Principalele principii și metode de prelucrare a materialelor compozite din fibră de carbon
Odată cu căutarea materialelor ușoare și a performanței excelente în diverse industrii, aplicarea fibrei de carbon și a materialelor sale compozite devine din ce în ce mai extinsă. Principalul motiv al lipsei de aplicare pe scară largă este costul și eficiența producției. Costul este în principal costul materialului și costul procesării loturilor de turnare. Cum să produci materiale compozite din fibră de carbon de înaltă calitate, la costuri reduse, în cantități mari, cu viteză mare și eficiență ridicată pentru a reduce risipa de materiale a devenit un consens în industrie.
1 Dificultăți în prelucrarea fibrei de carbon
În timpul prelucrării materialelor compozite armate cu fibră de carbon (CFRP), există o interacțiune internă relativ complexă între matrice și fibră, ceea ce face ca proprietățile sale fizice să fie foarte diferite de cele ale metalelor. Densitatea CFRP este mult mai mică decât cea a metalului, în timp ce rezistența este mai mare decât cea a majorității metalelor. Datorită neuniformității CFRP, desprinderea fibrelor sau separarea fibrelor matricei are loc adesea în timpul procesării; CFRP are rezistență ridicată la căldură și rezistență la uzură, ceea ce îl face să aibă cerințe mai mari pentru echipamente în timpul procesării, deoarece o cantitate mare de căldură de tăiere generată în timpul procesului de producție provoacă uzură gravă a echipamentului.
În același timp, odată cu extinderea continuă a domeniilor sale de aplicare, cerințele devin din ce în ce mai delicate, iar cerințele de aplicabilitate a materialelor și cerințele de calitate pentru CFRP devin din ce în ce mai stricte, ceea ce determină și creșterea costului de prelucrare. .
2 Principiul procesării
Orientarea fibrelor
Orientarea fibrelor are un impact semnificativ asupra interacțiunii dintre piesa de prelucrat CFRP și suprafața de contact a sculei. Formarea așchiilor este strâns legată de orientarea fibrelor. Ruptura piesei de prelucrat CFRP și a suprafeței de contact a sculei este cauzată de presiunea aplicată de vârful sculei. Există trei mecanisme de tăiere în ceea ce privește diferitele orientări ale fibrelor:
(1) Ruptura fibrei este de-a lungul direcției suprafeței de contact dintre fibre și matrice, adică orientarea fibrei este de 0 grade .
(2) Direcția de forfecare a sculei este perpendiculară pe axa fibrei, iar orientarea fibrei este de 75 de grade.
(3) Orientarea fibrei este de 90 de grade sau chiar unghi negativ. Unghiurile de direcție ale fibrei de 30 de grade, 60 de grade și 90 de grade sunt direcțiile cele mai critice. Acestea vor cauza forțe mari de tăiere, uzură concentrată și deteriorarea piesei de prelucrat. Prin creșterea valorii unghiului înapoi a sculei, forța de avans poate fi redusă eficient.
Căldura de tăiere
Procesul de tăiere a CFRP este un proces complex de rupere a fibrei de carbon și îndepărtarea materialului matricei. Frecarea dintre piesa de prelucrat și unealta de tăiere crește temperatura și chiar face ca unealta să se înmoaie sau să se descompună la temperatură ridicată. CFRP are o conductivitate termică slabă, de aceea este interzisă utilizarea lichidului de răcire în timpul procesului de tăiere, ceea ce face ca căldura de tăiere generată să nu se poată disipa rapid, iar căldura este transferată către unealta de tăiere, ceea ce agravează uzura echipamentului de tăiere și reduce foarte mult durata de viață a acestuia. În același timp, căldura de suprafață a piesei de prelucrat este agravată, ceea ce afectează formarea suprafeței materialului compozit și reduce performanța materialului compozit în utilizare.
Cercetările privind căldura de tăiere a materialelor compozite se concentrează în principal pe metoda de măsurare a temperaturii de tăiere. Mulți savanți din țară și din străinătate folosesc termometre cu infraroșu, camere termice sau termocupluri încorporate pentru a măsura temperatura de tăiere a materialelor compozite din fibră de carbon.
Mecanism de uzură a sculei
CFRP este un material greu de prelucrat, în principal pentru că uzează instrumentul foarte repede. Mecanismul de uzură al sculei în timpul procesului de prelucrare este: atunci când piesa de prelucrat este prelucrată pe unealtă, cele două suprafețe sunt în contact mare. În timpul prelucrării, uzura și vibrațiile pe termen lung fac ca particulele dure de pe unealtă să se desprindă ocazional, formând astfel așa-numita uzură a sculei.
