اصول و روش های اصلی پردازش مواد کامپوزیت فیبر کربنی

اصول و روش های اصلی پردازش مواد کامپوزیت فیبر کربنی
با پیگیری مواد سبک وزن و عملکرد عالی در صنایع مختلف، کاربرد فیبر کربن و مواد کامپوزیتی آن روز به روز گسترده تر می شود. دلیل اصلی عدم کاربرد در مقیاس بزرگ، هزینه و راندمان تولید است. هزینه عمدتاً هزینه مواد و هزینه پردازش قالب گیری دسته ای است. نحوه تولید مواد کامپوزیتی فیبر کربنی با کیفیت بالا و کم هزینه در مقادیر زیاد با سرعت بالا و راندمان بالا برای کاهش ضایعات مواد به یک اتفاق نظر در صنعت تبدیل شده است.

1 مشکلات در پردازش فیبر کربن

در طول پردازش مواد کامپوزیتی تقویت‌شده با فیبر کربن (CFRP)، یک برهمکنش داخلی نسبتاً پیچیده بین ماتریس و فیبر وجود دارد که باعث می‌شود خواص فیزیکی آن بسیار متفاوت از فلزات باشد. چگالی CFRP بسیار کمتر از فلز است، در حالی که استحکام بیشتر از بیشتر فلزات است. به دلیل ناهمواری CFRP، بیرون کشیدن فیبر یا جداسازی الیاف ماتریس اغلب در طول پردازش اتفاق می افتد. CFRP دارای مقاومت حرارتی و مقاومت در برابر سایش بالایی است که باعث می شود در هنگام پردازش نیازهای بیشتری برای تجهیزات داشته باشد، زیرا مقدار زیادی گرمای برش تولید شده در طول فرآیند تولید باعث سایش جدی تجهیزات می شود.

در عین حال، با گسترش مداوم زمینه های کاربردی آن، الزامات بیشتر و ظریف تر می شوند و الزامات مربوط به کاربرد مواد و الزامات کیفیت برای CFRP بیشتر و سخت تر می شوند که باعث افزایش هزینه پردازش نیز می شود. .

2 اصل پردازش

جهت گیری فیبر

جهت گیری فیبر تأثیر قابل توجهی بر تعامل بین قطعه کار CFRP و سطح تماس ابزار دارد. تشکیل تراشه ارتباط نزدیکی با جهت گیری فیبر دارد. شکستگی قطعه کار CFRP و سطح تماس ابزار به دلیل فشار اعمال شده توسط نوک ابزار ایجاد می شود. سه مکانیسم برش از نظر جهت گیری های مختلف الیاف وجود دارد:

(1) شکستگی فیبر در امتداد جهت سطح تماس فیبر و ماتریس است، یعنی جهت الیاف 0 درجه است.

(2) جهت برش ابزار عمود بر محور فیبر است و جهت الیاف 75 درجه است.

(3) جهت فیبر 90 درجه یا حتی زاویه منفی است. زوایای جهت فیبر 30 درجه، 60 درجه و 90 درجه بحرانی ترین جهات هستند. آنها باعث نیروهای برشی زیاد، سایش متمرکز و آسیب قطعه کار می شوند. با افزایش مقدار زاویه عقب ابزار، رانش تغذیه را می توان به طور موثر کاهش داد.

برش گرما

فرآیند برش CFRP یک فرآیند پیچیده شکستگی فیبر کربن و حذف مواد ماتریس است. اصطکاک بین قطعه کار و ابزار برش باعث افزایش دما و حتی نرم شدن یا تجزیه ابزار در دمای بالا می شود. CFRP رسانایی حرارتی ضعیفی دارد، بنابراین استفاده از مایع خنک‌کننده در طول فرآیند برش ممنوع است، که باعث می‌شود گرمای برش ایجاد شده نتواند به سرعت از بین برود و گرما به ابزار برش منتقل می‌شود که باعث تشدید سایش تجهیزات برش و کاهش بسیار زیادی می‌شود. عمر سرویس آن در عین حال، گرمای سطح قطعه کار تشدید می شود، که بر شکل گیری سطح مواد کامپوزیت تأثیر می گذارد و عملکرد مواد کامپوزیت در حال استفاده را کاهش می دهد.

