Hlavní principy a metody zpracování kompozitních materiálů z uhlíkových vláken
S hledáním lehkých materiálů a vynikajícím výkonem v různých průmyslových odvětvích se aplikace uhlíkových vláken a jejich kompozitních materiálů stává stále širší. Hlavním důvodem nedostatku aplikace ve velkém měřítku jsou náklady a efektivita výroby. Náklady jsou především náklady na materiál a náklady na zpracování dávkového lisování. Jak vyrábět vysoce kvalitní, levné kompozitní materiály z uhlíkových vláken ve velkém množství s vysokou rychlostí a vysokou účinností, aby se snížilo plýtvání materiálem, se v tomto odvětví stalo konsensem.
1 Potíže při zpracování uhlíkových vláken
Při zpracování kompozitních materiálů vyztužených uhlíkovými vlákny (CFRP) dochází k poměrně složité vnitřní interakci mezi matricí a vláknem, díky čemuž jsou jeho fyzikální vlastnosti velmi odlišné od vlastností kovů. Hustota CFRP je mnohem menší než hustota kovu, zatímco pevnost je větší než u většiny kovů. Kvůli nerovnoměrnosti CFRP dochází během zpracování často k vytahování vláken nebo separaci vláken matrice; CFRP má vysokou tepelnou odolnost a odolnost proti opotřebení, díky čemuž má vyšší požadavky na zařízení během zpracování, protože velké množství řezného tepla generovaného během výrobního procesu způsobuje vážné opotřebení zařízení.
Současně s neustálým rozšiřováním jeho aplikačních oblastí jsou požadavky stále choulostivější a požadavky na použitelnost materiálu a požadavky na kvalitu CFRP jsou stále přísnější, což také způsobuje růst nákladů na zpracování. .
2 Princip zpracování
Orientace vláken
Orientace vláken má významný vliv na interakci mezi CFRP obrobkem a kontaktní plochou nástroje. Tvorba třísky úzce souvisí s orientací vláken. Zlomení CFRP obrobku a kontaktní plochy nástroje je způsobeno tlakem vyvíjeným hrotem nástroje. Existují tři řezací mechanismy z hlediska různých orientací vláken:
(1) Lom vlákna je ve směru kontaktního povrchu vlákna a matrice, to znamená, že orientace vlákna je 0 stupně.
(2) Směr střihu nástroje je kolmý k ose vlákna a orientace vlákna je 75 stupňů.
(3) Orientace vlákna je 90 stupňů nebo dokonce záporný úhel. Úhly směru vlákna 30 stupňů, 60 stupňů a 90 stupňů jsou nejkritičtější směry. Způsobí velké řezné síly, soustředěné opotřebení a poškození obrobku. Zvýšením hodnoty úhlu hřbetu nástroje lze účinně snížit posuv posuvu.
Řezné teplo
Proces řezání CFRP je komplexní proces lámání uhlíkových vláken a odstraňování materiálu matrice. Tření mezi obrobkem a řezným nástrojem zvyšuje teplotu a dokonce způsobuje měknutí nebo rozklad nástroje při vysoké teplotě. CFRP má špatnou tepelnou vodivost, takže je zakázáno používat během procesu řezání chladicí kapalinu, díky které se generované řezné teplo nemůže rychle rozptýlit a teplo se přenáší do řezného nástroje, což zhoršuje opotřebení řezného zařízení a výrazně snižuje její životnost. Současně se zvyšuje povrchové teplo obrobku, což ovlivňuje povrchové tvarování kompozitního materiálu a snižuje výkonnost kompozitního materiálu při použití.
Výzkum řezného tepla kompozitních materiálů se zaměřuje především na metodu měření řezné teploty. Mnoho vědců doma i v zahraničí používá infračervené teploměry, termokamery nebo vestavěné termočlánky k měření teploty řezání kompozitních materiálů z uhlíkových vláken.
Mechanismus opotřebení nástroje
CFRP je obtížně zpracovatelný materiál především proto, že velmi rychle opotřebovává nástroj. Mechanismus opotřebení nástroje během procesu zpracování je: když je obrobek zpracováván na nástroji, jsou tyto dva povrchy ve velkém kontaktu. Při opracování se vlivem dlouhodobého opotřebení a vibrací občas oddělují tvrdé částice na nástroji a dochází tak k tzv. opotřebení nástroje.
