Glavni principi i metode obrade kompozitnih materijala od karbonskih vlakana
Uz potragu za laganim materijalima i izvrsnim performansama u raznim industrijama, primjena karbonskih vlakana i njihovih kompozitnih materijala postaje sve opsežnija. Glavni razlog za nedostatak velike primjene je cijena i učinkovitost proizvodnje. Trošak je uglavnom trošak materijala i trošak obrade serijskog kalupljenja. Kako proizvesti visokokvalitetne, jeftine kompozitne materijale od ugljičnih vlakana u velikim količinama velikom brzinom i visokom učinkovitošću za smanjenje rasipanja materijala postao je konsenzus u industriji.
1 Poteškoće u obradi karbonskih vlakana
Tijekom obrade kompozitnih materijala ojačanih ugljičnim vlaknima (CFRP), postoji relativno složena unutarnja interakcija između matrice i vlakna, što čini njegova fizikalna svojstva vrlo različitima od onih metala. Gustoća CFRP-a mnogo je manja od gustoće metala, dok je čvrstoća veća od većine metala. Zbog nejednakosti CFRP-a, tijekom obrade često dolazi do izvlačenja vlakana ili odvajanja vlakana matrice; CFRP ima visoku toplinsku otpornost i otpornost na habanje, zbog čega ima veće zahtjeve za opremu tijekom obrade, jer velika količina topline rezanja koja se stvara tijekom procesa proizvodnje uzrokuje ozbiljno trošenje opreme.
Istovremeno, uz kontinuirano širenje područja primjene, zahtjevi postaju sve delikatniji, a zahtjevi za primjenjivošću materijala i zahtjevi kvalitete za CFRP postaju sve stroži, što također uzrokuje rast troškova obrade .
2 Princip obrade
Orijentacija vlakana
Orijentacija vlakana ima značajan utjecaj na interakciju između CFRP obratka i kontaktne površine alata. Stvaranje strugotine usko je povezano s orijentacijom vlakana. Lom kontaktne površine CFRP izratka i alata uzrokovan je pritiskom vrha alata. Postoje tri mehanizma rezanja u pogledu različitih orijentacija vlakana:
(1) Lom vlakna je duž smjera dodirne površine vlakna i matrice, to jest, orijentacija vlakna je 0 stupnjeva.
(2) Smjer rezanja alata je okomit na os vlakana, a orijentacija vlakana je 75 stupnjeva.
(3) Orijentacija vlakana je 90 stupnjeva ili čak negativan kut. Kutovi smjera vlakana od 30 stupnjeva, 60 stupnjeva i 90 stupnjeva najkritičniji su smjerovi. Oni će uzrokovati velike sile rezanja, koncentrirano trošenje i oštećenje obratka. Povećanjem vrijednosti stražnjeg kuta alata, potisak posmaka može se učinkovito smanjiti.
Rezanje topline
Proces rezanja CFRP-a složen je proces loma karbonskih vlakana i uklanjanja materijala matrice. Trenje između obratka i alata za rezanje povećava temperaturu, pa čak i uzrokuje omekšavanje ili raspadanje alata na visokoj temperaturi. CFRP ima lošu toplinsku vodljivost, pa je zabranjeno koristiti rashladno sredstvo tijekom procesa rezanja, zbog čega se stvorena toplina rezanja ne može brzo raspršiti, a toplina se prenosi na alat za rezanje, što pogoršava trošenje opreme za rezanje i uvelike smanjuje njegov vijek trajanja. U isto vrijeme, površinska toplina izratka se pogoršava, što utječe na oblikovanje površine kompozitnog materijala i smanjuje učinkovitost kompozitnog materijala u uporabi.
Istraživanje topline rezanja kompozitnih materijala uglavnom se fokusira na metodu mjerenja temperature rezanja. Mnogi znanstvenici u zemlji i inozemstvu koriste infracrvene termometre, termalne kamere ili ugrađene termoparove za mjerenje temperature rezanja kompozitnih materijala od karbonskih vlakana.
Mehanizam trošenja alata
CFRP je materijal koji je težak za obradu, uglavnom zato što vrlo brzo troši alat. Mehanizam trošenja alata tijekom procesa obrade je: kada se obradak obrađuje na alatu, dvije površine su u velikom kontaktu. Tijekom obrade dugotrajno trošenje i vibracije uzrokuju povremeno odvajanje tvrdih čestica na alatu i tako nastaje tzv.
