Pagrindiniai anglies pluošto kompozitinių medžiagų apdorojimo principai ir metodai
Siekiant lengvų medžiagų ir puikių rezultatų įvairiose pramonės šakose, anglies pluošto ir jo sudėtinių medžiagų naudojimas tampa vis platesnis. Pagrindinė didelio masto taikymo stokos priežastis yra sąnaudos ir gamybos efektyvumas. Kaina daugiausia yra medžiagų kaina ir partijos formavimo apdorojimo išlaidos. Pramonėje sutariama, kaip gaminti aukštos kokybės, nebrangias anglies pluošto kompozitines medžiagas dideliais kiekiais dideliu greičiu ir dideliu efektyvumu, siekiant sumažinti medžiagų atliekas.
1 Sunkumai apdorojant anglies pluoštą
Apdorojant anglies pluoštu sustiprintas kompozitines medžiagas (CFRP), tarp matricos ir pluošto vyksta gana sudėtinga vidinė sąveika, todėl jo fizinės savybės labai skiriasi nuo metalų. CFRP tankis yra daug mažesnis nei metalo, o stiprumas yra didesnis nei daugelio metalų. Dėl CFRP netolygumo apdorojimo metu dažnai atsiranda pluošto ištraukimas arba matricos pluoštų atsiskyrimas; CFRP pasižymi dideliu atsparumu karščiui ir atsparumu dilimui, todėl apdirbimo metu jai keliami aukštesni reikalavimai įrangai, nes gamybos proceso metu susidarantis didelis pjovimo šilumos kiekis sukelia rimtą įrangos nusidėvėjimą.
Tuo pačiu metu, nuolat plečiant jo taikymo sritis, reikalavimai tampa vis subtilesni, o medžiagų pritaikomumo ir kokybės reikalavimai CFRP tampa vis griežtesni, o tai lemia ir apdorojimo sąnaudų didėjimą. .
2 Apdorojimo principas
Pluošto orientacija
Pluošto orientacija turi didelę įtaką sąveikai tarp CFRP ruošinio ir įrankio kontaktinio paviršiaus. Lustų susidarymas yra glaudžiai susijęs su pluošto orientacija. CFRP ruošinio ir įrankio kontaktinio paviršiaus lūžį sukelia įrankio antgalio veikiamas slėgis. Yra trys pjovimo mechanizmai pagal įvairias pluošto orientacijas:
(1) Pluošto lūžis yra pluošto ir matricos kontaktinio paviršiaus kryptimi, ty pluošto orientacija yra 0 laipsnis.
(2) Įrankio kirpimo kryptis yra statmena pluošto ašiai, o pluošto orientacija yra 75 laipsniai.
(3) Pluošto orientacija yra 90 laipsnių arba net neigiamas kampas. Skaidulų krypties kampai 30 laipsnių, 60 laipsnių ir 90 laipsnių yra svarbiausios kryptys. Jie sukels dideles pjovimo jėgas, susidėvėjimą ir sugadins ruošinį. Padidinus įrankio atgalinio kampo vertę, pastūmos trauka gali būti veiksmingai sumažinta.
Pjovimo karštis
CFRP pjovimo procesas yra sudėtingas anglies pluošto lūžimo ir matricos medžiagos pašalinimo procesas. Dėl trinties tarp ruošinio ir pjovimo įrankio padidėja temperatūra, o esant aukštai temperatūrai įrankis netgi suminkštėja arba suyra. CFRP turi prastą šilumos laidumą, todėl pjovimo metu draudžiama naudoti aušinimo skystį, todėl susidariusi pjovimo šiluma negali greitai išsisklaidyti, o šiluma perduodama pjovimo įrankiui, o tai padidina pjovimo įrangos susidėvėjimą ir labai sumažina jo tarnavimo laikas. Tuo pačiu metu sustiprėja ruošinio paviršiaus šiluma, o tai daro įtaką kompozicinės medžiagos paviršiaus formavimuisi ir sumažina naudojamos kompozicinės medžiagos našumą.
Kompozicinių medžiagų pjovimo šilumos tyrimai daugiausia skirti pjovimo temperatūros matavimo metodui. Daugelis mokslininkų namuose ir užsienyje naudoja infraraudonųjų spindulių termometrus, termovizorius arba įterptas termoporas, kad išmatuotų anglies pluošto kompozicinių medžiagų pjovimo temperatūrą.
Įrankio nusidėvėjimo mechanizmas
CFRP yra sunkiai apdorojama medžiaga, daugiausia todėl, kad labai greitai susidėvi įrankį. Įrankio nusidėvėjimo mechanizmas apdirbimo proceso metu yra toks: kai ruošinys apdorojamas ant įrankio, abu paviršiai labai susiliečia. Apdorojimo metu dėl ilgalaikio nusidėvėjimo ir vibracijos retkarčiais atsiskiria kietos įrankio dalelės, todėl susidaro vadinamasis įrankio susidėvėjimas.