Typy opotřebení lze zhruba rozdělit na poškození a opotřebení nástroje. Podle různých míst opotřebení lze opotřebení rozdělit na opotřebení hrotu nástroje, opotřebení strany nástroje, poškození břitu nástroje a opotřebení břitu.
Existuje mnoho faktorů, které ovlivňují opotřebení nástroje, zejména: parametry zpracování, geometrie nástroje a materiály. V procesu řezání CFRP parametry procesu (jako je řezná rychlost, rychlost posuvu, orientace vláken atd.) výrazně ovlivní opotřebení nástroje. Obecně řečeno, zvýšení řezné rychlosti zhorší opotřebení hřbetu. Geometrie nástroje a materiály mají významný vliv na obrobený povrch, tvorbu třísky, řeznou sílu a opotřebení nástroje.
4 Způsoby zpracování
Otáčení
Soustružení je nejpoužívanější metodou a nejzákladnější metodou při zpracování CFRP a je obvykle vhodné pro dosažení předem stanovených tolerancí na válcových plochách. Hlavní materiály nástrojů vhodných pro soustružení jsou: slinutý karbid nebo keramika a polykrystalický diamant. Rychlost posuvu, hloubka řezu a řezná rychlost v procesu zpracování ovlivní kvalitu povrchu hotového obrobku a stupeň poškození nástroje, což je také cílový směr pro technickou optimalizaci.
Otáčení
Frézování
Frézování je obvykle způsob zpracování pro přepracování hotových obrobků, vyžadující vysokou přesnost zpracování a proces opravného frézování složitých obrobků po hrubém zpracování. Během procesu obrábění musí stopková fréza a CFRP také komplexně interagovat, což má za následek nenařezané vláknité příze a delaminaci v CFRP obrobku. Aby se omezily a vyhnuly podobným defektům, pokud jsou řezná síla a velikost axiální delaminace a otřepů neoříznuté vláknité příze vědecky předpovězeny v rané fázi obrábění a nastavení parametrů obráběcího procesu je kontrolováno, generování otřepů a otřepy budou účinně redukovány.
Hlavní parametry procesu, jako je orientace vláken, axiální a tangenciální rychlosti posuvu a řezné rychlosti, budou mít významný vliv na drsnost povrchu obrobku. Technické požadavky na frézování: Opakovaně experimentujte s orientací vláken, axiálními a tangenciálními rychlostmi posuvu, tvarujte optimální parametry a provádějte frézování.
Fréza pro obrábění CFRP
Vrtání
Při šroubování nebo nýtování vyžaduje obrobek vrtací operace. V procesu vrtání CFRP stále existují určité problémy: delaminace materiálu, silné opotřebení nástroje a problémy s kvalitou vnitřní stěny otvoru. Nastavené řezné parametry, geometrie vrtáku a kvalita řezu mají podle experimentální analýzy významný vliv na výše uvedené problémy. Poměr maximálního průměru poškozené oblasti k otvoru se obvykle nazývá faktor poškození, který také udává stupeň delaminace. Čím větší je faktor delaminace, tím závažnější je problém delaminace.
Prostřednictvím experimentů lze usuzovat, že jevy tahu a delaminace v procesu řezání spolu také souvisí a velikost přítlačné síly může také udávat stupeň delaminace. Na základě stejného vrtného materiálu, na rozdíl od jiných metod zpracování, nebude mít řezná rychlost při zpracování vrtání velký vliv na řeznou sílu.
Při stejných řezných parametrech ve srovnání se spirálovými vrtáky mají parametry menší vliv na delaminaci kompozitních speciálních vrtáků. U vrtáků se speciálními geometrickými vlastnostmi může větší rychlost posuvu a průměr vrtáku snížit delaminaci a řezná síla vrtaných otvorů s různými poměry průměrů se zvýší se snížením poměru průměrů a zvýší se se zvýšením rychlosti posuvu.
