钻孔复合材料——注意事项

钻孔复合材料——注意事项

钻孔是复合材料制造二次加工中最具挑战性的方面之一。为了最有效地钻孔或加工这种材料,了解这些复合材料的不同之处非常重要。因为尽管复合材料在材料特性上具有类似金属的特性,但它们在钻孔和机加工过程中的加工方式却大不相同。因为金属是热的良导体,所以钻孔要容易得多。另一方面,复合材料隔热并且对切削工具有磨损作用,导致切削工具、钻头甚至零件本身的磨损增加。

了解挑战

钻入复合层压板会导致 (2) 种独特的情况发生。当钻头旋转穿过层压板时,它会在穿过层压板时使现有纤维碎裂并断裂,从而形成孔。此外,摩擦产生的过多热量可能会导致树脂达到超过其相应 Tg 或使用温度的温度点。这反过来会导致层压结构中树脂和织物之间的分层或分离。通常这些问题会被忽视,但对于任何经过机加工或钻孔的复合材料零件的使用寿命而言却至关重要。

尽管层压部件是 (1) 件,但树脂和纤维以不同方式传递能量或负载。最终,复合材料中的纤维负责承载层压板的载荷。因为复合结构是各向异性的,所以通过钻头或其他机加工工具施加在层压部件上的载荷会以不同的方式通过这些纤维传递。纤维对这种载荷的响应在很大程度上取决于层压板的结构。

没有任何额外的科学课程,这意味着诸如铺层方向、厚度、切割几何形状、孔尺寸和树脂类型等因素都是钻孔成功的关键因素。钻孔的挑战在于每个复合零件可能需要不同的方法。如果层压板在某些区域较厚或使用不同的层结构,则单个零件也可能需要进行不同的钻孔和加工。

在复合材料行业加工零件时,已经对精密加工和钻孔方法进行了广泛的研究,这些方法已进入 CNC 程序以控制过程变化。进给率、尖端角度、切削温度、钻头几何形状、推力、切削力和其他方面的参数用于计算和精确确定有效钻孔零件的精确工艺参数。尽管大多数没有生产数千个零件的制造设施,但对于
手动或简单的钻床钻孔来说,概念是相同的。

钻头材料

由于复合材料隔热,切削工具中的工具磨损导致钻头的更高周转率。用于复合零件钻孔的材料必须具有高耐磨性和硬度,才能有效地反复有效地钻穿复合零件。应始终使用锋利的钻头,因为钝的钻头会导致分层和孔裂等质量问题。

高速钢不是一个很好的选择,因为它的耐热性和耐磨性差。但是,如果只需要钻 5-10 个孔,这是一个不错的选择。之后,这些类型的钻头会变钝并发生分层。

硬质合金钻头更适合复合材料应用,因为它们更硬并且具有更好的耐磨性。当它们涂有钨时,它还有助于增加表面硬度。这也导致部件的分层较少。硬质合金非常适合手工钻孔操作,因为它坚固且可以容忍人为操作的变化。硬质合金钻头可以作为“整体硬质合金”或“带尖头”出售。与整体硬质合金钻头相比,尖头钻头在钻孔时通常提供更便宜的解决方案。硬质合金尖端比高速钢具有更高的耐磨性,使用寿命更长,可用于手钻工艺。整体硬质合金钻头更昂贵,但切割纤维时不会磨损或分层,可承受 100 次切割。通常不建议在手钻工艺中使用整体硬质合金,因为整体硬质合金易碎。通常整体硬质合金钻头与钻床一起使用。硬质合金钻头也可以涂上钨以增加表面硬度。

金刚石砂砾/涂层钻头广泛用于整个复合材料行业,以提供光滑的光洁度并提供比硬质合金钻头更长的使用寿命。这些类型的钻头通常也用于瓷砖、石头和砖块等材料。这些通常是最昂贵的钻头类型,但保持锋利的时间更长,使用寿命最长。

手工艺品

当用手钻复合层压板时,让钻头代替手压来做功。事实证明,手动或以进给速率施加的额外压力会增加工具磨损和孔出口表面分层的发生。用钻头进行足够的选择是关键,一个好的锋利工具将在整个过程中迅速透露质量和易于钻探的速度。当注意到钻头穿过零件的难易程度发生变化,或者任何质量变化明显时,请更换钻头或切削工具。当钻头磨损时,钻头穿过零件需要使用多少力是显而易见的。磨损钻头的更高进给率不是一个好的组合,并且会影响零件质量。

对于标准麻花钻,~120º 的钻尖角是一个很好的起点。考虑到复合树脂暴露的温度不太高,最高转速通常会在复合层压板中产生最佳结果。如果使用钻头,请将速度保持在 300-5000 rpm 左右。

提示:钻一个直径为 (~.098”) 的导向孔作为钻孔过程的起点。没啥好说的,必须一次把洞切完。导孔将有助于尺寸稳定性,并轻松放置更大尺寸的孔。在一些层压板中,作为手钻过程的一部分,钻头在咬入材料之前往往会四处移动或行进。导孔还减少了复合材料暴露在高温下的机会,因为对于给定的通过,一次可以从层压板中取出较少的材料。

关于面料

0º 层压板或单向复合材料对传统的手工钻孔工艺提出了挑战,因为这些纤维比斜纹布、CSM 或机织纤维更容易碎裂。必须特别注意这些层压板。必须使用更高的速度和锋利的钻孔工具。在孔的出口侧放置一块胶带将有助于减轻钻孔过程中纤维的分层和分裂。

提示:较短的钻头也不易折断,因为硬质合金钻头很脆。

玻璃纤维层压板通常比碳纤维和凯夫拉纤维更容易切割。碳纤维层压板通常更难切穿,Kevlar 会在钻孔时造成磨损和起泡等问题。

对于玻璃纤维层压板,凝胶涂层表面可能会带来挑战。作为提示,使用呈“X”形图案的遮蔽胶带并开始钻孔,慢慢地,在向层压板施加少量压力的情况下反向钻孔。当胶衣通过时,可以取下胶带,然后将钻头放回前方位置以完成钻孔。

对于碳纤维和玻璃纤维层压板,整体硬质合金匕首型钻头可用于在厚度达 1/4 英寸的层压板中钻出优质孔。在较厚的层压板中,建议使用导孔。不使用时,整体硬质合金锥形钻头可为厚度超过 1/4” 的钻孔工艺提供一次性解决方案。

与切割 Kevlar 一样,钻孔可能会在纤维的模糊和磨损方面带来挑战。要减轻这种情况,请使用坚固的硬质合金布拉德点钻。它的设计有助于通过在剪切时保持纤维的张力来消除磨损。还减少了 Kevlar 增强层压板的分层机会。

在钻较厚的层压板时,与较薄的部件相比,热量将是一个更大的问题。为缓解此问题,应考虑喷涂层压板或湿式钻孔以保持较低的树脂温度。使用树脂技术数据表中的使用温度,可以了解给定树脂类型可能能够承受的温度。钻头可以对层压板施加足够的摩擦力,使其在接触时能够灼伤皮肤。确保复合材料不会出现这些类型的温度。

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