Glavni principi in metode obdelave kompozitnih materialov iz ogljikovih vlaken
Z iskanjem lahkih materialov in odlične zmogljivosti v različnih panogah postaja uporaba ogljikovih vlaken in njihovih kompozitnih materialov vedno bolj obsežna. Glavni razlog za pomanjkanje obsežne uporabe so stroški in učinkovitost proizvodnje. Stroški so predvsem stroški materiala in stroški obdelave serijskega oblikovanja. Kako proizvesti visokokakovostne in poceni kompozitne materiale iz ogljikovih vlaken v velikih količinah z visoko hitrostjo in visoko učinkovitostjo za zmanjšanje materialnih odpadkov je postalo konsenz v industriji.
1 Težave pri obdelavi ogljikovih vlaken
Med obdelavo kompozitnih materialov, ojačenih z ogljikovimi vlakni (CFRP), obstaja razmeroma zapletena notranja interakcija med matriko in vlakni, zaradi česar se njegove fizikalne lastnosti zelo razlikujejo od lastnosti kovin. Gostota CFRP je veliko manjša od gostote kovine, medtem ko je trdnost večja kot pri večini kovin. Zaradi neenakomernosti CFRP med obdelavo pogosto pride do izvleka vlaken ali ločevanja matričnih vlaken; CFRP ima visoko toplotno odpornost in odpornost proti obrabi, zaradi česar ima višje zahteve za opremo med obdelavo, saj velika količina rezalne toplote, ki nastane med proizvodnim procesom, povzroči resno obrabo opreme.
Hkrati z nenehnim širjenjem področij uporabe postajajo zahteve vse bolj občutljive, zahteve glede uporabnosti materiala in zahteve glede kakovosti za CFRP pa vse strožje, kar povzroča tudi višanje stroškov obdelave. .
2 Načelo obdelave
Usmerjenost vlaken
Usmerjenost vlaken pomembno vpliva na interakcijo med CFRP obdelovancem in kontaktno površino orodja. Nastajanje odrezkov je tesno povezano z orientacijo vlaken. Zlom obdelovanca CFRP in kontaktne površine orodja povzroči pritisk konice orodja. Obstajajo trije rezalni mehanizmi glede na različne usmeritve vlaken:
(1) Zlom vlakna je vzdolž smeri kontaktne površine vlakna in matrice, kar pomeni, da je usmerjenost vlakna 0 stopinj.
(2) Smer striženja orodja je pravokotna na os vlaken, usmerjenost vlaken pa je 75 stopinj.
(3) Usmerjenost vlaken je 90 stopinj ali celo negativen kot. Koti smeri vlaken 30 stopinj, 60 stopinj in 90 stopinj so najbolj kritične smeri. Povzročile bodo velike rezalne sile, koncentrirano obrabo in poškodbe obdelovanca. S povečanjem vrednosti povratnega kota orodja se lahko učinkovito zmanjša potisk.
Rezanje toplote
Postopek rezanja CFRP je zapleten postopek loma ogljikovih vlaken in odstranjevanja matričnega materiala. Trenje med obdelovancem in rezalnim orodjem poveča temperaturo in celo povzroči, da se orodje pri visoki temperaturi zmehča ali razgradi. CFRP ima slabo toplotno prevodnost, zato je med postopkom rezanja prepovedana uporaba hladilne tekočine, zaradi česar se ustvarjena rezalna toplota ne more hitro razpršiti in se toplota prenese na rezalno orodje, kar poveča obrabo rezalne opreme in močno zmanjša njegovo življenjsko dobo. Hkrati se površinska toplota obdelovanca poslabša, kar vpliva na oblikovanje površine kompozitnega materiala in zmanjša učinkovitost kompozitnega materiala v uporabi.
Raziskave rezalne toplote kompozitnih materialov se osredotočajo predvsem na metodo merjenja rezalne temperature. Številni znanstveniki doma in v tujini uporabljajo infrardeče termometre, termične slike ali vgrajene termočlene za merjenje temperature rezanja kompozitnih materialov iz ogljikovih vlaken.
Mehanizem obrabe orodja
CFRP je material, ki ga je težko obdelati, predvsem zato, ker zelo hitro obrabi orodje. Mehanizem obrabe orodja med procesom obdelave je: ko se obdelovanec obdeluje na orodju, sta obe površini v velikem stiku. Med obdelavo zaradi dolgotrajne obrabe in tresljajev pride do občasnih odstopov trdih delcev na orodju in tako nastane ti obraba orodja.
