Kennametal的HiPACS鉆孔及攻絲工具專為高精度機械加工而設計，顯著提升了航空航天制造領域的效率與精度。圖片來源：Kennametal（所有圖片）

提升性能并制造更輕、更堅固的部件一直是航空航天行業的核心驅動力，這促使制造商不斷突破創新極限。具體而言，包括為碳纖維增強聚合物（CFRP）復合材料（涵蓋熱固性塑料和熱塑性塑料）設計鉆鉚孔專用模具解決方案，用于制造機身、擾流板、機翼蒙皮及其他關鍵部件。

全球工具制造商Kennametal（美國賓夕法尼亞州匹茲堡）表示，其深諳復雜鉚釘孔鉆孔工藝的復雜性——尤其是在加工層疊鋼板時。由于 CFRP 材料具有顯著的輕量化優勢，全球對其需求持續增長，這也帶來了一些加工挑戰，例如頻繁更換刀具和調整加工參數。為此，Kennametal不斷研發新型切削工具系統，以提升性能，有效應對這些挑戰并滿足行業需求。

復合材料中鉚釘孔鉆孔的挑戰

在CFRP 或 CFRP 復合材料堆疊（如鋁或鈦）中鉆鉚釘孔是常見操作。由于 CFRP 材料具有磨蝕性和各向異性特性，其加工難度較大：材料的強度和剛度會隨纖維方向及復合材料層疊方式的不同而變化。若操作不當，鉆孔過程易導致材料分層、纖維拔出甚至孔位偏移。因此，必須嚴格控制切屑量、保持精密公差，避免纖維損傷并最大限度減少毛刺形成，以確保工件完整性。

有多種方法可確保用戶在鉆孔復合材料加工中獲得最佳效果，包括分次去除材料、使用合適的工具和進給速率，以及優化鉆孔循環以確?？椎狼鍧崱?/span>

Kennametal技術項目經理（CFRP 與航空航天裝配及未來解決方案工程領域）Steve Gray表示：“要應對復合材料加工的挑戰，關鍵在于采用能提升加工精度并保持工件質量的策略。建議使用專用工具、調整加工參數并優化工藝流程，以獲得最佳效果?！?/span>

堆疊層壓板的一個關鍵問題在于保持鋒利的切削刃——這能降低加工所需的力，從而減少毛刺形成和分層的風險。同時，必須密切關注刀具的磨損情況，因為磨損會導致摩擦力過大并產生更多熱量，進而增加分層和纖維脫落的風險。使用金剛石涂層或多晶金剛石（PCD）鉆頭在加工多材料堆疊時可提升切削性能并延長刀具壽命，從而更輕松地實現嚴格的公差控制。

另一種可行的輔助方法是采用鑿孔循環工藝（亦稱鑿孔鉆孔或鑿孔銑削）。該技術通過多次淺層進給而非單次深進給，能有效清除切屑并維持CFRP /金屬堆疊層的低溫狀態。此工藝可防止孔內積聚金屬切屑（這些切屑在排出時會侵蝕 CFRP），同時避免刀具過熱——從而防止樹脂達到其玻璃化轉變溫度，避免對復合工件造成損傷。

事實上，正如上文所述，熱量積聚不僅是導致零件受損的主要因素，還會縮短切削工具的使用壽命。值得注意的是，熱塑性復合材料雖然不易發生分層，但更容易在鉆孔過程中產生熱量積聚和變形；而熱固性復合材料雖具有優異的熱穩定性，在高溫下不會熔化，但鉆孔過程中產生的熱量仍會導致其熱降解，從而影響機械性能。CFRP -鈦復合材料則帶來了更復雜的問題，因為其加工需要同時處理兩種材料。

采用冷卻策略是另一種調控溫度的方法。例如，在刀具切削刃處提供最小量潤滑（MQL）可減少摩擦和熱量積聚。

為環保環境提供可持續的解決方案

除了提高復合材料的切削效率外，切削工具供應商也將可持續性列為首要任務——即尋找能夠最大限度減少浪費和降低能耗的解決方案。 MQL 技術非常適合減少浪費：在鉆孔過程中，將特定量的潤滑劑直接施加到鉚釘孔的切削區域，從而顯著減少了冷卻液的使用量。使用液態二氧化碳進行低溫冷卻是另一種有效降低工具切削刃溫度的方法。該技術能保持工具處于極低溫度，有助于減少工具磨損并延長切削刃的使用壽命。

“我們經常接到客戶的咨詢，他們希望找到減少碳足跡的方法，”肯納金屬公司鉆孔與螺紋工具業務全球投資組合經理喬治·羅斯表示，“這些方法涵蓋多個方面，包括延長工具使用壽命、降低碳化物消耗量，以及使用再生包裝材料?！?/span>

除了采用邊緣嵌件以減少浪費或使用模塊化刀柄系統外，翻新與重新磨削服務旨在延長現有切削工具的使用壽命。此舉通過減少材料消耗有助于實現可持續發展，并降低每個孔的加工成本。

