항공우주 분야:CFRP 복합 재료 드릴링 및 밀링

항공우주 분야에서는 경량 복합 재료로 작업하는 것이 일반적입니다. 우리는 최근 샌드빅 코로만트와 탄소 섬유 복합 재료의 일반적인 금속 가공 문제와 이를 극복하는 방법에 대해 논의했습니다.

탄소 섬유 강화 폴리머와 같은 복합 재료는 마모성이 매우 높으며 층과 풀린 섬유의 박리를 방지하기 위해 밀링 및 드릴링에 다양한 접근 방식이 필요합니다. 금속 가공용으로 설계된 표준 도구와 방법은 이러한 재료로 만든 항공우주 부품을 제조할 때 적합하지 않습니다.

샌드빅 코로만트의 항공우주 산업 전문가이자 엔지니어인 데이비드 덴 보어(David Den Boer)는 “탄소 섬유는 훨씬 가벼운 무게로 뛰어난 강도를 제공하므로 상업용 항공우주 분야에서 매우 긍정적인 효과를 얻을 수 있습니다. "비행기가 가벼워질수록 엔진의 효율성이 높아집니다."

예를 들어, 보잉 787은 약 50%의 CFRP로 만들어졌으며 비슷한 알루미늄 비행기보다 20~25% 적은 제트 연료를 사용합니다. 합성 동체는 세그먼트 및 조각이 아닌 완전한 원형 배럴 섹션으로 제조됩니다. 그러나 이러한 평면을 구성하는 것은 가공 개발 프로세스에서 문제를 야기합니다.

"일반적으로 엔진 부품을 작업하는 경우 절삭 도구와 부품 자체의 공정을 실험하지만 3천만 달러짜리 동체 측면에 구멍을 뚫는 것은 연습할 수 없습니다."라고 제품의 Jeffrey Washburn이 말합니다. 샌드빅 코로만트 매니저. "따라서 모든 프로세스 테스트 및 개발은 최종 구성 요소를 밀접하게 나타내는 '쿠폰'에서 별도로 이루어집니다."

더 자세히 알아보시겠습니까? 항공 우주에서 사용되는 가벼우면서도 강한 재료에 대해 자세히 알아보십시오. 읽기:"절단 과제:혼합 매트릭스 복합 재료 및 섬유 강화 복합 재료."

복합재료 밀링 및 드릴링 도구

"탄소 섬유 재료는 매우 마모성이 있습니다."라고 Den Boer는 말합니다. "따라서 알루미늄과 같은 금속에 수백 개의 구멍을 뚫을 수 있는 일반적인 초경 절삭 공구를 사용하면 CFRP에 20개만 구멍을 낼 수 있습니다."

더 오래 지속하려면 CFRP용 공작 기계는 다결정 다이아몬드(PCD) 또는 서브미크론 다이아몬드 입자 층으로 코팅되어야 합니다. 그러나 Washburn에 따르면 부품 생산 비용을 측정하는 올바른 방법은 도구당 비용이 아니라 드릴된 구멍당 비용입니다.

또 다른 고려 사항은 도구 변경 비용입니다.

Den Boer는 다음과 같이 말합니다. "전체 787 섹션에서 하나의 다이아몬드 코팅 공구에 필요한 기계 시간을 80 또는 90개의 초경 공구를 교체하는 것과 비교하면 경제성이 정당화될 수 있습니다."

툴링 재료는 CFRP 가공의 유일한 차이점이 아닙니다. Washburn에 따르면 금속과 달리 CFRP 밀링 및 드릴링에서 가장 어려운 두 가지 문제는 구멍의 섬유와 박리입니다.

"구멍의 품질을 분석할 때 크기가 완벽할 수 있지만 도구의 절단 동작으로 인해 구멍 자체에 절단되지 않은 섬유가 남으면 좋은 절단으로 간주되지 않습니다."라고 Washburn은 말합니다. "그리고 표면의 가장자리를 따라 밀링하는 경우 표면에서 섬유를 잡아당기거나 박리되지 않고 계속해서 깨끗하게 섬유를 절단할 수 있을 만큼 도구를 날카롭게 유지해야 합니다."

Washburn에 따르면 CFRP용으로 설계된 도구는 프로세스와 응용 프로그램에 따라 매우 다른 형상 세트를 가지고 있습니다.

“나선형이 있는 일반적인 엔드밀은 항상 절단면에서 재료를 들어 올리기를 원하므로 탄소 섬유에 금속 절단 형상을 적용하려고 하면 나선 각도가 위로 당겨지기 때문에 재료가 박리되는 경향이 있습니다. 표면"이라고 말했다. "대답은 재료가 박리되지 않도록 재료를 함께 압착하기 위해 바닥에서 위로 당기고 동시에 위에서 아래로 밀어내는 도구를 설계하는 것입니다."

금속으로 CFRP 쌓기

그러나 이러한 특수 도구는 일반적으로 금속 응용 분야에서 작동하지 않아 또 다른 문제를 야기합니다.

"복합재는 다른 재료와 함께 쌓이는 경우가 많으므로 예를 들어 CFRP를 드릴로 뚫은 다음 티타늄 또는 알루미늄 층을 칠 수 있습니다. 이 도구는 단일 구멍을 생성하기 위해 둘 다 기계로 가공할 수 있어야 합니다."라고 Washburn은 말합니다.

스택에 있는 재료 간의 인성과 마모의 차이는 창의적인 솔루션을 요구합니다.

"금속 시트로 적층된 CFRP를 가공할 때의 한 가지 문제는 이러한 항공기 부품의 대부분이 칩을 냉각하고 운반하기 위한 절삭유에 노출될 수 없다는 것입니다."라고 Washburn은 말합니다. "예를 들어 냉각수 없이 티타늄을 가공할 때 문제가 발생합니다."

Den Boer는 "사람들은 긴 칩 스트링이 섬유를 찢고 구멍을 너무 크게 만드는 것을 방지하기 위해 알루미늄 시트용 칩 브레이커를 추가하는 것과 같이 다양한 레이어를 수용하기 위해 다양한 방법을 시도합니다."라고 말합니다.

"자동 드릴링 장치로 구멍을 뚫는 경우 일부 최신 장치에는 프로그래밍 가능한 RPM 및 이송 속도가 있으므로 한 속도로 스택에 CFRP를 드릴할 수 있으며 티타늄에 닿는 즉시 교체할 수 있습니다. 절단 데이터를 만들고 각 레이어에 맞게 최적화합니다.”라고 Den Boer는 말합니다.

CFRP 복합 재료를 절단하는 데 문제가 발생한 적이 있습니까? 무슨 일이 일어났고 어떻게 해결했는지 알려주십시오.