Vrste obrabe lahko v grobem razdelimo na poškodbe orodja in obrabo. Glede na različne lokacije obrabe lahko obrabo razdelimo na obrabo konice orodja, obrabo na strani orodja, poškodbe robov orodja in obrabo robov.
Obstaja veliko dejavnikov, ki vplivajo na obrabo orodij, predvsem pa vključujejo: parametre obdelave, geometrijo orodja in materiale. V postopku rezanja CFRP bodo parametri postopka (kot so rezalna hitrost, podajalna hitrost, orientacija vlaken itd.) pomembno vplivali na obrabo orodja. Na splošno bo povečanje hitrosti rezanja poslabšalo obrabo bokov. Geometrija orodja in materiali pomembno vplivajo na obdelano površino, nastajanje odrezkov, rezalno silo in obrabo orodja.
4 Metode obdelave
Obračanje
Struženje je najpogosteje uporabljena metoda in najosnovnejša metoda pri obdelavi CFRP in je običajno primerna za doseganje vnaprej določenih toleranc na cilindričnih površinah. Glavni materiali orodij, primernih za struženje, so: karbid ali keramika in polikristalni diamant. Hitrost podajanja, globina reza in hitrost reza v procesu obdelave bodo vplivali na kakovost površine končnega obdelovanca in stopnjo poškodbe orodja, kar je tudi ciljna usmeritev tehnične optimizacije.
Obračanje
Rezkanje
Rezkanje je običajno metoda obdelave za ponovno obdelavo končnih obdelovancev, ki zahteva visoko natančnost obdelave, in postopek rezkanja za popravilo kompleksnih obdelovancev po grobi obdelavi. Med postopkom strojne obdelave morata čelni rezkar in CFRP medsebojno delovati na kompleksen način, kar ima za posledico nerazrezane vlaknene preje in razslojevanje v obdelovancu CFRP. Da bi zmanjšali in se izognili podobnim napakam, dokler so rezalna sila in obseg aksialne razslojenosti in zarez nerazrezanih vlaken preje znanstveno predvideni v zgodnji fazi strojne obdelave in so nastavitve parametrov obdelovalnega procesa nadzorovane, nastajanje zarez in robovi se bodo učinkovito zmanjšali.
Glavni procesni parametri, kot so orientacija vlaken, aksialne in tangencialne podajalne hitrosti ter rezalne hitrosti, bodo pomembno vplivali na hrapavost površine obdelovanca. Tehnične zahteve za rezkanje: Večkrat eksperimentirajte z orientacijo vlaken, aksialnimi in tangencialnimi podajalnimi hitrostmi, oblikujte optimalne parametre in izvajajte rezkanje.
Rezkalo za obdelavo CFRP
Vrtanje
Obdelovanec zahteva vrtanje pri montaži vijakov ali zakovic. Še vedno obstajajo določene težave v procesu vrtanja CFRP: razslojevanje materiala, močna obraba orodja in težave s kakovostjo notranje stene vrtine. Po eksperimentalni analizi imajo nastavljeni rezalni parametri, geometrija svedra in kakovost rezanja pomemben vpliv na zgoraj navedene težave. Razmerje med največjim premerom poškodovanega območja in odprtino običajno imenujemo faktor poškodbe, ki označuje tudi stopnjo delaminacije. Večji ko je faktor razslojevanja, resnejši je problem razslojevanja.
S poskusi je mogoče sklepati, da sta pojava potiska in razslojevanja v procesu rezanja medsebojno povezana, velikost potisne sile pa lahko kaže tudi na stopnjo razslojevanja. Glede na isti material za vrtanje, za razliko od drugih metod obdelave, hitrost rezanja pri obdelavi vrtanja ne bo imela velikega vpliva na rezalno silo.
Pri enakih rezalnih parametrih imajo v primerjavi s spiralnimi svedri parametri manjši vpliv na razslojevanje kompozitnih specialnih svedrov. Pri svedrih s posebnimi geometrijskimi značilnostmi lahko večji pomik in premer svedra zmanjšata razslojevanje, rezalna sila vrtalnih lukenj z različnimi razmerji premerov pa se bo povečala z zmanjšanjem razmerja premera in povečala s povečanjem pomika.
