Βασικές αρχές και μέθοδοι επεξεργασίας σύνθετων υλικών από ανθρακονήματα
Με την επιδίωξη ελαφρών υλικών και την εξαιρετική απόδοση σε διάφορες βιομηχανίες, η εφαρμογή ανθρακονημάτων και των σύνθετων υλικών του γίνεται όλο και πιο εκτεταμένη. Ο κύριος λόγος για την έλλειψη εφαρμογής μεγάλης κλίμακας είναι το κόστος και η αποδοτικότητα της παραγωγής. Το κόστος είναι κυρίως το κόστος υλικού και το κόστος επεξεργασίας χύτευσης παρτίδας. Ο τρόπος παραγωγής υψηλής ποιότητας, χαμηλού κόστους σύνθετων υλικών από ανθρακονήματα σε μεγάλες ποσότητες με υψηλή ταχύτητα και υψηλή απόδοση για τη μείωση της σπατάλης υλικών έχει γίνει μια συναίνεση στη βιομηχανία.
1 Δυσκολίες στην επεξεργασία των ανθρακονημάτων
Κατά την επεξεργασία σύνθετων υλικών ενισχυμένων με ανθρακονήματα (CFRP), υπάρχει μια σχετικά πολύπλοκη εσωτερική αλληλεπίδραση μεταξύ της μήτρας και της ίνας, η οποία κάνει τις φυσικές της ιδιότητες πολύ διαφορετικές από αυτές των μετάλλων. Η πυκνότητα του CFRP είναι πολύ μικρότερη από αυτή του μετάλλου, ενώ η αντοχή είναι μεγαλύτερη από αυτή των περισσότερων μετάλλων. Λόγω της ανομοιομορφίας του CFRP, η απομάκρυνση ή ο διαχωρισμός των ινών μήτρας συχνά συμβαίνει κατά τη διάρκεια της επεξεργασίας. Το CFRP έχει υψηλή αντοχή στη θερμότητα και αντοχή στη φθορά, γεγονός που το κάνει να έχει υψηλότερες απαιτήσεις για εξοπλισμό κατά την επεξεργασία, επειδή μια μεγάλη ποσότητα θερμότητας κοπής που παράγεται κατά τη διαδικασία παραγωγής προκαλεί σοβαρή φθορά στον εξοπλισμό.
Ταυτόχρονα, με τη συνεχή επέκταση των πεδίων εφαρμογής του, οι απαιτήσεις γίνονται όλο και πιο λεπτές και οι απαιτήσεις για δυνατότητα εφαρμογής υλικών και οι απαιτήσεις ποιότητας για CFRP γίνονται όλο και πιο αυστηρές, γεγονός που προκαλεί επίσης αύξηση του κόστους επεξεργασίας .
2 Αρχή επεξεργασίας
Προσανατολισμός ινών
Ο προσανατολισμός των ινών έχει σημαντικό αντίκτυπο στην αλληλεπίδραση μεταξύ του τεμαχίου εργασίας CFRP και της επιφάνειας επαφής του εργαλείου. Ο σχηματισμός τσιπ σχετίζεται στενά με τον προσανατολισμό των ινών. Το σπάσιμο του τεμαχίου εργασίας CFRP και της επιφάνειας επαφής του εργαλείου προκαλείται από την πίεση που ασκείται από το άκρο του εργαλείου. Υπάρχουν τρεις μηχανισμοί κοπής όσον αφορά τους διάφορους προσανατολισμούς των ινών:
(1) Το κάταγμα της ίνας είναι κατά μήκος της κατεύθυνσης της επιφάνειας επαφής της ίνας και της μήτρας, δηλαδή ο προσανατολισμός της ίνας είναι 0 βαθμός .
(2) Η κατεύθυνση της διάτμησης του εργαλείου είναι κάθετη στον άξονα των ινών και ο προσανατολισμός της ίνας είναι 75 μοίρες.
