接受的,旋转工具已经回应,以允许紧密粘合的粘合剂所需的精确度。

相比之下,磨料水射流已成为许多边缘修整应用的实际标准,但其本质上的线性操作使一些加工任务,如沉孔和表面铣削,超出了其能力范围。此外,切割必须从一个零件的周长边缘内开始(例如,检修门或窗),需要机械钻一个导向孔。因此,水射流系统还必须包含一个旋转工具头。

除了这些基本区别之外,还有许多因素会影响机械师的决策过程。一个是热。水射流系统在这里有一个固有的优势,因为水既是推进剂又是冷却剂。但是对于旋转加工,热是一种固有的副产品。在像碳纤维这样的高磨蚀表面上,以20,000 rpm的速度转动金属工具的主轴会产生大量的热量——有时甚至超过了固化的高温热固性树脂所能产生的热量。为了解决这个问题,一些制造商开发了具有集成冷却通道的机床,压缩空气可以通过这些通道来降低机床温度。在其他情况下,特别是大容量钻井,需要直接使用水或其他冷却液。另一方面,切削工具供应商AMAMCO tool (Greer, S.C.)的总经理Peter Diamantis表示,一些处理器喜欢以更高的速度钻孔,他们认同这样的理念,即如果在孔内的刀具时间最小化,热量就会最小化。根据Onsrud的Cornwell,其他人选择较慢的主轴速度来减少摩擦。Diamantis提供了通用的速度指导方针:钻井8000转/分,路由5000转/分至25,000转/分。 But he warns that exact figures depend very much on the material type, the tooling material and the application. Machinists also can opt for “pecking,” Cornwell adds, where a drill tool intermittently bores into the part and then backs off for cooling. Although these dry techniques compromise production speed, they maintain the quality of the cut, which is paramount.

另一个决定点是速度。Waterjetting在修剪环境中获得了牵引,因为它往往更快,更简单。一个原因是旋转修剪经常需要两个通行证:第一个是用粗加工工具完成,使边缘切割到近净形状,除去大量的材料,但留下切割表面小于完美的切割表面。在第二次通过时,整理工具切割少量材料,该材料仍然存在,旨在产生光滑的成品边缘。流动国际转变,在一些应用中,磨料水射流可以以旋转工具的速度为两倍,不需要多次通过。“如果你认为旋转工具可能需要粗糙切割和终止切割,”流动的斯巴耳说,“速度可以达到3倍。”波音综合防御系统(莫斯圣路易斯圣路易斯,莫斯)副技术研究员Kurt Burton报道说,Waterjet Systems“成为大多数波音的修剪标准”。伯顿使用旋转机械加工,需要两个技术人员,八个设置和八个小时,在一个复合材料/钛堆栈部分的波音/钛堆栈部分的一个水射箭的第一次使用水射流的首次用途。转换为Waterjet将这些要求减少给一个技术人员,一个设置和一小时。


切割工具考虑因素

由于旋转加工是普遍存在的,甚至在水射流操作,有很多关注和创新,在刀具技术。MAG的Cooper建议仔细研究刀具材料和几何形状,并密切管理刀具寿命。刀具材料类型和几何形状综合起来,决定了“断裂”的质量和刀具的耐用性。

工具材料对于加工复合材料,根据应用(修整,钻孔或表面精加工)以及是否是粗加工工具或精加工工具而变化显着变化。基线工具材料是碳化物,然后是涂层碳化物。对于高性能,高度磨蚀性应用,许多供应商提供钻石涂层CVD(化学气相沉积)工具,以及具有多晶金刚石(PCD)涂层的工具,类似金刚石涂层(DLC),金刚石薄膜涂层(DFC),氮化锆涂层(ZnC)或结晶金刚石涂层(CDC)。涂层选择取决于应用。零件装饰可以用碳化物工具粗略,然后用涂层工具完成。

高硬度涂层会增加成本——单涂层工具的成本可能高达600美元或更多。如果PCD工具的成本是CVD工具的3倍,但它的复合长度是CVD工具的4倍,那么经济性将有利于PCD工具。另一方面,如果一个零件的纤维体积分数较低,那么它就很容易被切割,从而可以使用腐蚀性较低、价格较低的工具材料。

