Аэрокосмическая промышленность в центре внимания:сверление и фрезерование углепластиковых композитов

В аэрокосмической отрасли работа с легкими композитными материалами является нормой. Недавно мы поговорили с Sandvik Coromant, чтобы обсудить распространенные проблемы металлообработки углеродных композитов и пути их решения.

Композитные материалы, такие как полимер, армированный углеродным волокном, невероятно абразивны и требуют различных подходов к фрезерованию и сверлению, чтобы избежать расслоения слоев и вытягивания волокон. Стандартные инструменты и методы, предназначенные для обработки металла, просто не годятся, когда речь идет об изготовлении аэрокосмических компонентов из этих материалов.

«Углеродное волокно дает вам превосходную прочность при гораздо меньшем весе, поэтому в коммерческом аэрокосмическом секторе это дает некоторые действительно положительные результаты», — говорит Дэвид Ден Бур, специалист по аэрокосмической промышленности и инженер Sandvik Coromant. «По мере того, как самолет становится легче, двигатели становятся более эффективными».

Например, Boeing 787 примерно на 50 % состоит из углепластика и использует на 20–25 % меньше реактивного топлива, чем аналогичный алюминиевый самолет. Композитный фюзеляж изготавливается цельными круглыми стволами, а не сегментами и деталями. Однако построение такой плоскости приводит к проблемам в процессе разработки механической обработки.

«Обычно, когда мы работаем над деталью двигателя, мы экспериментируем с режущим инструментом и процессом на самом компоненте, но мы не можем практиковаться в сверлении отверстий в боковой части фюзеляжа стоимостью 30 миллионов долларов», — говорит Джеффри Уошберн, специалист по продукту. менеджер Sandvik Coromant. «Поэтому все процессы тестирования и разработки происходят отдельно на «купонах», которые близко представляют конечный компонент».

Хотите узнать больше? Узнайте больше о легких, но прочных материалах, используемых в аэрокосмической отрасли. Читайте:«Проблемы резки:композиты со смешанной матрицей и композиты, армированные волокном».

Инструменты для фрезерования и сверления композитных материалов

«Материал из углеродного волокна очень абразивный», — говорит Ден Бур. «Таким образом, с помощью обычного твердосплавного режущего инструмента, который может просверлить несколько сотен отверстий в металле, таком как алюминий, вы можете получить только 20 отверстий в углепластике».

Чтобы служить дольше, станки для углепластика должны быть либо из поликристаллического алмаза с прожилками (PCD), либо покрыты слоем субмикронных алмазных частиц, что делает каждый инструмент более дорогим, чем традиционные инструменты. Но, по словам Уошберна, правильный способ измерения стоимости производства детали сводится к стоимости просверленного отверстия, а не стоимости инструмента.

Еще одним соображением является стоимость смены инструмента.

«Допустим, вы фрезеруете верхнюю часть фюзеляжа на большом портальном станке с ЧПУ, на который уходит 10–15 минут, чтобы спуститься, заменить новый инструмент и вернуться к вершине», — говорит Ден Боер. «Если сравнить машинное время, необходимое для одного инструмента с алмазным покрытием на всей секции 787, с заменой 80 или 90 твердосплавных инструментов, экономия может быть оправдана».

Инструментальный материал — не единственная разница при обработке углепластика. По словам Уошберна, в отличие от металлов, при фрезеровании и сверлении углепластика двумя наиболее сложными проблемами являются волокна в отверстии и расслоение.

«Когда они анализируют качество отверстия, оно может идеально соответствовать размеру, но если режущее действие инструмента оставляет неразрезанные волокна в самом отверстии, это не считается хорошим разрезом», — говорит Уошберн. «А если вы фрезеруете по краю поверхности, вам нужно, чтобы инструмент был достаточно острым, чтобы продолжать аккуратно резать волокна, не вытягивая их из поверхности и не расслаивая».

По словам Уошберна, инструменты, разработанные для углепластика, имеют очень разный набор геометрий в зависимости от процесса и области применения.

«Типичная концевая фреза со спиралью всегда хочет поднять материал из реза, и поэтому, если мы попытаемся применить геометрию резки металла к углеродному волокну, это будет иметь тенденцию к расслаиванию материала, потому что угол спирали тянет вверх на поверхность, — говорит он. «Ответ заключается в разработке инструментов, которые одновременно тянут вверх снизу и нажимают сверху, чтобы как бы сжимать материал, чтобы он не расслаивался».

Сочетание углепластика с металлами

Но эти специальные инструменты обычно не работают с металлом, что приводит к еще одной сложности.

«Композиты часто комбинируются с другими материалами, поэтому вы можете, например, просверлить углепластик, а затем ударить по слою титана или алюминия — и инструмент должен обрабатывать оба материала, чтобы получить одно отверстие», — говорит Уошберн. /Р>

Различия в прочности и износостойкости между материалами в наборе требуют творческих решений.

«Одна из проблем обработки углепластика, уложенного в стопку с металлическими листами, заключается в том, что многие компоненты этих самолетов не могут подвергаться воздействию смазочно-охлаждающей жидкости для охлаждения и удаления стружки», — говорит Уошберн. «Это создает проблему, например, при попытке обработки титана без охлаждающей жидкости».

«Люди пробуют разные способы обработки различных слоев, например, добавляют стружколом для алюминиевого листа, чтобы длинные цепочки стружки не разрывали волокна и не делали отверстие слишком большим», — говорит Ден Бур.

«Если отверстия будут просверливаться с помощью автоматических сверлильных станков, некоторые из более новых имеют программируемые обороты и скорости подачи, поэтому вы можете сверлить углепластик в пакете с одной скоростью и подачей, и как только вы наткнетесь на титан, вы можете изменить режимы резки и оптимизируйте их для каждого слоя», — говорит Ден Бур.

Вы когда-нибудь сталкивались с проблемами при резке углепластиков? Расскажите, что случилось и как вы это решили.