Vrste trošenja mogu se grubo podijeliti na oštećenje alata i trošenje. Prema različitim mjestima trošenja, trošenje se može podijeliti na trošenje vrha alata, trošenje bočne strane alata, oštećenje ruba alata i trošenje ruba.
Postoje mnogi čimbenici koji utječu na trošenje alata, uglavnom uključujući: parametre obrade, geometriju alata i materijale. U procesu rezanja CFRP-om, parametri procesa (kao što su brzina rezanja, brzina posmaka, orijentacija vlakana, itd.) značajno će utjecati na trošenje alata. Općenito govoreći, povećanje brzine rezanja će pogoršati trošenje boka. Geometrija alata i materijali imaju značajan utjecaj na obrađenu površinu, stvaranje strugotine, silu rezanja i trošenje alata.
4 Metode obrade
Okretanje
Tokarenje je najraširenija metoda i najosnovnija metoda u obradi CFRP-a, a obično je prikladna za postizanje unaprijed određenih tolerancija na cilindričnim površinama. Glavni materijali alata pogodnih za tokarenje su: cementni karbid ili keramika i polikristalni dijamant. Brzina napredovanja, dubina rezanja i brzina rezanja u procesu obrade utjecat će na kvalitetu površine gotovog obratka i stupanj oštećenja alata, što je također ciljni smjer tehničke optimizacije.
Okretanje
Mljevenje
Glodanje je obično metoda obrade za ponovnu obradu gotovih izradaka, koja zahtijeva visoku točnost obrade, te postupak popravka glodanja za složene izratke nakon grube obrade. Tijekom procesa strojne obrade, čelno glodalo i CFRP također moraju međusobno djelovati na složen način, što rezultira nerezanim vlaknastim pređama i raslojavanjem u CFRP izratku. Kako bi se smanjili i izbjegli slični nedostaci, sve dok su sila rezanja i veličina aksijalne delaminacije i nerezanih vlaknastih neravnina znanstveno predviđene u ranoj fazi strojne obrade, a postavke parametara procesa obrade kontrolirane, stvaranje neravnina i neravnine će se učinkovito smanjiti.
Glavni procesni parametri, kao što su orijentacija vlakana, aksijalne i tangencijalne brzine dodavanja i brzine rezanja, imat će značajan utjecaj na hrapavost površine izratka. Tehnički zahtjevi za glodanje: Opetovano eksperimentirajte s orijentacijom vlakana, aksijalnim i tangencijalnim brzinama dodavanja, formirajte optimalne parametre i izvodite glodanje.
Glodalo za obradu CFRP-a
Bušenje
Radni predmet zahtijeva operacije bušenja kada se spaja vijcima ili zakovicama. Još uvijek postoje određeni problemi u CFRP procesu bušenja: raslojavanje materijala, ozbiljno trošenje alata i problemi s kvalitetom unutarnje stijenke rupe. Prema eksperimentalnoj analizi, postavljeni parametri rezanja, geometrija svrdla i kvaliteta rezanja imaju značajan utjecaj na navedene probleme. Omjer najvećeg promjera oštećenog područja i otvora obično se naziva faktor oštećenja, koji također označava stupanj delaminacije. Što je faktor delaminacije veći, to je problem delaminacije ozbiljniji.
Kroz pokuse se može zaključiti da su fenomeni potiska i raslojavanja u procesu rezanja također međusobno povezani, a veličina sile potiska također može ukazivati na stupanj raslojavanja. Na temelju 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 usporedbi sa spiralnim svrdlima, parametri imaju manji utjecaj na raslojavanje kompozitnih specijalnih svrdla. Za svrdla s posebnim geometrijskim značajkama, veća brzina posmaka i promjer svrdla mogu smanjiti raslojavanje, a sila rezanja rupa s različitim omjerima promjera će se povećati sa smanjenjem omjera promjera i povećati s povećanjem brzine posmaka.