(3) Ο προσανατολισμός της ίνας είναι 90 μοιρών ή ακόμα και αρνητική γωνία. Οι γωνίες κατεύθυνσης των ινών 30 μοιρών, 60 μοιρών και 90 μοιρών είναι οι πιο κρίσιμες κατευθύνσεις. Θα προκαλέσουν μεγάλες δυνάμεις κοπής, συγκεντρωμένη φθορά και ζημιά στο τεμάχιο εργασίας. Αυξάνοντας την τιμή της πίσω γωνίας του εργαλείου, η ώθηση τροφοδοσίας μπορεί να μειωθεί αποτελεσματικά.
Κόβοντας θερμότητα
Η διαδικασία κοπής του CFRP είναι μια πολύπλοκη διαδικασία θραύσης ινών άνθρακα και αφαίρεσης υλικού μήτρας. Η τριβή μεταξύ του τεμαχίου εργασίας και του εργαλείου κοπής αυξάνει τη θερμοκρασία και προκαλεί ακόμη και μαλάκυνση ή αποσύνθεση του εργαλείου σε υψηλή θερμοκρασία. Το CFRP έχει κακή θερμική αγωγιμότητα, επομένως απαγορεύεται η χρήση ψυκτικού κατά τη διαδικασία κοπής, γεγονός που καθιστά την παραγόμενη θερμότητα κοπής ανίκανη να διαλυθεί γρήγορα και η θερμότητα μεταφέρεται στο εργαλείο κοπής, γεγονός που επιδεινώνει τη φθορά του εξοπλισμού κοπής και μειώνει σημαντικά διάρκεια ζωής του. Ταυτόχρονα, επιδεινώνεται η επιφανειακή θερμότητα του τεμαχίου εργασίας, η οποία επηρεάζει τη διαμόρφωση της επιφάνειας του σύνθετου υλικού και μειώνει την απόδοση του σύνθετου υλικού κατά τη χρήση.
Η έρευνα για τη θερμότητα κοπής των σύνθετων υλικών επικεντρώνεται κυρίως στη μέθοδο μέτρησης της θερμοκρασίας κοπής. Πολλοί μελετητές στο εσωτερικό και στο εξωτερικό χρησιμοποιούν υπέρυθρα θερμόμετρα, θερμική απεικόνιση ή ενσωματωμένα θερμοστοιχεία για τη μέτρηση της θερμοκρασίας κοπής των σύνθετων υλικών από ανθρακονήματα.
Μηχανισμός φθοράς εργαλείου
Το CFRP είναι ένα δύσκολο στην επεξεργασία υλικό, κυρίως επειδή φθείρει το εργαλείο πολύ γρήγορα. Ο μηχανισμός φθοράς του εργαλείου κατά τη διαδικασία επεξεργασίας είναι: όταν το τεμάχιο εργασίας υποβάλλεται σε επεξεργασία στο εργαλείο, οι δύο επιφάνειες βρίσκονται σε μεγάλη επαφή. Κατά τη διάρκεια της επεξεργασίας, η μακροχρόνια φθορά και οι κραδασμοί προκαλούν περιστασιακά αποκόλληση των σκληρών σωματιδίων στο εργαλείο, σχηματίζοντας έτσι τη λεγόμενη φθορά του εργαλείου.
Οι τύποι φθοράς μπορούν να χωριστούν χονδρικά σε ζημιές και φθορά εργαλείου. Ανάλογα με τις διαφορετικές θέσεις φθοράς, η φθορά μπορεί να χωριστεί σε φθορά στις άκρες του εργαλείου, πλευρική φθορά εργαλείου, ζημιά στην άκρη του εργαλείου και φθορά άκρων.
Υπάρχουν πολλοί παράγοντες που επηρεάζουν τη φθορά του εργαλείου, κυρίως όπως: οι παράμετροι επεξεργασίας, η γεωμετρία του εργαλείου και τα υλικά. Στη διαδικασία κοπής CFRP, οι παράμετροι της διαδικασίας (όπως η ταχύτητα κοπής, ο ρυθμός τροφοδοσίας, ο προσανατολισμός των ινών κ.λπ.) θα επηρεάσουν σημαντικά τη φθορά του εργαλείου. Σε γενικές γραμμές, μια αύξηση στην ταχύτητα κοπής θα επιδεινώσει τη φθορά των πλευρών. Η γεωμετρία και τα υλικά του εργαλείου έχουν σημαντικό αντίκτυπο στην επεξεργασμένη επιφάνεια, στο σχηματισμό τσιπς, στη δύναμη κοπής και στη φθορά του εργαλείου.
