Glavni principi i metode obrade kompozitnih materijala od karbonskih vlakana
S potragom za laganim materijalima i odličnim performansama u raznim industrijama, primjena karbonskih vlakana i njegovih kompozitnih materijala postaje sve opsežnija. Glavni razlog izostanka primjene velikih razmjera je cijena i efikasnost proizvodnje. Trošak je uglavnom trošak materijala i troškovi obrade serije. Kako proizvoditi visokokvalitetne, jeftine kompozitne materijale od karbonskih vlakana u velikim količinama uz veliku brzinu i visoku efikasnost za smanjenje otpada materijala postao je konsenzus u industriji.
1 Poteškoće u preradi karbonskih vlakana
Tokom prerade kompozitnih materijala ojačanih karbonskim vlaknima (CFRP), postoji relativno složena unutrašnja interakcija između matrice i vlakna, što njegove fizičke osobine čini veoma različitim od onih metala. Gustoća CFRP-a je mnogo manja od gustoće metala, dok je čvrstoća veća od one kod većine metala. Zbog neravnomjernosti CFRP-a, često dolazi do izvlačenja ili odvajanja matričnih vlakana tokom obrade; CFRP ima visoku otpornost na toplotu i otpornost na habanje, zbog čega ima veće zahteve za opremom tokom obrade, jer velika količina toplote rezanja koja se stvara tokom procesa proizvodnje izaziva ozbiljno habanje opreme.
Istovremeno, s kontinuiranim širenjem područja primjene, zahtjevi postaju sve delikatniji, a zahtjevi za primjenjivost materijala i zahtjevi za kvalitetom CFRP-a postaju sve strožiji, što također uzrokuje porast troškova obrade. .
2 Princip obrade
Orijentacija vlakana
Orijentacija vlakana ima značajan utjecaj na interakciju između CFRP radnog komada i kontaktne površine alata. Formiranje čipova je usko povezano sa orijentacijom vlakana. Lom CFRP radnog komada i kontaktne površine alata uzrokovan je pritiskom vrha alata. Postoje tri mehanizma rezanja u smislu različitih orijentacija vlakana:
(1) Lom vlakna je duž smjera kontaktne površine vlakna i matrice, odnosno orijentacija vlakna je 0 stepen.
(2) Smjer smicanja alata je okomit na osu vlakna, a orijentacija vlakana je 75 stepeni.
(3) Orijentacija vlakana je 90 stepeni ili čak negativan ugao. Uglovi smera vlakana od 30 stepeni, 60 stepeni i 90 stepeni su najkritičniji pravci. Oni će uzrokovati velike sile rezanja, koncentrisano trošenje i oštećenje radnog komada. Povećanjem vrijednosti ugla nazad alata, potisak se može efikasno smanjiti.
Toplota rezanja
Proces rezanja CFRP-a je složen proces loma karbonskih vlakana i uklanjanja materijala matrice. Trenje između radnog komada i alata za rezanje povećava temperaturu, pa čak i uzrokuje da alat omekša ili se raspadne na visokoj temperaturi. CFRP ima slabu toplotnu provodljivost, pa je zabranjeno koristiti rashladnu tečnost tokom procesa rezanja, zbog čega se stvorena toplota rezanja ne može brzo raspršiti, a toplota se prenosi na rezni alat, što pogoršava habanje opreme za rezanje i značajno smanjuje njegov vek trajanja. Istovremeno se povećava površinska toplina obratka, što utiče na formiranje površine kompozitnog materijala i smanjuje performanse kompozitnog materijala u upotrebi.
Istraživanje topline rezanja kompozitnih materijala uglavnom se fokusira na metodu mjerenja temperature rezanja. Mnogi naučnici u zemlji i inostranstvu koriste infracrvene termometre, termalne kamere ili ugrađene termoparove za mjerenje temperature rezanja kompozitnih materijala od karbonskih vlakana.
Mehanizam habanja alata
CFRP je materijal koji se teško obrađuje, uglavnom zato što se vrlo brzo troši. Mehanizam habanja alata tokom procesa obrade je: kada se radni komad obrađuje na alatu, dvije površine su u velikom kontaktu. Tokom obrade, dugotrajno trošenje i vibracije uzrokuju da se tvrde čestice na alatu povremeno odvajaju, stvarajući tako tzv. habanje alata.
