解决航空航天复合材料铆钉孔钻孔难题

Kennametal的HiPACS钻孔及攻丝工具专为高精度机械加工而设计，显著提升了航空航天制造领域的效率与精度。图片来源：Kennametal（所有图片）

提升性能并制造更轻、更坚固的部件一直是航空航天行业的核心驱动力，这促使制造商不断突破创新极限。具体而言，包括为碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料（涵盖热固性塑料和热塑性塑料）设计钻铆孔专用模具解决方案，用于制造机身、扰流板、机翼蒙皮及其他关键部件。

全球工具制造商Kennametal（美国宾夕法尼亚州匹兹堡）表示，其深谙复杂铆钉孔钻孔工艺的复杂性——尤其是在加工层叠钢板时。由于 CFRP 材料具有显著的轻量化优势，全球对其需求持续增长，这也带来了一些加工挑战，例如频繁更换刀具和调整加工参数。为此，Kennametal不断研发新型切削工具系统，以提升性能，有效应对这些挑战并满足行业需求。

复合材料中铆钉孔钻孔的挑战

在CFRP 或 CFRP 复合材料堆叠（如铝或钛）中钻铆钉孔是常见操作。由于 CFRP 材料具有磨蚀性和各向异性特性，其加工难度较大：材料的强度和刚度会随纤维方向及复合材料层叠方式的不同而变化。若操作不当，钻孔过程易导致材料分层、纤维拔出甚至孔位偏移。因此，必须严格控制切屑量、保持精密公差，避免纤维损伤并最大限度减少毛刺形成，以确保工件完整性。

有多种方法可确保用户在钻孔复合材料加工中获得最佳效果，包括分次去除材料、使用合适的工具和进给速率，以及优化钻孔循环以确保孔道清洁。

Kennametal技术项目经理（CFRP 与航空航天装配及未来解决方案工程领域）Steve Gray表示：“要应对复合材料加工的挑战，关键在于采用能提升加工精度并保持工件质量的策略。建议使用专用工具、调整加工参数并优化工艺流程，以获得最佳效果。”

堆叠层压板的一个关键问题在于保持锋利的切削刃——这能降低加工所需的力，从而减少毛刺形成和分层的风险。同时，必须密切关注刀具的磨损情况，因为磨损会导致摩擦力过大并产生更多热量，进而增加分层和纤维脱落的风险。使用金刚石涂层或多晶金刚石（PCD）钻头在加工多材料堆叠时可提升切削性能并延长刀具寿命，从而更轻松地实现严格的公差控制。

另一种可行的辅助方法是采用凿孔循环工艺（亦称凿孔钻孔或凿孔铣削）。该技术通过多次浅层进给而非单次深进给，能有效清除切屑并维持CFRP /金属堆叠层的低温状态。此工艺可防止孔内积聚金属切屑（这些切屑在排出时会侵蚀 CFRP），同时避免刀具过热——从而防止树脂达到其玻璃化转变温度，避免对复合工件造成损伤。

事实上，正如上文所述，热量积聚不仅是导致零件受损的主要因素，还会缩短切削工具的使用寿命。值得注意的是，热塑性复合材料虽然不易发生分层，但更容易在钻孔过程中产生热量积聚和变形；而热固性复合材料虽具有优异的热稳定性，在高温下不会熔化，但钻孔过程中产生的热量仍会导致其热降解，从而影响机械性能。CFRP -钛复合材料则带来了更复杂的问题，因为其加工需要同时处理两种材料。

采用冷却策略是另一种调控温度的方法。例如，在刀具切削刃处提供最小量润滑（MQL）可减少摩擦和热量积聚。

为环保环境提供可持续的解决方案

除了提高复合材料的切削效率外，切削工具供应商也将可持续性列为首要任务——即寻找能够最大限度减少浪费和降低能耗的解决方案。 MQL 技术非常适合减少浪费：在钻孔过程中，将特定量的润滑剂直接施加到铆钉孔的切削区域，从而显著减少了冷却液的使用量。使用液态二氧化碳进行低温冷却是另一种有效降低工具切削刃温度的方法。该技术能保持工具处于极低温度，有助于减少工具磨损并延长切削刃的使用寿命。

“我们经常接到客户的咨询，他们希望找到减少碳足迹的方法，”肯纳金属公司钻孔与螺纹工具业务全球投资组合经理乔治·罗斯表示，“这些方法涵盖多个方面，包括延长工具使用寿命、降低碳化物消耗量，以及使用再生包装材料。”

除了采用边缘嵌件以减少浪费或使用模块化刀柄系统外，翻新与重新磨削服务旨在延长现有切削工具的使用寿命。此举通过减少材料消耗有助于实现可持续发展，并降低每个孔的加工成本。