4 Μέθοδοι επεξεργασίας
Στροφή
Το γύρισμα είναι η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη μέθοδος και η πιο βασική μέθοδος στην επεξεργασία CFRP και είναι συνήθως κατάλληλη για την επίτευξη προκαθορισμένων ανοχών σε κυλινδρικές επιφάνειες. Τα κύρια υλικά των εργαλείων που είναι κατάλληλα για τόρνευση είναι: καρβίδιο με τσιμέντο ή κεραμικά και πολυκρυσταλλικό διαμάντι. Ο ρυθμός τροφοδοσίας, το βάθος κοπής και η ταχύτητα κοπής στη διαδικασία επεξεργασίας θα επηρεάσουν την ποιότητα της επιφάνειας του τελικού τεμαχίου εργασίας και τον βαθμό βλάβης του εργαλείου, που είναι επίσης η κατεύθυνση-στόχος για τεχνική βελτιστοποίηση.
Στροφή
Αλεσμα
Το φρεζάρισμα είναι συνήθως μια μέθοδος επεξεργασίας για την επανεπεξεργασία τελικών τεμαχίων, που απαιτεί υψηλή ακρίβεια επεξεργασίας και μια διαδικασία άλεσης επισκευής για πολύπλοκα τεμάχια μετά από πρόχειρη επεξεργασία. Κατά τη διάρκεια της μηχανικής κατεργασίας, ο τελικός μύλος και το CFRP πρέπει επίσης να αλληλεπιδράσουν με πολύπλοκο τρόπο, με αποτέλεσμα άκοπα νήματα από ίνες και αποκόλληση στο τεμάχιο εργασίας CFRP. Προκειμένου να μειωθούν και να αποφευχθούν παρόμοια ελαττώματα, εφόσον η δύναμη κοπής και το μέγεθος της αξονικής αποκόλλησης και των γρέζινων νημάτων άκοπων ινών προβλέπονται επιστημονικά στο πρώιμο στάδιο της κατεργασίας και ελέγχονται οι ρυθμίσεις παραμέτρων της διαδικασίας κατεργασίας, η δημιουργία γρέζων και τα γρέζια θα μειωθούν αποτελεσματικά.
Οι κύριες παράμετροι της διαδικασίας, όπως ο προσανατολισμός των ινών, οι αξονικές και εφαπτομενικές ταχύτητες τροφοδοσίας και οι ταχύτητες κοπής, θα έχουν σημαντικό αντίκτυπο στην τραχύτητα της επιφάνειας του τεμαχίου εργασίας. Τεχνικές απαιτήσεις για το φρεζάρισμα: Πειραματιστείτε επανειλημμένα με τον προσανατολισμό των ινών, τις αξονικές και εφαπτομενικές ταχύτητες τροφοδοσίας, σχηματίστε βέλτιστες παραμέτρους και εκτελέστε φρεζάρισμα.
Φρέζα για κατεργασία CFRP
Γεώτρηση
Το τεμάχιο εργασίας απαιτεί εργασίες διάτρησης όταν συναρμολογούνται μπουλόνια ή πριτσίνια. Υπάρχουν ακόμη ορισμένα προβλήματα στη διαδικασία διάτρησης CFRP: αποκόλληση υλικού, σοβαρή φθορά του εργαλείου και προβλήματα ποιότητας του εσωτερικού τοιχώματος της οπής. Σύμφωνα με πειραματική ανάλυση, οι παράμετροι κοπής, η γεωμετρία του τρυπανιού και η ποιότητα κοπής έχουν σημαντικό αντίκτυπο στα παραπάνω προβλήματα. Ο λόγος της μέγιστης διαμέτρου της κατεστραμμένης περιοχής προς το άνοιγμα ονομάζεται συνήθως συντελεστής βλάβης, ο οποίος υποδεικνύει επίσης τον βαθμό αποκόλλησης. Όσο μεγαλύτερος είναι ο παράγοντας αποκόλλησης, τόσο πιο σοβαρό είναι το πρόβλημα αποκόλλησης.