Vrste habanja mogu se grubo podijeliti na oštećenje alata i habanje. Prema različitim lokacijama habanja, trošenje se može podijeliti na trošenje vrha alata, trošenje na strani alata, oštećenje ruba alata i trošenje rubova.
Postoji mnogo faktora koji utiču na habanje alata, uglavnom uključujući: parametre obrade, geometriju alata i materijale. U procesu rezanja CFRP, parametri procesa (kao što su brzina rezanja, brzina posmaka, orijentacija vlakana, itd.) će značajno utjecati na trošenje alata. Općenito govoreći, povećanje brzine rezanja će pogoršati trošenje boka. Geometrija alata i materijali imaju značajan uticaj na obrađenu površinu, formiranje strugotine, silu rezanja i habanje alata.
4 Metode obrade
Okretanje
Tokarenje je najčešće korištena i najosnovnija metoda u CFRP obradi i obično je pogodna za postizanje unaprijed određenih tolerancija na cilindričnim površinama. Glavni materijali alata pogodnih za struganje su: cementni karbid ili keramika i polikristalni dijamant. Brzina posmaka, dubina rezanja i brzina rezanja u procesu obrade će uticati na kvalitet površine gotovog obratka i stepen oštećenja alata, što je i ciljni pravac za tehničku optimizaciju.
Okretanje
Glodanje
Glodanje je obično metoda obrade za ponovnu obradu gotovih radnih komada, koja zahtijeva visoku preciznost obrade i proces popravnog glodanja za složene obratke nakon grube obrade. Tokom procesa obrade, završni glodalo i CFRP takođe moraju biti u interakciji na složen način, što rezultira nerezanim vlaknima i delaminacijom u CFRP radnom komadu. Kako bi se smanjili i izbjegli slični defekti, sve dok se sila rezanja i veličina aksijalnog raslojavanja i nerazrezanog vlaknastog pređe znanstveno predviđaju u ranoj fazi strojne obrade, a postavke parametara procesa obrade kontroliraju, generiranje neravnina i neravnine će se efikasno smanjiti.
Glavni parametri procesa, kao što su orijentacija vlakana, aksijalne i tangencijalne brzine pomaka i brzine rezanja, imat će značajan utjecaj na hrapavost površine obratka. Tehnički zahtjevi za glodanje: Neprekidno eksperimentirajte s orijentacijom vlakana, aksijalnim i tangencijalnim brzinama dovoda, formirajte optimalne parametre i izvršite glodanje.
Glodalo za CFRP mašinsku obradu
Bušenje
Radni predmet zahtijeva operacije bušenja kada se montiraju vijci ili zakovicama. Još uvijek postoje određeni problemi u procesu bušenja CFRP-a: raslojavanje materijala, jako trošenje alata i problemi s kvalitetom unutrašnje stijenke rupe. Prema eksperimentalnoj analizi, postavljeni parametri rezanja, geometrija burgije i kvalitet rezanja imaju značajan uticaj na navedene probleme. Odnos maksimalnog prečnika oštećenog područja i otvora obično se naziva faktor oštećenja, koji takođe ukazuje na stepen delaminacije. Što je veći faktor delaminacije, to je ozbiljniji problem delaminacije.
Eksperimentima se može zaključiti da su pojave potiska i delaminacije u procesu rezanja također međusobno povezane, a veličina potisne sile također može ukazivati na stupanj raslojavanja. Na osnovu istog materijala za bušenje, za razliku od drugih metoda obrade, brzina rezanja u obradi bušenja neće imati veliki utjecaj na silu rezanja.
Pod istim parametrima rezanja, u poređenju sa spiralnim burgijama, parametri imaju manji uticaj na raslojavanje kompozitnih specijalnih svrdla. Za bušilice sa posebnim geometrijskim karakteristikama, veća brzina pomaka i prečnik burgije mogu smanjiti delaminaciju, a sila rezanja rupa za bušenje sa različitim omjerima promjera će se povećati sa smanjenjem omjera promjera i povećati s povećanjem brzine pomaka.
