Hlavné princípy a metódy spracovania kompozitných materiálov z uhlíkových vlákien
S honbou za ľahkými materiálmi a vynikajúcim výkonom v rôznych priemyselných odvetviach sa aplikácia uhlíkových vlákien a ich kompozitných materiálov stáva čoraz rozsiahlejšou. Hlavným dôvodom nedostatku aplikácie vo veľkom meradle sú náklady a efektívnosť výroby. Náklady sú hlavne náklady na materiál a náklady na spracovanie dávkového formovania. Ako vyrábať vysokokvalitné, lacné kompozitné materiály z uhlíkových vlákien vo veľkých množstvách s vysokou rýchlosťou a vysokou účinnosťou na zníženie materiálového odpadu sa v tomto odvetví stalo konsenzom.
1 Ťažkosti pri spracovaní uhlíkových vlákien
Počas spracovania kompozitných materiálov vystužených uhlíkovými vláknami (CFRP) dochádza k pomerne zložitej vnútornej interakcii medzi matricou a vláknom, čo robí jeho fyzikálne vlastnosti veľmi odlišnými od vlastností kovov. Hustota CFRP je oveľa menšia ako hustota kovu, zatiaľ čo pevnosť je väčšia ako u väčšiny kovov. V dôsledku nerovnomernosti CFRP dochádza počas spracovania často k vyťahovaniu vlákien alebo k oddeľovaniu vlákien matrice; CFRP má vysokú tepelnú odolnosť a odolnosť proti opotrebeniu, vďaka čomu má vyššie požiadavky na zariadenie počas spracovania, pretože veľké množstvo rezného tepla generovaného počas výrobného procesu spôsobuje vážne opotrebovanie zariadenia.
Súčasne s neustálym rozširovaním jeho aplikačných oblastí sú požiadavky čoraz jemnejšie a požiadavky na použiteľnosť materiálu a požiadavky na kvalitu CFRP sú čoraz prísnejšie, čo tiež spôsobuje zvýšenie nákladov na spracovanie. .
2 Princíp spracovania
Orientácia vlákna
Orientácia vlákna má významný vplyv na interakciu medzi CFRP obrobkom a kontaktnou plochou nástroja. Tvorba triesok úzko súvisí s orientáciou vlákna. Zlomenie CFRP obrobku a kontaktnej plochy nástroja je spôsobené tlakom vyvíjaným hrotom nástroja. Existujú tri rezacie mechanizmy z hľadiska rôznych orientácií vlákien:
(1) Lom vlákna je v smere kontaktu vlákna a matrice, to znamená, že orientácia vlákna je 0 stupeň.
(2) Smer strihania nástroja je kolmý na os vlákna a orientácia vlákna je 75 stupňov.
(3) Orientácia vlákna je 90 stupňov alebo dokonca negatívny uhol. Najkritickejšími smermi sú uhly smeru vlákna 30 stupňov, 60 stupňov a 90 stupňov. Spôsobia veľké rezné sily, sústredené opotrebovanie a poškodenie obrobku. Zvýšením hodnoty uhla chrbta nástroja možno efektívne znížiť posuv.
Rezanie tepla
Proces rezania CFRP je komplexný proces lámania uhlíkových vlákien a odstraňovania matricového materiálu. Trenie medzi obrobkom a rezným nástrojom zvyšuje teplotu a dokonca spôsobuje, že nástroj pri vysokej teplote zmäkne alebo sa rozloží. CFRP má zlú tepelnú vodivosť, takže počas procesu rezania je zakázané používať chladiacu kvapalinu, čo spôsobuje, že vznikajúce rezné teplo sa nemôže rýchlo rozptýliť a teplo sa prenáša na rezný nástroj, čo zhoršuje opotrebovanie rezného zariadenia a výrazne znižuje jeho životnosť. Súčasne sa zvyšuje povrchové teplo obrobku, čo ovplyvňuje povrchové tvarovanie kompozitného materiálu a znižuje výkonnosť kompozitného materiálu pri použití.
Výskum rezného tepla kompozitných materiálov sa zameriava najmä na metódu merania reznej teploty. Mnoho vedcov doma aj v zahraničí používa infračervené teplomery, termokamery alebo zabudované termočlánky na meranie teploty rezania kompozitných materiálov z uhlíkových vlákien.
Mechanizmus opotrebovania nástroja
CFRP je ťažko spracovateľný materiál najmä preto, že sa nástroj veľmi rýchlo opotrebuje. Mechanizmus opotrebovania nástroja počas procesu spracovania je: keď sa obrobok spracováva na nástroji, tieto dva povrchy sú vo veľkom kontakte. Dlhodobé opotrebenie a vibrácie pri spracovaní spôsobujú občasné uvoľnenie tvrdých častíc na nástroji, čím dochádza k takzvanému opotrebovaniu nástroja.