Μέσω πειραμάτων, μπορεί να συναχθεί ότι τα φαινόμενα ώθησης και αποκόλλησης στη διαδικασία κοπής σχετίζονται επίσης μεταξύ τους και το μέγεθος της δύναμης ώθησης μπορεί επίσης να υποδεικνύει τον βαθμό αποκόλλησης. Με βάση το ίδιο υλικό διάτρησης, σε αντίθεση με άλλες μεθόδους επεξεργασίας, ο ρυθμός κοπής στην επεξεργασία διάτρησης δεν θα έχει μεγάλη επίδραση στη δύναμη κοπής.
Κάτω από τις ίδιες παραμέτρους κοπής, σε σύγκριση με τα περιστροφικά τρυπάνια, οι παράμετροι έχουν μικρότερο αντίκτυπο στην αποκόλληση των σύνθετων ειδικών τρυπανιών. Για τρυπάνια με ειδικά γεωμετρικά χαρακτηριστικά, ένας μεγαλύτερος ρυθμός τροφοδοσίας και διάμετρος τρυπανιού μπορεί να μειώσει την αποκόλληση και η δύναμη κοπής των οπών διάτρησης με διαφορετικές αναλογίες διαμέτρου θα αυξηθεί με τη μείωση του λόγου διαμέτρου και θα αυξηθεί με την αύξηση του ρυθμού τροφοδοσίας.
Τρυπάνια για επεξεργασία CFRP
Αλεση
Συνήθως στους τομείς της ναυπηγικής και της αεροδιαστημικής βιομηχανίας, οι απαιτήσεις ποιότητας για τα κατεργαζόμενα τεμάχια CFRP είναι πιο αυστηρές. Η ακρίβεια και η ποιότητα των τεμαχίων προς κατεργασία απαιτείται να εκτελούνται με υψηλότερες μεθόδους επεξεργασίας και η διαδικασία κατασκευής της επεξεργασίας λείανσης απλώς πληροί τις απαιτήσεις κατασκευής της. Οι απαιτήσεις ακρίβειας για τα εξαρτήματα λείανσης είναι πολύ αυστηρές και απαιτείται λεπτή λείανση για τεμάχια που έχουν υποστεί χονδρική επεξεργασία.
Η λείανση του CFRP είναι πολύ πιο δύσκολη και περίπλοκη από το μέταλλο. Εγχώριοι και ξένοι μελετητές έχουν επίσης πραγματοποιήσει σχετική έρευνα και σχεδίασαν έναν τροχό λείανσης σε σχήμα κυπέλλου, ο οποίος παρέχει ψυκτικό στο εσωτερικό για την άλεση του CFRP. Συγκρίθηκαν οι τρεις μέθοδοι επεξεργασίας ξηρής λείανσης, εξωτερικής λείανσης ψυκτικού και εσωτερικής λείανσης ψυκτικού. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι κατά τη διαδικασία λείανσης του εσωτερικού ψυκτικού, η ρητίνη μήτρας που συνδέεται με τον τροχό λείανσης μειώθηκε σημαντικά και τα λειαντικά σωματίδια στον τροχό λείανσης μπορούν να αλέσουν την ίνα πιο αποτελεσματικά χωρίς αποκόλληση ή γρέζια στην επιφάνεια του υλικού. Αυτή η μέθοδος παροχής ψυκτικού μέσα στον τροχό λείανσης δείχνει ένα ισχυρότερο αποτέλεσμα ψύξης, το οποίο μπορεί να μειώσει σημαντικά τη θερμοκρασία λείανσης και ευνοεί την εκκένωση των τσιπ.