Tipurile de uzură pot fi împărțite aproximativ în deteriorarea sculei și uzură. În funcție de diferitele locații de uzură, uzura poate fi împărțită în uzura vârfului sculei, uzura laterală a sculei, deteriorarea marginii sculei și uzura marginilor.
Există mulți factori care afectează uzura sculei, incluzând în principal: parametrii de prelucrare, geometria sculei și materialele. În procesul de tăiere CFRP, parametrii procesului (cum ar fi viteza de tăiere, viteza de avans, orientarea fibrelor etc.) vor afecta semnificativ uzura sculei. În general, o creștere a vitezei de tăiere va agrava uzura flancurilor. Geometria sculei și materialele au un impact semnificativ asupra suprafeței prelucrate, formării așchiilor, forței de tăiere și uzurii sculei.
4 Metode de prelucrare
Cotitură
Strunjirea este metoda cea mai utilizată și cea mai de bază în prelucrarea CFRP și este de obicei potrivită pentru atingerea unor toleranțe predeterminate pe suprafețe cilindrice. Principalele materiale ale sculelor potrivite pentru strunjire sunt: carbura cimentata sau ceramica si diamantul policristalin. Viteza de avans, adâncimea de tăiere și viteza de tăiere în procesul de prelucrare vor afecta calitatea suprafeței piesei finite și gradul de deteriorare a sculei, care este, de asemenea, direcția țintă pentru optimizarea tehnică.
Cotitură
Frezare
Frezarea este de obicei o metodă de prelucrare pentru reprocesarea pieselor de prelucrat finite, care necesită o precizie ridicată de prelucrare și un proces de frezare de reparații pentru piesele de prelucrat complexe după prelucrare brută. În timpul procesului de prelucrare, freza și CFRP trebuie, de asemenea, să interacționeze într-un mod complex, rezultând fire de fibre netăiate și delaminare în piesa de prelucrat CFRP. Pentru a reduce și a evita defecte similare, atâta timp cât forța de tăiere și amploarea delaminării axiale și a bavurilor de fire de fibre netăiate sunt prezise științific în stadiul incipient al prelucrării, iar setările parametrilor procesului de prelucrare sunt controlate, generarea de bavuri. iar bavurile vor fi reduse efectiv.
Principalii parametri ai procesului, cum ar fi orientarea fibrelor, vitezele de avans axiale și tangențiale și vitezele de tăiere, vor avea un impact semnificativ asupra rugozității suprafeței piesei de prelucrat. Cerințe tehnice pentru frezare: Experimentați în mod repetat cu orientarea fibrelor, vitezele de avans axiale și tangențiale, formați parametri optimi și efectuați frezarea.
Freză pentru prelucrare CFRP
Foraj
Piesa de prelucrat necesită operații de găurire atunci când se montează șuruburi sau nituri. Există încă anumite probleme în procesul de găurire CFRP: delaminarea materialului, uzura gravă a sculei și probleme de calitate ale peretelui interior al găurii. Conform analizei experimentale, parametrii de tăiere stabiliți, geometria forajului și calitatea tăierii au un impact semnificativ asupra problemelor de mai sus. Raportul dintre diametrul maxim al zonei deteriorate și deschiderea se numește de obicei factor de deteriorare, care indică și gradul de delaminare. Cu cât factorul de delaminare este mai mare, cu atât problema de delaminare este mai gravă.
Prin experimente, se poate deduce că fenomenele de împingere și delaminare în procesul de tăiere sunt, de asemenea, legate între ele, iar mărimea forței de împingere poate indica și gradul de delaminare. Pe baza aceluiași material de foraj, spre deosebire de alte metode de prelucrare, rata de tăiere în prelucrarea de foraj nu va avea un impact mare asupra forței de tăiere.
Sub aceiași parametri de tăiere, în comparație cu burghiele elicoidale, parametrii au un impact mai mic asupra delaminarii burghiilor speciale din compozit. Pentru burghiele cu caracteristici geometrice speciale, o viteză de avans și un diametru de burghiu mai mari pot reduce delaminarea, iar forța de tăiere a găurilor de foraj cu rapoarte diferite de diametru va crește odată cu scăderea raportului de diametru și va crește odată cu creșterea vitezei de avans.