Typy opotrebovania možno zhruba rozdeliť na poškodenie nástroja a opotrebovanie. Podľa rôznych miest opotrebenia možno opotrebenie rozdeliť na opotrebenie hrotu nástroja, opotrebenie strany nástroja, poškodenie ostria nástroja a opotrebenie hrany.
Existuje mnoho faktorov, ktoré ovplyvňujú opotrebovanie nástroja, najmä: parametre spracovania, geometria nástroja a materiály. V procese rezania CFRP parametre procesu (ako je rýchlosť rezania, rýchlosť posuvu, orientácia vlákna atď.) výrazne ovplyvnia opotrebovanie nástroja. Všeobecne povedané, zvýšenie reznej rýchlosti zhorší opotrebovanie boku. Geometria nástroja a materiály majú významný vplyv na obrobený povrch, tvorbu triesky, reznú silu a opotrebovanie nástroja.
4 Metódy spracovania
Sústruženie
Sústruženie je najpoužívanejšia metóda a najzákladnejšia metóda pri spracovaní CFRP a je zvyčajne vhodná na dosiahnutie vopred stanovených tolerancií na valcových plochách. Hlavnými materiálmi nástrojov vhodných na sústruženie sú: slinutý karbid alebo keramika a polykryštalický diamant. Rýchlosť posuvu, hĺbka rezu a rýchlosť rezu v procese spracovania ovplyvnia kvalitu povrchu hotového obrobku a stupeň poškodenia nástroja, čo je tiež cieľový smer pre technickú optimalizáciu.
Sústruženie
Frézovanie
Frézovanie je zvyčajne spôsob spracovania na opätovné spracovanie hotových obrobkov, ktorý si vyžaduje vysokú presnosť spracovania a proces opravného frézovania zložitých obrobkov po hrubom spracovaní. Počas procesu obrábania musia čelná fréza a CFRP tiež vzájomne pôsobiť komplexným spôsobom, čo vedie k nenarezaným vláknitým priadzam a delaminácii v CFRP obrobku. S cieľom znížiť a vyhnúť sa podobným defektom, pokiaľ sú rezná sila a veľkosť axiálnej delaminácie a otrepov nestrihanej priadze vedecky predpovedané v počiatočnom štádiu obrábania a sú kontrolované nastavenia parametrov procesu obrábania, generovanie otrepov a otrepy sa účinne znížia.
Hlavné parametre procesu, ako je orientácia vlákna, axiálne a tangenciálne rýchlosti posuvu a rezné rýchlosti, budú mať významný vplyv na drsnosť povrchu obrobku. Technické požiadavky na frézovanie: Opakovane experimentujte s orientáciou vlákna, axiálnou a tangenciálnou rýchlosťou posuvu, formujte optimálne parametre a vykonávajte frézovanie.
Fréza na obrábanie CFRP
Vŕtanie
Obrobok vyžaduje vŕtanie pri skrutkovaní alebo nitovaní. Stále existujú určité problémy v procese vŕtania CFRP: delaminácia materiálu, silné opotrebovanie nástroja a problémy s kvalitou vnútornej steny otvoru. Podľa experimentálnej analýzy majú na vyššie uvedené problémy významný vplyv nastavené rezné parametre, geometria vrtákov a kvalita rezu. Pomer maximálneho priemeru poškodenej oblasti k otvoru sa zvyčajne nazýva faktor poškodenia, ktorý tiež udáva stupeň delaminácie. Čím väčší je delaminačný faktor, tým závažnejší je problém delaminácie.
Pomocou experimentov sa dá odvodiť, že javy ťahu a delaminácie v procese rezania tiež navzájom súvisia a veľkosť prítlačnej sily môže tiež naznačovať stupeň delaminácie. Na základe rovnakého vŕtacieho materiálu, na rozdiel od iných metód spracovania, rýchlosť rezania pri spracovaní vŕtania nebude mať veľký vplyv na reznú silu.
Pri rovnakých rezných parametroch v porovnaní so špirálovými vrtákmi majú parametre menší vplyv na delamináciu kompozitných špeciálnych vrtákov. Pre vrtáky so špeciálnymi geometrickými vlastnosťami môže väčšia rýchlosť posuvu a priemer vrtáka znížiť delamináciu a rezná sila vŕtaných otvorov s rôznymi pomermi priemerov sa zvýši so znížením pomeru priemerov a zvýši sa so zvýšením rýchlosti posuvu.