Susidėvėjimo tipus galima grubiai suskirstyti į įrankių pažeidimus ir nusidėvėjimą. Atsižvelgiant į skirtingas susidėvėjimo vietas, nusidėvėjimas gali būti suskirstytas į įrankio galiukų susidėvėjimą, įrankio šoninį nusidėvėjimą, įrankio briaunų pažeidimą ir kraštų susidėvėjimą.
Yra daug veiksnių, turinčių įtakos įrankių nusidėvėjimui, visų pirma: apdirbimo parametrai, įrankio geometrija ir medžiagos. CFRP pjovimo procese proceso parametrai (pvz., pjovimo greitis, pastūmos greitis, pluošto orientacija ir kt.) labai paveiks įrankio susidėvėjimą. Apskritai, padidėjus pjovimo greičiui, padidės šonų susidėvėjimas. Įrankio geometrija ir medžiagos turi didelę įtaką apdirbamam paviršiui, drožlių susidarymui, pjovimo jėgai ir įrankio susidėvėjimui.
4 Apdorojimo metodai
Pasukimas
Tekinimas yra plačiausiai naudojamas metodas ir pats paprasčiausias CFRP apdorojimo metodas, kuris paprastai tinka iš anksto nustatytiems cilindrinių paviršių nuokrypiams pasiekti. Pagrindinės tekinimo įrankių medžiagos yra cementinis karbidas arba keramika ir polikristalinis deimantas. Tiekimo greitis, pjovimo gylis ir pjovimo greitis apdorojimo procese turės įtakos gatavo ruošinio paviršiaus kokybei ir įrankio pažeidimo laipsniui, o tai taip pat yra tikslinė techninio optimizavimo kryptis.
Pasukimas
Malimas
Frezavimas paprastai yra gatavų ruošinių perdirbimo būdas, reikalaujantis didelio apdorojimo tikslumo, ir sudėtingų ruošinių taisymo frezavimo procesas po grubaus apdorojimo. Apdirbimo proceso metu galinis frezas ir CFRP taip pat turi sąveikauti sudėtingai, todėl CFRP ruošinyje susidaro nesupjaustyti pluošto siūlai ir atsisluoksniuoja. Siekiant sumažinti ir išvengti panašių defektų, tol, kol pjovimo jėga ir ašinio atsisluoksniavimo bei neatpjauto pluošto verpalų įbrėžimų dydis yra moksliškai numatyti ankstyvoje apdirbimo stadijoje, o apdirbimo proceso parametrų nustatymai yra kontroliuojami, šukių susidarymas. ir įbrėžimai bus efektyviai sumažinti.
Pagrindiniai proceso parametrai, tokie kaip pluošto orientacija, ašinis ir tangentinis padavimo greitis bei pjovimo greitis, turės didelę įtaką ruošinio paviršiaus šiurkštumui. Techniniai reikalavimai frezavimui: pakartotinai eksperimentuoti su pluošto orientacija, ašiniais ir tangentiniais padavimo greičiais, formuoti optimalius parametrus ir atlikti frezavimą.
Frezė CFRP apdirbimui
Gręžimas
Ruošinį reikia gręžti varžtais arba kniedijant. CFRP gręžimo procese vis dar yra tam tikrų problemų: medžiagos išsisluoksniavimas, didelis įrankių susidėvėjimas ir vidinės skylės sienelės kokybės problemos. Remiantis eksperimentine analize, nustatyti pjovimo parametrai, grąžto geometrija ir pjovimo kokybė turi didelę įtaką minėtoms problemoms. Pažeistos zonos maksimalaus skersmens ir angos santykis dažniausiai vadinamas pažeidimo koeficientu, kuris taip pat rodo ir delaminacijos laipsnį. Kuo didesnis delaminacijos faktorius, tuo rimtesnė delaminacijos problema.
Eksperimentais galima daryti išvadą, kad traukos ir delaminacijos reiškiniai pjovimo procese taip pat yra susiję vienas su kitu, o traukos jėgos dydis taip pat gali rodyti delaminacijos laipsnį. Remiantis ta pačia gręžimo medžiaga, skirtingai nuo kitų apdorojimo būdų, pjovimo greitis gręžimo metu neturės didelės įtakos pjovimo jėgai.
Esant tiems patiems pjovimo parametrams, palyginti su sukamaisiais grąžtais, šie parametrai turi mažesnę įtaką kompozitinių specialių grąžtų sluoksniui. Grąžtams su ypatingomis geometrinėmis savybėmis didesnis pastūmos greitis ir grąžto skersmuo gali sumažinti delaminaciją, o gręžimo angų su skirtingais skersmens santykiais pjovimo jėga padidės mažėjant skersmens santykiui ir padidės padidėjus padavimo greičiui.