Svedri za obdelavo CFRP
Brušenje
Običajno so na področju ladjedelništva in vesoljske industrije zahteve glede kakovosti za CFRP obdelovance strožje. Natančnost in kakovost obdelovancev je treba izvajati z višjimi metodami obdelave, konstrukcijski proces obdelave brušenja pa samo izpolnjuje svoje proizvodne zahteve. Zahteve glede natančnosti za brušenje delov so zelo stroge, fino brušenje pa je potrebno za obdelovance, ki so bili grobo obdelani.
Brušenje CFRP je veliko težje in zapleteno kot kovina. Domači in tuji znanstveniki so opravili tudi ustrezne raziskave in zasnovali čašasto brusno ploščo, ki v notranjosti zagotavlja hladilno tekočino za mletje CFRP. Primerjali smo tri metode obdelave: suho brušenje, zunanje brušenje s hladilno tekočino in notranje brušenje s hladilno tekočino. Rezultati so pokazali, da se je med postopkom notranjega brušenja s hladilno tekočino matrična smola, pritrjena na brusilno ploščo, znatno zmanjšala, abrazivni delci v brusilni plošči pa lahko učinkoviteje brusijo vlakno brez razslojevanja ali robčkov na površini materiala. Ta metoda zagotavljanja hladilne tekočine v notranjosti brusa kaže močnejši učinek hlajenja, kar lahko znatno zniža temperaturo brušenja in prispeva k odvajanju ostružkov.
Brušenje
Ultrazvočna tehnologija obdelave vibracij
Mehanizem obdelave z ultrazvočnimi vibracijami temelji na relativnem gibanju orodja in obdelovanca med tradicionalnim postopkom obdelave, nato pa se na oba uporabi določena ultrazvočna vibracija, da se proizvede kompozitni material z boljšimi zmogljivostmi. Ta tehnologija je optimizacija in pomožna tradicionalna tehnologija. V primerjavi s tradicionalnimi metodami obdelave je tehnologija naprednejša, kakovost površine končnega obdelovanca je bolj občutljiva, pojav razpok pa je tudi zmanjšan, kar prihrani stroške obdelave. Težavnost obdelave kompozitnih materialov, ojačanih s CFRP, je učinkovito zmanjšana. Uporaba ultrazvoka je popolnoma izboljšala mehanizem za odstranjevanje materiala, zmanjšala trenje med orodjem in obdelovancem, skrajšala čas obdelave orodja, povečala silo orodja, izboljšala učinkovitost obdelave, zmanjšala obrabo orodja ter naredila obdelavo obdelovanca natančno in kakovostno. bolj napreden. Obstaja predvsem ultrazvočno vibracijsko vrtanje, ultrazvočno vibracijsko brušenje, ultrazvočno vibracijsko rezkanje in ultrazvočno vibracijsko rezanje.
Rezanje s pomočjo ultrazvoka
(1) Ultrazvočno vibracijsko vrtanje
Ultrazvočno vibracijsko vrtanje je netradicionalna metoda obdelave z velikim razvojnim potencialom pri učinkovitem vrtanju kompozitnih materialov. Njegove glavne prednosti vključujejo: zmanjšanje rezalne sile in navora; izboljšanje kakovosti obdelave površine, zmanjšanje robov; izogibanje stratifikaciji itd.
Nekateri znanstveniki so preučevali uporabo diamantnih abrazivov za vrtenje CFRP z ultrazvočnimi vibracijami. Vrtljivo ultrazvočno vrtanje je prikazano na sliki 3. Analiza mehanizma CFRP kaže, da je mehanizem za odstranjevanje materiala CFRP bolj primeren za krhek lom kot za plastično deformacijo. Vzpostavljen je model rezalne sile za napovedovanje razmerja med obdelovalnimi parametri in obdelovalnim okoljem glede rezalne sile, natančnost mehanskega modela pa je preverjena s poskusi.
(2) Brušenje z ultrazvočnimi vibracijami
Ultrazvočno vibracijsko brušenje združuje mehanizem za odstranjevanje materiala diamantnega brušenja in tehnologijo kompozitnega brušenja z ultrazvočnimi lastnostmi obdelave. Njegove glavne prednosti so: lahko povzroči učinek zmanjšanja rezalne sile in redčenja odrezkov; izboljšati natančnost površine in natančnost oblike obdelovanca; povečati hitrost odstranjevanja materiala in podaljšati življenjsko dobo orodja; povečajte kritično globino rezanja za prehod med krhkimi in duktilnimi domenami ter uresničite obdelavo duktilne domene krhkih materialov.