亚历克斯·哈丁,刀具供应商运营经理Cajero Ltd.(Sheppey岛,肯特,U.K.)说,涂层类型的选择至关重要,必须仔细完成。“虽然CVD钻头的优点存在,但技术及其应用不是灵丹妙药,”他说。“当考虑生命周期成本时,其他工具材料可以提供独特的优势。例如,PCD钻头的保留可以提供更大的产品寿命,因此在项目的寿命上,工具成本明显降低。“

Cornwell认为,无论如何,加工成本是相对的。当加工一个价值数十万美元的复合材料结构时,每个工具花费200美元还是600美元可能都不重要:“大多数工具都是零件成本的一小部分,所以有时你必须谨慎使用。”

刀具几何选项甚至比涂层选项更大。AMAMCO的Diamantis表示:“复合材料具有极强的磨蚀性,无论是钻孔还是机械加工,都需要在工具中使用一套完全不同的几何形状。”

为避免分层的风险,Cooper建议仔细研究工具的方法角度。凹槽的数量和长笛扭曲的角度可以是,通常是定制以适合应用。边缘修剪应用中这样的研究的一个结果是压缩路由器。可从Amamco,Onsrud和其他,此工具类型具有相对的长笛组,同时将复合材料从层压板的顶部和底部以剪切方式进行“拉动”(参见压缩路由器的照片)。这最大限度地减少了分层的风险,并在顶部和底部表面上产生清洁边缘,沿着部分边缘几个杂散纤维。

几何在钻井中尤为重要。通用解决方案涉及直径和/或直径分段的梯度。前者描述了一种带有轴的钻刀,该轴从入口点到中点的直径增加。因此,该工具钻一个小型飞行孔,然后逐渐地将该孔逐渐达到指定尺寸。阶段工具具有直径,直径沿其长度突然地改变,同时产生例如用于接收器基板中的螺钉的先导孔,在覆盖基板中的较大孔和表面处的埋头孔。这种三种方法通常会加上堆钻。当两个必须连接的部件分开钻孔时,堆叠可以消除潜在的不准确性:两个部件装配在一起后才进行钻孔。

虽然这种技术是有效的并且可以保证孔对准,但是在复合金属接头中可能存在问题。“当您用复合材料堆叠金属合金和钛和复合材料时,”Amamco的Diamantis指出,“您必须生产一个以某种方式同时解决唯一属性的工具。”通常,用户必须居住适用于一个基板的工具材料,但不是另一个基板。这可以产生负面影响工具寿命和孔精度。或者,用户可以选择为每个材料使用最佳钻孔工具。在F-35上,例如,洛克希德马丁(FT。值得,德克萨斯州)使用不同的组合物的钻孔工具通过堆叠的复合飞机皮和飞机的钛或铝制框架构件来钻孔清洁孔。额外的钻井时间是延长刀具寿命的可接受的权衡,并降低了复合材料损坏的风险。

但是即使在已知的树脂和纤维组成和复合结构的厚度时,Cajero的硬化警告称,最好的工具材料和几何形状总是存在一些不确定性。直到一个工具放在实际测试中,仍然存在不确定性。Joe Smith,加工公司的营销传播专家典范D & E(密歇根州大急流城),甚至认为复合材料的一致性是一个必须消除的神话:“Paragon看到的最大的误解之一是部分数据,”史密斯说。“很多人认为,从同一个模具成型的两个复合部件应该具有相同的数据。Paragon发现,这种情况很少发生。”

“你不能相信你有一个能够满足所有需求的工具,”结束了。“你必须做审判和错误。”这种现实是在自定义上的工具供应商之间的重点落后。Harding和其他人与客户密切合作,为特定应用程序设计和测试工具。

刀具寿命管理这是关键的,因为在加工复合材料时,尽管其成本高,但在失败之前必须更换工具。作为工具磨损,加工进展急剧减慢,降低质量下降。必须通过比较,相对较小的单个工具的成本平衡操作机械和切割设施(劳动力和功率成本等)的总成本。在故障后更换,保持干净的切割并保持生产速度在可接受的参数中,最小化成本。因此,了解和监测磨损率至关重要。例如,在洛克希德马丁,F-35 Wingskins的路由器削减了大约65英尺/ 19.8m,并在规则的时间表中更换。