Gręžtai CFRP apdorojimui
Šlifavimas
Paprastai laivų statybos ir kosmoso pramonės srityse CFRP ruošinių kokybės reikalavimai yra griežtesni. Ruošinių tikslumas ir kokybė turi būti atliekami naudojant aukštesnius apdirbimo būdus, o šlifavimo apdirbimo konstrukcinis procesas tiesiog atitinka jo gamybos reikalavimus. Šlifavimo detalių tikslumo reikalavimai yra labai griežti, o smulkiai šlifuoti ruošinius, kurie buvo grubiai apdoroti.
CFRP šlifavimas yra daug sunkesnis ir sudėtingesnis nei metalas. Vidaus ir užsienio mokslininkai taip pat atliko atitinkamus tyrimus ir suprojektavo puodelio formos šlifavimo diską, kurio viduje yra aušinimo skysčio CFRP šlifavimui. Palyginti trys apdorojimo būdai: sausasis šlifavimas, išorinis šlifavimas aušinimo skysčiu ir vidinis šlifavimas aušinimo skysčiu. Rezultatai parodė, kad vidinio šlifavimo aušinimo skysčio metu matricos derva, pritvirtinta prie šlifavimo disko, buvo žymiai sumažinta, o šlifavimo diske esančios abrazyvinės dalelės gali efektyviau šlifuoti pluoštą, nes medžiagos paviršiuje nesisluoksniuoja ir nesusidaro įtrūkimai. Šis aušinimo skysčio tiekimo šlifavimo diske būdas rodo stipresnį aušinimo efektą, kuris gali žymiai sumažinti šlifavimo temperatūrą ir yra palankus drožlių išleidimui.
Šlifavimas
Ultragarso vibracijos apdorojimo technologija
Ultragarso vibracijos apdorojimo mechanizmas yra pagrįstas santykiniu įrankio ir ruošinio judėjimu tradicinio apdorojimo proceso metu, o tada abiem taikoma tam tikra ultragarso vibracija, kad būtų pagaminta geresnių savybių kompozicinė medžiaga. Ši technologija yra tradicinės technologijos optimizavimas ir pagalbinė priemonė. Palyginti su tradiciniais apdorojimo metodais, technologija yra pažangesnė, gatavo ruošinio paviršiaus kokybė yra subtilesnė, taip pat sumažėja įtrūkimų reiškinys, taupant apdorojimo išlaidas. Efektyviai sumažinamas CFRP sustiprintų kompozitinių medžiagų apdorojimo sunkumas. Ultragarso taikymas visiškai pagerino medžiagos pašalinimo mechanizmą, sumažino trintį tarp įrankio ir ruošinio, sumažino įrankio apdorojimo laiką, padidino įrankio jėgą, pagerino apdorojimo efektyvumą, sumažino įrankio susidėvėjimą ir padarė ruošinio apdorojimo tikslumą ir kokybę. labiau pažengęs. Daugiausia yra ultragarsinis vibracinis gręžimas, ultragarsinis vibracinis šlifavimas, ultragarsinis vibracinis frezavimas ir ultragarsinis vibracinis pjovimas.
Ultragarsinis pjovimas
(1) Ultragarsinis vibracinis gręžimas
Ultragarsinis vibracinis gręžimas yra netradicinis apdorojimo metodas, turintis didelį plėtros potencialą efektyviam kompozitinių medžiagų gręžimui. Pagrindiniai jo pranašumai: pjovimo jėgos ir sukimo momento sumažinimas; pagerinti apdirbamo paviršiaus kokybę, mažinti įbrėžimus; vengiant stratifikacijos ir pan.
Kai kurie mokslininkai ištyrė deimantinių abrazyvų naudojimą ultragarsinio vibracinio gręžimo CFRP sukimui. Sukamasis ultragarsinis gręžimas parodytas 3 paveiksle. CFRP mechanizmo analizė rodo, kad CFRP medžiagos šalinimo mechanizmas labiau tinka trapiems lūžiams, o ne plastinei deformacijai. Sukurtas pjovimo jėgos modelis, skirtas prognozuoti ryšį tarp apdorojimo parametrų ir apdorojimo aplinkos dėl pjovimo jėgos, o mechaninio modelio tikslumas patikrinamas eksperimentais.
(2) Ultragarsinis vibracinis šlifavimas
Ultragarsinis vibracinis šlifavimas sujungia deimantinio šlifavimo medžiagos pašalinimo mechanizmą ir kompozicinę šlifavimo technologiją su ultragarso apdorojimo savybėmis. Pagrindiniai jo pranašumai: gali sumažinti pjovimo jėgą ir drožlių retinimą; pagerinti paviršiaus tikslumą ir ruošinio formos tikslumą; padidinti medžiagos pašalinimo greitį ir pailginti įrankio tarnavimo laiką; padidinti kritinį pjovimo gylį, kad būtų galima pereiti tarp trapių ir plastiškų domenų, ir realizuoti trapių medžiagų plastinį domeno apdorojimą.