Svrdla za obradu CFRP-a
Mljevenje
Obično su u područjima brodogradnje i zrakoplovne industrije zahtjevi kvalitete za CFRP izratke stroži. Točnost i kvaliteta obradaka moraju se provoditi pod višim metodama obrade, a proces konstrukcije obrade brušenjem samo ispunjava svoje proizvodne zahtjeve. Zahtjevi za preciznost za brušenje dijelova su vrlo strogi, a fino brušenje je potrebno za grubo obrađene izratke.
Brušenje CFRP-a puno je teže i kompliciranije od metala. Domaći i strani znanstvenici također su proveli relevantna istraživanja i dizajnirali brusnu ploču u obliku čaše, koja unutar sebe daje rashladno sredstvo za mljevenje CFRP-a. Uspoređene su tri metode obrade suhog mljevenja, brušenja vanjskog rashladnog sredstva i unutrašnjeg brušenja rashladnog sredstva. Rezultati su pokazali da je tijekom unutarnjeg procesa brušenja rashladne tekućine, matrična smola pričvršćena na brusnu ploču značajno smanjena, a abrazivne čestice u brusnoj ploči mogu učinkovitije samljeti vlakno bez raslojavanja ili neravnina na površini materijala. Ova metoda osiguravanja rashladne tekućine unutar brusne ploče pokazuje jači učinak hlađenja, što može značajno smanjiti temperaturu mljevenja i pogoduje odlasku strugotine.
Mljevenje
Ultrazvučna tehnologija obrade vibracija
Mehanizam obrade ultrazvučnim vibracijama temelji se na relativnom kretanju alata i obratka tijekom tradicionalnog procesa obrade, a zatim se određena ultrazvučna vibracija primjenjuje na oboje, kako bi se proizveo kompozitni materijal s boljim performansama. Ova tehnologija je optimizacija i pomoć tradicionalne tehnologije. U usporedbi s tradicionalnim metodama obrade, tehnologija je naprednija, kvaliteta površine gotovog obratka je delikatnija, a pojava pukotina također je smanjena, čime se štede troškovi obrade. Poteškoće obrade kompozitnih materijala ojačanih CFRP-om učinkovito su smanjene. Primjena ultrazvuka potpuno je poboljšala mehanizam skidanja materijala, smanjila trenje između alata i izratka, smanjila vrijeme obrade alata, povećala snagu alata, poboljšala učinkovitost obrade, smanjila trošenje alata, te učinila obradu izratka preciznijom i kvalitetnijom napredniji. Tu su uglavnom ultrazvučno vibracijsko bušenje, ultrazvučno vibracijsko brušenje, ultrazvučno vibracijsko glodanje i ultrazvučno vibracijsko rezanje.
Ultrazvučno potpomognuto rezanje
(1) Ultrazvučno vibracijsko bušenje
Ultrazvučno vibracijsko bušenje je netradicionalna metoda obrade s velikim razvojnim potencijalom u učinkovitom bušenju kompozitnih materijala. Njegove glavne prednosti uključuju: smanjenje sile rezanja i momenta; poboljšanje kvalitete obrade površine, smanjenje neravnina; izbjegavanje raslojavanja itd.
Neki su znanstvenici proučavali upotrebu dijamantnih abraziva za rotiranje CFRP bušenja ultrazvučnim vibracijama. Rotirajuće ultrazvučno bušenje prikazano je na slici 3. Analiza mehanizma CFRP-a pokazuje da je mehanizam uklanjanja materijala CFRP-a prikladniji za krti lom nego za plastičnu deformaciju. Uspostavljen je model sile rezanja za predviđanje odnosa između parametara obrade i okoline obrade na silu rezanja, a točnost mehaničkog modela potvrđena je eksperimentima.
(2) Brušenje ultrazvučnim vibracijama
Ultrazvučno vibracijsko brušenje kombinira mehanizam za uklanjanje materijala dijamantnog brušenja i kompozitnu tehnologiju brušenja s karakteristikama ultrazvučne obrade. Njegove glavne prednosti su: može proizvesti učinak smanjenja sile rezanja i stanjivanja strugotine; poboljšati točnost površine i točnost oblika obratka; povećati brzinu skidanja materijala i produžiti vijek trajanja alata; povećati kritičnu dubinu rezanja za prijelaz između lomljivih i duktilnih domena, te ostvariti duktilnu obradu lomljivih materijala.