Kennametal的切削工具解决方案采用先进的端面铣刀和钻头，可显著提升复合材料加工的性能与精度。

改进设计与性能

随着钻孔工具与技术的持续进步，CFRP 和热塑性塑料等材料的整合，推动了Kennametal公司在层状材料堆叠铆孔钻孔技术方面取得重大创新。

例如，这款模块化钻头具有高刚性，可适用于多种材料。其超高抛光的沟槽设计能实现高效的切屑排出，且连接部位完全免受切屑流动及与工件接触的影响。

分尖端光纤（SPF）硬质合金钻头采用材料专用设计，适用于复合材料及复合材料堆叠结构的加工。其多层化学气相沉积（CVD）金刚石涂层可显著延长刀具寿命并具备优异耐磨性能。90°尖角设计提升了切削工具的对中精度，同时最大限度减少了分层现象。

双角（DAL）钻头适用于 CFRP -钛铝堆叠钻孔作业。其双角尖端设计能提供最佳的对中性能，并在离开金属堆叠层时最大限度减少毛刺。DAL钻头可适用于所有堆叠组合： CFRP -钛铝（CFRP -Ti-Al）、 CFRP -钛、 CFRP -铝以及纯钛或纯铝。高度抛光的切屑沟槽确保即使在使用 MQL 的情况下也能实现最佳切屑排出效果。

正确的钻头几何形状在铆钉孔钻孔过程中同样至关重要，它能确保孔径和对准精度，有效降低热量并促进切屑高效清除——从而最终提升飞机的结构强度。

Kennametal采用碳纤维-钛复合材料堆叠结构对Ti6Al4V（3.7164）出口钻头进行了表面毛刺尺寸分析，旨在比较通用钻头几何结构（上图）与Kennametal DAL几何结构（下图）的钻孔结果。测得表面毛刺尺寸分别≤0.48毫米和≤0.06毫米。

HiPACS钻孔与扩孔工具是另一款高精度系统，可在航空航天紧固件孔加工中实现1°的角向扩孔公差。该工具设计可安装于标准液压卡盘中，由三个标准组件构成：带有内置高精度插槽座的减速套（用于容纳扩孔插件）、 PCD 型扩孔插件，以及采用SPF和DAL点几何结构的硬质合金或 PCD 钻头。这套易于组装的系统可一次性完成钻孔与倒角操作。各组件可独立更换，仅需更换磨损部件，其余部件仍可继续使用。

HiPACS精密刀具系统插件嵌入钻杆内部，可实现过渡半径/倒角的最佳成型，避免孔与沉头之间出现台阶。此外，该系统的灵活性可减少传统整体式刀具的库存量。其直柄设计支持10毫米内的高度调节。该精密系统提供的间隙允许钻头保持3-5微米的跳动量。

在实际应用中，一家一级航空航天供应商希望降低其整体式装配体的成本和复杂性。Kennametal公司介入后，用其HiPACS系统替换了原有的整体式模具装配体，该系统实现了每个孔位的最低成本，并显著降低了单项成本。

Kennametal的HiPACS精密工装系统展示了可调节的插入高度位置。

飞行员可以提供帮助

铆钉头部不得凸出飞机机身表面，否则会产生湍流和阻力。为此，采用对孔工艺可实现表面平整，使铆钉头部与表面保持齐平。由于机械设备操作受限，对孔作业通常需人工完成。为解决这一难题，KenShape MaPACS和MaxPACS系列 PCD 型对孔机专为手动操作设计，便于高效操作。其微止动装置确保深度控制精度，从而保证加工过程中的质量稳定一致。

铆钉孔钻孔技术的未来

铆钉孔钻孔是航空航天制造中的关键工艺，而向复合材料领域的转型正推动着切削工具技术的持续进步。基于这一背景，Kennametal公司预见了复合材料孔加工技术的新发展方向。例如，目前正在研发传感器系统，用于在钻孔作业过程中实时引导、监测和调整工艺参数，从而防止刀具磨损和材料损伤。这种实时监控不仅能优化孔加工工艺，还能显著提升生产效率。

例如，Kennametal近期正与某客户合作开展一项“单向装配”项目，该项目旨在开发基于传感器的技术，以简化飞机装配过程中的堆叠钻孔作业。通过利用传感器确保孔洞符合规格要求，可彻底省去清洁、拆卸和检验环节，从而大幅节省飞机零部件的生产时间和成本。

航空航天行业对提升性能和减轻部件重量的追求，推动了切削工具的创新；随着对CFRP 需求的增长，这一趋势将持续下去。

参考：CW

此文由中国复合材料工业协会搜集整理编译，部分数据来源于网络资料。文章不用于商业目的，仅供行业人士交流，引用请注明出处。