تحقیقات بر روی حرارت برش مواد کامپوزیتی عمدتاً بر روش اندازه‌گیری دمای برش متمرکز است. بسیاری از محققان در داخل و خارج از کشور از دماسنج های مادون قرمز، تصویرگرهای حرارتی یا ترموکوپل های تعبیه شده برای اندازه گیری دمای برش مواد کامپوزیتی فیبر کربن استفاده می کنند.

مکانیزم سایش ابزار

CFRP یک ماده سخت برای پردازش است، عمدتاً به این دلیل که ابزار را خیلی سریع می پوشاند. مکانیسم سایش ابزار در طول فرآیند پردازش به این صورت است: هنگامی که قطعه کار روی ابزار پردازش می شود، دو سطح در تماس زیادی هستند. در حین پردازش، سایش طولانی مدت و لرزش باعث می شود که ذرات سخت روی ابزار گهگاه جدا شوند و در نتیجه به اصطلاح سایش ابزار ایجاد شود.

انواع سایش را می توان به طور کلی به آسیب دیدگی ابزار و سایش تقسیم کرد. با توجه به مکان های مختلف سایش، سایش را می توان به سایش نوک ابزار، سایش سمت ابزار، آسیب لبه ابزار و سایش لبه تقسیم کرد.

عوامل زیادی وجود دارد که بر سایش ابزار تأثیر می گذارد، به طور عمده از جمله: پارامترهای پردازش، هندسه ابزار و مواد. در فرآیند برش CFRP، پارامترهای فرآیند (مانند سرعت برش، نرخ تغذیه، جهت گیری فیبر و غیره) به طور قابل توجهی بر سایش ابزار تأثیر می گذارد. به طور کلی، افزایش سرعت برش باعث تشدید سایش پهلوها می شود. هندسه و مواد ابزار تاثیر قابل توجهی بر روی سطح ماشینکاری شده، تشکیل تراشه، نیروی برش و سایش ابزار دارند.

4 روش های پردازش

پیچ

تراشکاری پرکاربردترین روش و اساسی ترین روش در پردازش CFRP است و معمولاً برای دستیابی به تلورانس های از پیش تعیین شده روی سطوح استوانه ای مناسب است. مواد اصلی ابزار مناسب برای تراشکاری عبارتند از: کاربید سیمانی یا سرامیک و الماس پلی کریستالی. نرخ تغذیه، عمق برش و سرعت برش در فرآیند پردازش بر کیفیت سطح قطعه کار تمام شده و میزان آسیب ابزار تأثیر می‌گذارد، که همچنین جهت هدف برای بهینه‌سازی فنی است.

پیچ

آسیاب

فرز معمولاً یک روش پردازش برای پردازش مجدد قطعات کار تمام شده است که به دقت پردازش بالایی نیاز دارد و یک فرآیند فرز تعمیری برای قطعات کار پیچیده پس از پردازش خشن است. در طول فرآیند ماشینکاری، آسیاب انتهایی و CFRP نیز باید به روشی پیچیده با هم تعامل داشته باشند که در نتیجه نخ های الیاف بریده نشده و لایه لایه شدن در قطعه کار CFRP ایجاد می شود. به منظور کاهش و جلوگیری از عیوب مشابه، تا زمانی که نیروی برش و بزرگی لایه لایه شدن محوری و فرزهای نخ الیاف برش نخورده به صورت علمی در مراحل اولیه ماشین‌کاری پیش‌بینی شود و تنظیمات پارامتر فرآیند ماشین‌کاری کنترل شود، تولید فرزها و فرزها به طور موثر کاهش می یابد.