Burghie pentru prelucrarea CFRP
Măcinare
De obicei, în domeniile construcțiilor navale și industriei aerospațiale, cerințele de calitate pentru piesele de prelucrat CFRP sunt mai stricte. Precizia și calitatea pieselor de prelucrat trebuie să fie efectuate în conformitate cu metode de prelucrare mai înalte, iar procesul de construcție al procesării de măcinare îndeplinește doar cerințele sale de fabricație. Cerințele de precizie pentru șlefuirea pieselor sunt foarte stricte și este necesară șlefuirea fină pentru piesele de prelucrat care au fost prelucrate brut.
Măcinarea CFRP este mult mai dificilă și mai complicată decât metalul. Cercetătorii autohtoni și străini au efectuat, de asemenea, cercetări relevante și au proiectat o roată de șlefuit în formă de cupă, care furnizează lichid de răcire în interior pentru a măcina CFRP. Au fost comparate cele trei metode de prelucrare de măcinare uscată, măcinare externă cu lichid de răcire și măcinare internă a lichidului de răcire. Rezultatele au arătat că în timpul procesului de măcinare a lichidului de răcire intern, rășina matricei atașată discului de șlefuit a fost redusă semnificativ, iar particulele abrazive din discul de șlefuit pot șlefui mai eficient fibra, fără delaminare sau bavuri pe suprafața materialului. Această metodă de furnizare a lichidului de răcire în interiorul discului de măcinare prezintă un efect de răcire mai puternic, care poate reduce în mod semnificativ temperatura de măcinare și este propice pentru evacuarea așchiilor.
Măcinare
Tehnologia de procesare a vibrațiilor cu ultrasunete
Mecanismul de procesare a vibrațiilor ultrasonice se bazează pe mișcarea relativă a sculei și a piesei de prelucrat în timpul procesului tradițional de prelucrare, iar apoi o anumită vibrație ultrasonică este aplicată ambelor, astfel încât să se producă un material compozit cu performanțe mai bune. Această tehnologie este o optimizare și un auxiliar al tehnologiei tradiționale. În comparație cu metodele tradiționale de prelucrare, tehnologia este mai avansată, calitatea suprafeței piesei finite este mai delicată, iar fenomenul de fisuri este, de asemenea, redus, economisind costurile de prelucrare. Dificultatea de prelucrare a materialelor compozite armate cu CFRP este redusă efectiv. Aplicarea ultrasunetelor a îmbunătățit complet mecanismul de îndepărtare a materialului, a redus frecarea dintre unealtă și piesa de prelucrat, a redus timpul de prelucrare a sculei, a îmbunătățit forța sculei, a îmbunătățit eficiența prelucrării, a redus uzura sculei și a făcut ca piesa de prelucrat să fie precisă și de calitate. mai avansat. Există în principal găurire cu vibrații cu ultrasunete, șlefuire cu vibrații cu ultrasunete, frezare cu vibrații cu ultrasunete și tăiere cu vibrații cu ultrasunete.
Tăiere asistată cu ultrasunete
(1) Foraj cu vibrații cu ultrasunete
Găurirea cu vibrații cu ultrasunete este o metodă de prelucrare netradițională cu un mare potențial de dezvoltare în găurirea eficientă a materialelor compozite. Principalele sale avantaje includ: reducerea forței de tăiere și a cuplului; îmbunătățirea calității suprafeței de prelucrare, reducerea bavurilor; evitarea stratificării etc.
Unii cercetători au studiat utilizarea abrazivelor diamantate pentru a roti găurirea cu vibrații ultrasonice CFRP. Forajul cu ultrasunete rotativ este prezentat în Figura 3. Analiza mecanismului CFRP arată că mecanismul de îndepărtare a materialului CFRP este mai potrivit pentru fractura fragilă, mai degrabă decât deformarea plastică. Se stabilește un model de forță de tăiere pentru a prezice relația dintre parametrii de prelucrare și mediul de prelucrare asupra forței de tăiere, iar acuratețea modelului mecanic este verificată prin experimente.
(2) Slefuire cu vibrații cu ultrasunete
Măcinarea cu vibrații cu ultrasunete combină mecanismul de îndepărtare a materialului de șlefuire cu diamant și tehnologia de șlefuire compozită cu caracteristici de prelucrare cu ultrasunete. Principalele sale avantaje sunt: poate produce efectul de reducere a forței de tăiere și de subțiere a așchiilor; îmbunătățește acuratețea suprafeței și acuratețea formei piesei de prelucrat; crește rata de îndepărtare a materialului și prelungește durata de viață a sculei; crește adâncimea critică de tăiere pentru tranziția dintre domeniile fragile și cele ductile și realizează prelucrarea domeniului ductil al materialelor fragile.