Burgije za CFRP obradu
Brušenje
Obično u oblastima brodogradnje i vazduhoplovne industrije, zahtevi za kvalitet CFRP radnih komada su stroži. Preciznost i kvalitet izradaka se zahtevaju višim metodama obrade, a proces konstrukcije obrade brušenjem upravo zadovoljava njegove proizvodne zahteve. Zahtjevi za preciznost za dijelove za brušenje su vrlo strogi, a fino brušenje je potrebno za grubo obrađene obratke.
Brušenje CFRP-a je mnogo teže i komplikovanije od metala. Domaći i strani naučnici su takođe sproveli relevantna istraživanja i dizajnirali brusni točak u obliku čaše, koji obezbeđuje rashladnu tečnost iznutra za mlevenje CFRP-a. Uspoređene su tri metode obrade suhog mljevenja, vanjskog rashladnog mljevenja i unutrašnjeg rashladnog mljevenja. Rezultati su pokazali da je tokom procesa unutrašnjeg mlevenja rashladne tečnosti, matrična smola pričvršćena na brusni točak značajno smanjena, a abrazivne čestice u brusnom kolu mogu efikasnije samleti vlakno bez delaminacije ili neravnina na površini materijala. Ova metoda obezbeđivanja rashladne tečnosti unutar brusnog kola pokazuje jači efekat hlađenja, što može značajno da smanji temperaturu mlevenja i pogoduje izbacivanju strugotine.
Brušenje
Ultrazvučna tehnologija obrade vibracija
Mehanizam za obradu ultrazvučnih vibracija zasniva se na relativnom kretanju alata i radnog komada tokom tradicionalnog procesa obrade, a zatim se određena ultrazvučna vibracija primenjuje na oba, kako bi se proizveo kompozitni materijal sa boljim performansama. Ova tehnologija je optimizacija i pomoćna tradicionalnoj tehnologiji. U poređenju sa tradicionalnim metodama obrade, tehnologija je naprednija, kvalitet površine gotovog radnog komada je delikatniji, a pojava pukotina je takođe smanjena, čime se uštede troškovi obrade. Teškoća obrade kompozitnih materijala ojačanih CFRP-om je efektivno smanjena. Primjena ultrazvuka u potpunosti je poboljšala mehanizam uklanjanja materijala, smanjila trenje između alata i obratka, smanjila vrijeme obrade alata, poboljšala silu alata, poboljšala efikasnost obrade, smanjila habanje alata i učinila obradu radnog komada preciznošću i kvalitetom. naprednije. Tu su uglavnom ultrazvučno vibraciono bušenje, ultrazvučno vibracijsko brušenje, ultrazvučno vibracijsko glodanje i ultrazvučno vibraciono rezanje.
Ultrazvučno potpomognuto rezanje
(1) Ultrazvučno vibraciono bušenje
Ultrazvučno vibraciono bušenje je netradicionalna metoda obrade sa velikim razvojnim potencijalom u efikasnom bušenju kompozitnih materijala. Njegove glavne prednosti uključuju: smanjenje sile rezanja i obrtnog momenta; poboljšanje kvalitete površine obrade, smanjenje neravnina; izbjegavanje stratifikacije itd.
Neki naučnici su proučavali upotrebu dijamantskih abraziva za rotiranje ultrazvučnog vibracionog bušenja CFRP. Rotirajuće ultrazvučno bušenje je prikazano na slici 3. Analiza mehanizma CFRP-a pokazuje da je mehanizam uklanjanja materijala CFRP-a pogodniji za krti lom, a ne za plastičnu deformaciju. Uspostavljen je model sile rezanja da se predvidi odnos između parametara obrade i okruženja obrade na silu rezanja, a točnost mehaničkog modela je potvrđena eksperimentima.
(2) Ultrazvučno vibracijsko brušenje
Ultrazvučno vibracijsko brušenje kombinuje mehanizam uklanjanja materijala dijamantskog brušenja i kompozitnu tehnologiju brušenja sa karakteristikama ultrazvučne obrade. Njegove glavne prednosti su: može proizvesti efekat smanjenja sile rezanja i stanjivanja strugotine; poboljšati tačnost površine i tačnost oblika obratka; povećati brzinu uklanjanja materijala i produžiti vijek trajanja alata; povećati kritičnu dubinu rezanja za prijelaz između krhkih i duktilnih domena i ostvariti obradu krhkih materijala u duktilnoj domeni.