Kennametal的切削工具解決方案采用先進的端面銑刀和鉆頭，可顯著提升復合材料加工的性能與精度。

改進設計與性能

隨著鉆孔工具與技術的持續進步，CFRP 和熱塑性塑料等材料的整合，推動了Kennametal公司在層狀材料堆疊鉚孔鉆孔技術方面取得重大創新。

例如，這款模塊化鉆頭具有高剛性，可適用于多種材料。其超高拋光的溝槽設計能實現高效的切屑排出，且連接部位完全免受切屑流動及與工件接觸的影響。

分尖端光纖（SPF）硬質合金鉆頭采用材料專用設計，適用于復合材料及復合材料堆疊結構的加工。其多層化學氣相沉積（CVD）金剛石涂層可顯著延長刀具壽命并具備優異耐磨性能。90°尖角設計提升了切削工具的對中精度，同時最大限度減少了分層現象。

雙角（DAL）鉆頭適用于 CFRP -鈦鋁堆疊鉆孔作業。其雙角尖端設計能提供最佳的對中性能，并在離開金屬堆疊層時最大限度減少毛刺。DAL鉆頭可適用于所有堆疊組合： CFRP -鈦鋁（CFRP -Ti-Al）、 CFRP -鈦、 CFRP -鋁以及純鈦或純鋁。高度拋光的切屑溝槽確保即使在使用 MQL 的情況下也能實現最佳切屑排出效果。

正確的鉆頭幾何形狀在鉚釘孔鉆孔過程中同樣至關重要，它能確?？讖胶蛯示?，有效降低熱量并促進切屑高效清除——從而最終提升飛機的結構強度。

Kennametal采用碳纖維-鈦復合材料堆疊結構對Ti6Al4V（3.7164）出口鉆頭進行了表面毛刺尺寸分析，旨在比較通用鉆頭幾何結構（上圖）與Kennametal DAL幾何結構（下圖）的鉆孔結果。測得表面毛刺尺寸分別≤0.48毫米和≤0.06毫米。

HiPACS鉆孔與擴孔工具是另一款高精度系統，可在航空航天緊固件孔加工中實現1°的角向擴孔公差。該工具設計可安裝于標準液壓卡盤中，由三個標準組件構成：帶有內置高精度插槽座的減速套（用于容納擴孔插件）、 PCD 型擴孔插件，以及采用SPF和DAL點幾何結構的硬質合金或 PCD 鉆頭。這套易于組裝的系統可一次性完成鉆孔與倒角操作。各組件可獨立更換，僅需更換磨損部件，其余部件仍可繼續使用。

HiPACS精密刀具系統插件嵌入鉆桿內部，可實現過渡半徑/倒角的最佳成型，避免孔與沉頭之間出現臺階。此外，該系統的靈活性可減少傳統整體式刀具的庫存量。其直柄設計支持10毫米內的高度調節。該精密系統提供的間隙允許鉆頭保持3-5微米的跳動量。

在實際應用中，一家一級航空航天供應商希望降低其整體式裝配體的成本和復雜性。Kennametal公司介入后，用其HiPACS系統替換了原有的整體式模具裝配體，該系統實現了每個孔位的最低成本，并顯著降低了單項成本。

Kennametal的HiPACS精密工裝系統展示了可調節的插入高度位置。

導向結構，助力高效加工

鉚釘頭部不得凸出飛機機身表面，否則會產生湍流和阻力。為此，采用對孔工藝可實現表面平整，使鉚釘頭部與表面保持齊平。由于機械設備操作受限，對孔作業通常需人工完成。為解決這一難題，KenShape MaPACS和MaxPACS系列 PCD 型對孔機專為手動操作設計，便于高效操作。其微止動裝置確保深度控制精度，從而保證加工過程中的質量穩定一致。

鉚釘孔鉆孔技術的未來

鉚釘孔鉆孔是航空航天制造中的關鍵工藝，而向復合材料領域的轉型正推動著切削工具技術的持續進步?；谶@一背景，Kennametal公司預見了復合材料孔加工技術的新發展方向。例如，目前正在研發傳感器系統，用于在鉆孔作業過程中實時引導、監測和調整工藝參數，從而防止刀具磨損和材料損傷。這種實時監控不僅能優化孔加工工藝，還能顯著提升生產效率。

例如，Kennametal近期正與某客戶合作開展一項“單向裝配”項目，該項目旨在開發基于傳感器的技術，以簡化飛機裝配過程中的堆疊鉆孔作業。通過利用傳感器確保孔洞符合規格要求，可徹底省去清潔、拆卸和檢驗環節，從而大幅節省飛機零部件的生產時間和成本。

航空航天行業對提升性能和減輕部件重量的追求，推動了切削工具的創新；隨著對CFRP 需求的增長，這一趨勢將持續下去。

參考：CW

此文由中國復合材料工業協會搜集整理編譯，部分數據來源于網絡資料。文章不用于商業目的，僅供行業人士交流，引用請注明出處。