Оптимизация сверления и фрезерования CFRP композитов в авиакосмике

В авиакосмике работа с легкими композитными материалами — норма. Мы недавно говорили с Sandvik Coromant, чтобы обсудить распространенные проблемы металлообработки в углеродно-волокнистых композитах и способы их преодоления.

Композитные материалы, такие как углеродно-волокнистый полимер, невероятно абразивны и требуют разных подходов к фрезерованию и сверлению, чтобы избежать расслоения слоев и вытягивания волокон. Стандартные инструменты и методы, разработанные для работы с металлом, просто не подходят, когда речь идет о производстве авиакосмических компонентов из этих материалов.

«Углеродное волокно дает вам превосходную прочность с гораздо меньшим весом, поэтому в коммерческой авиакосмике это позволяет некоторые действительно позитивные вещи», говорит Дэвид Ден Бор, специалист по авиакосмической отрасли и инженер в Sandvik Coromant. «По мере того как самолет становится легче, двигатели становятся более эффективными».

Например, Boeing 787 сделан примерно на 50 процентов из CFRP и использует на 20–25 процентов меньше реактивного топлива, чем сравнимый алюминиевый самолет. Композитный фюзеляж изготавливается в полном круглых бочкообразных секциях, а не в сегментах и кусках. Однако строительство такого самолета приводит к вызовам в процессе разработки обработки.

«Обычно, если мы работаем над деталью двигателя, мы бы экспериментировали с режущим инструментом и процессом на самом компоненте, но мы не можем практиковать сверление отверстий в борту фюзеляжа за $30 млн», говорит Джеффри Уошбёрн, менеджер по продукту в Sandvik Coromant. «Так что все тестирование и разработка процесса происходит отдельно на "купонах", которые близко представляют конечный компонент».

Хотите глубже? Узнайте больше о легких, но прочных материалах, используемых в авиакосмике. Читайте: «Проблемы резки: Смешанно-матричные композиты и волокнисто-усиленные композиты».

Инструменты для фрезерования и сверления композитов

«Материал углеродного волокна очень абразивен», говорит Ден Бор. «Так что с типичным твердосплавным режущим инструментом, который может служить несколько сотен отверстий на металле, таком как алюминий, вы можете получить только 20 отверстий на CFRP».

Чтобы служить дольше, станочные инструменты для CFRP должны быть либо венозными поликристаллическими алмазами (PCD), либо покрыты слоем субмикронных алмазных частиц — что делает каждый инструмент более дорогим, чем традиционные инструменты. Но согласно Уошбёрну, правильный способ измерить стоимость производства детали сводится к стоимости на отверстие, а не стоимости на инструмент.

Другое соображение — стоимость смены инструментов.

«Допустим, вы фрезеруете верх фюзеляжа на большом портально-консольном ЧПУ станке, который тратит 10–15 минут на спуск, смену нового инструмента и подъем обратно на верх», говорит Ден Бор. «Сравнивая время станка, необходимое для одного алмазно-покрытого инструмента на всей секции 787, со сменой 80 или 90 твердосплавных инструментов, экономику можно обосновать».

Материал инструмента не единственное различие для обработки CFRP. В отличие от металлов, две самые сложные проблемы при фрезеровании и сверлении CFRP — волокна в отверстии и расслоение, согласно Уошбёрну.

«Когда они анализируют качество отверстия, оно может быть идеально по размеру, но если резающее действие инструмента оставляет неразрезанные волокна в самом отверстии, это не считается хорошим срезом», говорит Уошбёрн. «И если вы фрезеруете вдоль края поверхности, вы хотите держать инструмент достаточно острым, чтобы продолжать резать волокна чисто, не выдергивая их из поверхности или не вызывая расслоения».

Согласно Уошбёрну, инструменты, спроектированные для CFRP, имеют очень разный набор геометрий, в зависимости от процесса и приложения.

«Типичная концевая фреза со спиралью всегда хочет поднимать материал от среза, и так если мы пытаемся применить геометрию резки металла к углеродному волокну, это будет тенденцировать к расслоению материала, потому что угол спирали тянет вверх на поверхности», говорит он. «Ответ — проектировать инструменты, которые тянут вверх снизу и давят сверху одновременно — как бы сжимать материал вместе, так что он не расслоится».

Стекование CFRP с металлами

Но эти специальные инструменты обычно не будут работать в металлических приложениях, что ведет к другой сложности.

«Композиты часто стекованы с другими материалами, так что вы можете сверлить через CFRP, например, а затем наткнуться на слой титана или алюминия — и инструмент должен уметь обрабатывать оба, чтобы произвести одно отверстие», говорит Уошбёрн.

Различия в твердости и абразивности между материалами в стеке требуют креативных решений.

«Одна из проблем обработки CFRP, стекованного с металлическими листами, в том, что многие из этих авиационных компонентов не могут быть подвергнуты воздействию охлаждающей жидкости для охлаждения и уноса стружки», говорит Уошбёрн. «Это представляет проблему, например, при попытке обработать титан без СОЖ».

«Люди пробуют разные вещи, чтобы приспособиться к разным слоям, такие как добавление ломчика стружки для алюминиевого листа, чтобы предотвратить длинные стружки от разрыва волокон и сделать отверстие слишком большим», говорит Ден Бор.

«Если отверстия будут сверлены автоматическими сверлильными блоками, некоторые из более новых имеют программируемые обороты и подачи, так что вы можете сверлить CFRP в стеке на одной скорости и подаче, и как только вы попадете в титан, вы можете изменить резательные данные и оптимизировать для каждого слоя», говорит Ден Бор.

Сталкивались ли вы когда-нибудь с проблемами резки CFRP композитов? Расскажите нам, что случилось и как вы решили это.