Vrtáky pro zpracování CFRP
Broušení
Obvykle v oblasti stavby lodí a leteckého průmyslu jsou požadavky na kvalitu obrobků z CFRP přísnější. Přesnost a kvalita obrobků musí být prováděna vyššími metodami zpracování a konstrukční proces zpracování broušením odpovídá jeho výrobním požadavkům. Požadavky na přesnost broušení dílů jsou velmi přísné a u obrobků, které byly opracovány nahrubo, je vyžadováno jemné broušení.
Broušení CFRP je mnohem obtížnější a komplikovanější než kov. Domácí a zahraniční vědci také provedli relevantní výzkum a navrhli brusný kotouč ve tvaru misky, který uvnitř poskytuje chladicí kapalinu pro mletí CFRP. Byly porovnány tři způsoby zpracování broušení za sucha, broušení vnějšího chladiva a broušení vnitřního chladiva. Výsledky ukázaly, že během procesu vnitřního broušení chladicí kapaliny se výrazně snížila matricová pryskyřice připojená k brusnému kotouči a abrazivní částice v brusném kotouči mohou účinněji brousit vlákno bez delaminace nebo otřepů na povrchu materiálu. Tento způsob přivádění chladicí kapaliny uvnitř brusného kotouče vykazuje silnější chladicí účinek, který může výrazně snížit teplotu broušení a přispívá k odvodu třísek.
Broušení
Technologie zpracování ultrazvukových vibrací
Mechanismus zpracování ultrazvukových vibrací je založen na relativním pohybu nástroje a obrobku během tradičního procesu zpracování a poté se na oba aplikuje určitá ultrazvuková vibrace, aby se vyrobil kompozitní materiál s lepším výkonem. Tato technologie je optimalizací a pomocníkem tradiční technologie. Ve srovnání s tradičními metodami zpracování je technologie pokročilejší, kvalita povrchu hotového obrobku je jemnější a jev trhlin je také snížen, což šetří náklady na zpracování. Obtížnost zpracování kompozitních materiálů vyztužených CFRP je účinně snížena. Aplikace ultrazvuku zcela zlepšila mechanismus odstraňování materiálu, snížila tření mezi nástrojem a obrobkem, zkrátila dobu zpracování nástroje, zvýšila sílu nástroje, zlepšila efektivitu zpracování, snížila opotřebení nástroje a zvýšila přesnost a kvalitu zpracování obrobku. pokročilejší. Jedná se především o ultrazvukové vibrační vrtání, ultrazvukové vibrační broušení, ultrazvukové vibrační frézování a ultrazvukové vibrační řezání.
Řezání za pomoci ultrazvuku
(1) Ultrazvukové vibrační vrtání
Ultrazvukové vibrační vrtání je netradiční metoda zpracování s velkým potenciálem rozvoje v efektivním vrtání kompozitních materiálů. Mezi jeho hlavní výhody patří: snížení řezné síly a točivého momentu; zlepšení kvality povrchu zpracování, snížení otřepů; vyhnout se stratifikaci atd.
Někteří učenci studovali použití diamantových brusiv pro rotační ultrazvukové vibrační vrtání CFRP. Rotační ultrazvukové vrtání je znázorněno na obrázku 3. Analýza mechanismu CFRP ukazuje, že mechanismus úběru materiálu CFRP je vhodnější pro křehký lom než pro plastickou deformaci. Je vytvořen model řezné síly pro předpovídání vztahu mezi parametry zpracování a procesním prostředím na řezné síle a přesnost mechanického modelu je ověřena experimenty.
(2) Ultrazvukové vibrační broušení
Ultrazvukové vibrační broušení kombinuje mechanismus úběru materiálu diamantového broušení a technologii broušení kompozitů s vlastnostmi ultrazvukového zpracování. Jeho hlavní výhody jsou: může vyvolat efekt snížení řezné síly a ztenčení třísky; zlepšit přesnost povrchu a tvarovou přesnost obrobku; zvýšit rychlost úběru materiálu a prodloužit životnost nástroje; zvýšit kritickou hloubku řezu pro přechod mezi křehkými a tvárnými oblastmi a realizovat zpracování křehkých materiálů v tvárné oblasti.