Αλεση
Τεχνολογία επεξεργασίας κραδασμών με υπερήχους
Ο μηχανισμός επεξεργασίας κραδασμών υπερήχων βασίζεται στη σχετική κίνηση του εργαλείου και του τεμαχίου κατά τη διάρκεια της παραδοσιακής διαδικασίας επεξεργασίας και στη συνέχεια εφαρμόζεται μια ορισμένη υπερηχητική δόνηση και στα δύο, έτσι ώστε να παραχθεί ένα σύνθετο υλικό με καλύτερη απόδοση. Αυτή η τεχνολογία είναι μια βελτιστοποίηση και βοηθητικό στοιχείο της παραδοσιακής τεχνολογίας. Σε σύγκριση με τις παραδοσιακές μεθόδους επεξεργασίας, η τεχνολογία είναι πιο προηγμένη, η ποιότητα της επιφάνειας του τελικού τεμαχίου είναι πιο λεπτή και το φαινόμενο των ρωγμών μειώνεται επίσης, εξοικονομώντας κόστος επεξεργασίας. Η δυσκολία επεξεργασίας των σύνθετων υλικών ενισχυμένων με CFRP μειώνεται αποτελεσματικά. Η εφαρμογή υπερήχων βελτίωσε πλήρως τον μηχανισμό αφαίρεσης υλικού, μείωσε την τριβή μεταξύ του εργαλείου και του τεμαχίου εργασίας, μείωσε τον χρόνο επεξεργασίας του εργαλείου, ενίσχυσε τη δύναμη του εργαλείου, βελτίωσε την απόδοση επεξεργασίας, μείωσε τη φθορά του εργαλείου και έκανε το τεμάχιο επεξεργασίας ακρίβεια και ποιότητα πιο προχωρημένο. Υπάρχουν κυρίως διάτρηση κραδασμών με υπερήχους, λείανση κραδασμών με υπερήχους, άλεση κραδασμών με υπερήχους και κοπή κραδασμών με υπερήχους.
Υποβοηθούμενη κοπή με υπερήχους
(1) Διάτρηση κραδασμών με υπερήχους
Η γεώτρηση με δόνηση με υπερήχους είναι μια μη παραδοσιακή μέθοδος επεξεργασίας με μεγάλες δυνατότητες ανάπτυξης στην αποτελεσματική διάτρηση σύνθετων υλικών. Τα κύρια πλεονεκτήματά του περιλαμβάνουν: μείωση της δύναμης κοπής και της ροπής. βελτίωση της ποιότητας της επιφάνειας επεξεργασίας, μείωση των γρεζιών. αποφυγή διαστρωμάτωσης κ.λπ.
Μερικοί μελετητές έχουν μελετήσει τη χρήση λειαντικών διαμαντιών για την περιστροφή CFRP της γεώτρησης με κραδασμούς υπερήχων. Η περιστρεφόμενη γεώτρηση με υπερήχους φαίνεται στο Σχήμα 3. Η ανάλυση μηχανισμού του CFRP δείχνει ότι ο μηχανισμός αφαίρεσης υλικού του CFRP είναι πιο κατάλληλος για εύθραυστο κάταγμα παρά για πλαστική παραμόρφωση. Καθιερώνεται ένα μοντέλο δύναμης κοπής για την πρόβλεψη της σχέσης μεταξύ των παραμέτρων επεξεργασίας και του περιβάλλοντος επεξεργασίας με τη δύναμη κοπής και η ακρίβεια του μηχανικού μοντέλου επαληθεύεται με πειράματα.
(2) Δόνηση με υπερήχους
Η λείανση με κραδασμούς υπερήχων συνδυάζει τον μηχανισμό αφαίρεσης υλικού της λείανσης διαμαντιών και την τεχνολογία σύνθετης λείανσης με τα χαρακτηριστικά επεξεργασίας υπερήχων. Τα κύρια πλεονεκτήματά του είναι: μπορεί να παράγει το αποτέλεσμα της μείωσης της δύναμης κοπής και της αραίωσης των τσιπς. βελτιώστε την ακρίβεια της επιφάνειας και την ακρίβεια σχήματος του τεμαχίου εργασίας. αυξήστε τον ρυθμό αφαίρεσης υλικού και παρατείνετε τη διάρκεια ζωής του εργαλείου. Αυξήστε το κρίσιμο βάθος κοπής για τη μετάβαση μεταξύ εύθραυστων και όλκιμων περιοχών και συνειδητοποιήστε την επεξεργασία εύθραυστων υλικών σε όλκιμο πεδίο.