刀具生活的管理在磨料水壶的世界中具有平行。正如石榴石磨料侵蚀部件材料一样,它也耐磨地脱离了在水射流喷嘴的内径上形成表面的极硬合金。就像工具磨损降低边缘质量一样,喷嘴磨损也是如此。据波音伯顿的说法,喷嘴持续至少40个小时,并在旋转工具等定期磨损时间表上。然而,这里,水射流在旋转工具上具有一个优点。与后者不同,水射流喷嘴与复合材料衬底没有接触。结果,喷嘴侵蚀更容易预测,因为磨损的因素被限制在已知的变量上:石榴石,水压和喷嘴材料。



很多很多洞

在纯粹的体积方面,特别是在航空航天结构中,钻井是最常见的加工应用,并且是最具挑战性的。

第一个和最重要的挑战是保持尺寸准确性。在旋转加工中,往往不是,这需要两种或三工具方法。第一钻一把先导孔来建立孔位置。其次是更大的钻孔/铰刀工具,将孔带到其最终尺寸。有时,当容忍要求非常敏感时,铰孔成为一个单独的第三步。Waterjet Machinists采用类似的策略。Pegasus Northwest Inc.总经理Ron Palstring(肯特,洗涤)。说,孔精度的公差,曾经为±0.010英寸,现在是±0.0015英寸的更紧密。Pegasus,其部分,通过旋转工具预先磨削其孔,以建立其位置,然后使用其五个中的一个Jet Edge Inc.(St. Michael,Minn。)Waterjet系统完成工作。将主轴/工具集集成到工作头中,距离Waterjet喷嘴的固定距离,沉入导孔。然后,CNC头部调整工具到喷嘴偏移,将其与水射精的路径缩回。

第二个挑战是产生一个干净的孔,没有分层或磨损的纤维在出口孔。这项工作取决于工具的锋利程度和钻孔的速度。测量工具年龄(锐度)的最佳方法之一是测量钻孔时钻头电机遇到的阻力。随着工具的磨损和变钝,阻力增加;通过试错测试,用户可以提前确定指示工具更改的阻力级别。虽然可以手动检查阻力,但一些机械师已经开发了监控钻机电机扭矩的系统,并在扭矩水平超出规格时发出警报。

第三个挑战是防止部件受到灰尘和碎片的污染或损坏。在旋转钻具上,切削螺旋槽将材料从孔中切割出来。但是从工作表面清除灰尘和碎片需要辅助通风和真空设备。相比之下,水射流在切割时将工件浸湿,它将灰尘和碎片通过孔送入水/磨料收集系统,在这里碎片和石榴石被提取和丢弃,水被循环利用。



未来:既少又多

虽然该文章联系的工具供应商认为,加工故事将继续由其旋转工具技术的持续演变,帕特里克·弗利奇,应用主任Ingersoll Machine Tools Inc.他说,数控机床制造商面临着同样重要的任务,那就是开发加工中心技术,以适应工装设计的变化。他解释说,数控机械预计将持续10到15年,但由于工具发展得更快,“我们需要在主轴设计、主轴速度和数控能力方面提供灵活性。”弗莱什补充说,为了确保能够满足未来的需求,许多客户选择购买比实际需要更多的速度。

他指出,需求也在上升,用于加工具有辅助功能的加工系统。一个需要的领域是激光检查和基于激光的位置工具。在校舍操作中,例如,基于激光的系统可以测量倒数深度,以确保固定装置或紧固件头部与零件表面齐平。Ingersoll还开发了它所谓的“压力脚”,围绕主轴和工具周围的外壳,然后按压并稳定复合结构,然后延伸钻孔工具是预设距离。

最终,弗雷萨说,弗雷萨将在复合材料的前端(使用纤维放置)的前端存在大需求,以确保固化的复合部件处于或更近的指定最终尺寸在模具中。“每个人都希望把机床推出这个过程,”Flesch建议。但直到那时,后磨削,修剪和浮出水面的策略,以及旋转工具和磨料水射流设备,也需要实施它们,将在复合材料制造商中引起重大关注。

Fives Cincinnati.

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