Vrtáky na spracovanie CFRP
Brúsenie
Zvyčajne v oblasti stavby lodí a leteckého priemyslu sú požiadavky na kvalitu CFRP obrobkov prísnejšie. Vyžaduje sa, aby presnosť a kvalita obrobkov bola vykonávaná vyššími metódami spracovania a konštrukčný proces spracovania brúsením práve spĺňa jeho výrobné požiadavky. Požiadavky na presnosť brúsenia dielov sú veľmi prísne a pre obrobky, ktoré boli opracované nahrubo, sa vyžaduje jemné brúsenie.
Brúsenie CFRP je oveľa ťažšie a komplikovanejšie ako kov. Domáci a zahraniční vedci tiež vykonali relevantný výskum a navrhli brúsny kotúč v tvare pohára, ktorý vo vnútri poskytuje chladivo na mletie CFRP. Porovnali sa tri spôsoby spracovania brúsenie za sucha, brúsenie vonkajšieho chladiva a brúsenie vnútorného chladiva. Výsledky ukázali, že počas procesu vnútorného brúsenia chladiacej kvapaliny sa matricová živica pripojená k brúsnemu kotúču výrazne znížila a abrazívne častice v brúsnom kotúči môžu brúsiť vlákno efektívnejšie bez delaminácie alebo otrepov na povrchu materiálu. Tento spôsob dodávania chladiacej kvapaliny vo vnútri brúsneho kotúča vykazuje silnejší chladiaci účinok, ktorý môže výrazne znížiť teplotu brúsenia a prispieva k odvádzaniu triesok.
Brúsenie
Technológia spracovania ultrazvukových vibrácií
Mechanizmus spracovania ultrazvukových vibrácií je založený na relatívnom pohybe nástroja a obrobku počas tradičného procesu spracovania a potom sa na oba aplikuje určitá ultrazvuková vibrácia, aby sa vyrobil kompozitný materiál s lepším výkonom. Táto technológia je optimalizáciou a pomocníkom tradičnej technológie. V porovnaní s tradičnými metódami spracovania je technológia pokročilejšia, kvalita povrchu hotového obrobku je jemnejšia a fenomén trhlín je tiež znížený, čo šetrí náklady na spracovanie. Náročnosť spracovania kompozitných materiálov vystužených CFRP je účinne znížená. Aplikácia ultrazvuku úplne zlepšila mechanizmus odstraňovania materiálu, znížila trenie medzi nástrojom a obrobkom, skrátila čas spracovania nástroja, zvýšila silu nástroja, zlepšila účinnosť spracovania, znížila opotrebenie nástroja a zvýšila presnosť a kvalitu spracovania obrobku. pokročilejší. Ide hlavne o ultrazvukové vibračné vŕtanie, ultrazvukové vibračné brúsenie, ultrazvukové vibračné frézovanie a ultrazvukové vibračné rezanie.
Rezanie s pomocou ultrazvuku
(1) Ultrazvukové vibračné vŕtanie
Ultrazvukové vibračné vŕtanie je netradičná metóda spracovania s veľkým rozvojovým potenciálom v efektívnom vŕtaní kompozitných materiálov. Medzi jeho hlavné výhody patrí: zníženie reznej sily a krútiaceho momentu; zlepšenie kvality povrchu spracovania, zníženie otrepov; vyhýbanie sa stratifikácii atď.
Niektorí vedci študovali použitie diamantových brúsiv na rotačné ultrazvukové vibračné vŕtanie CFRP. Rotačné ultrazvukové vŕtanie je znázornené na obrázku 3. Analýza mechanizmu CFRP ukazuje, že mechanizmus úberu materiálu CFRP je vhodnejší pre krehké lomy ako pre plastickú deformáciu. Vytvorí sa model reznej sily na predpovedanie vzťahu medzi parametrami spracovania a prostredím spracovania na reznej sile a presnosť mechanického modelu sa overí experimentmi.
(2) Ultrazvukové vibračné brúsenie
Ultrazvukové vibračné brúsenie kombinuje mechanizmus úberu materiálu diamantového brúsenia a technológiu kompozitného brúsenia s vlastnosťami ultrazvukového spracovania. Jeho hlavné výhody sú: môže vyvolať efekt zníženia reznej sily a stenčenia triesok; zlepšiť presnosť povrchu a tvarovú presnosť obrobku; zvýšiť rýchlosť úberu materiálu a predĺžiť životnosť nástroja; zvýšiť kritickú hĺbku rezu pre prechod medzi krehkými a tvárnymi oblasťami a realizovať spracovanie krehkých materiálov s tvárnou oblasťou.