پارامترهای اصلی فرآیند، مانند جهت گیری فیبر، سرعت تغذیه محوری و مماسی و سرعت برش، تأثیر قابل توجهی بر زبری سطح قطعه کار خواهند داشت. الزامات فنی برای آسیاب: جهت گیری فیبر، سرعت تغذیه محوری و مماسی را به طور مکرر آزمایش کنید، پارامترهای بهینه را تشکیل دهید و آسیاب را انجام دهید.

فرز برای ماشینکاری CFRP

حفاری

قطعه کار به عملیات حفاری هنگام نصب پیچ و مهره یا پرچ نیاز دارد. هنوز مشکلات خاصی در فرآیند حفاری CFRP وجود دارد: لایه لایه شدن مواد، سایش شدید ابزار و مشکلات کیفی دیواره داخلی سوراخ. بر اساس تجزیه و تحلیل تجربی، مجموعه پارامترهای برش، هندسه مته و کیفیت برش تاثیر قابل توجهی بر مشکلات فوق دارند. نسبت حداکثر قطر ناحیه آسیب دیده به دیافراگم معمولاً ضریب آسیب نامیده می شود که میزان لایه لایه شدن را نیز نشان می دهد. هر چه ضریب لایه برداری بزرگتر باشد، مشکل لایه برداری جدی تر است.

از طریق آزمایشات می توان استنباط کرد که پدیده های رانش و لایه لایه شدن در فرآیند برش نیز به یکدیگر مرتبط هستند و میزان نیروی رانش نیز می تواند نشان دهنده درجه لایه لایه شدن باشد. بر اساس همان مواد حفاری، بر خلاف سایر روش های پردازش، نرخ برش در پردازش حفاری تاثیر زیادی بر نیروی برش نخواهد داشت.

تحت همین پارامترهای برش، در مقایسه با مته های پیچشی، پارامترها تأثیر کمتری بر لایه لایه شدن مته های کامپوزیتی ویژه دارند. برای مته هایی با ویژگی های هندسی خاص، نرخ تغذیه و قطر مته بیشتر می تواند لایه لایه شدن را کاهش دهد و نیروی برش سوراخ های حفاری با نسبت قطرهای مختلف با کاهش نسبت قطر افزایش و با افزایش نرخ تغذیه افزایش می یابد.

مته های مته برای پردازش CFRP

سنگ زنی

معمولاً در زمینه‌های کشتی‌سازی و صنعت هوافضا، الزامات کیفی برای قطعات کار CFRP سخت‌گیرانه‌تر است. دقت و کیفیت قطعات کار باید تحت روش های پردازش بالاتر انجام شود و فرآیند ساخت و ساز پردازش سنگ زنی فقط الزامات ساخت آن را برآورده می کند. الزامات دقت برای قطعات سنگ زنی بسیار سخت گیرانه است و برای قطعات کاری که به صورت خشن پردازش شده اند، سنگ زنی ریز مورد نیاز است.

سنگ زنی CFRP بسیار دشوارتر و پیچیده تر از فلز است. محققان داخلی و خارجی نیز تحقیقات مربوطه را انجام داده اند و چرخ سنگ زنی فنجانی را طراحی کرده اند که خنک کننده داخل آن برای آسیاب CFRP فراهم می کند. سه روش پردازش آسیاب خشک، آسیاب خنک کننده خارجی و آسیاب خنک کننده داخلی با هم مقایسه شدند. نتایج نشان داد که در طول فرآیند سنگ‌زنی مایع خنک‌کننده داخلی، رزین ماتریکس متصل به چرخ سنگ‌زنی به میزان قابل‌توجهی کاهش یافت و ذرات ساینده در چرخ سنگ‌زنی می‌توانند فیبر را به طور موثرتری بدون لایه‌برداری یا بریدگی روی سطح مواد آسیاب کنند. این روش تامین مایع خنک کننده در داخل چرخ سنگ زنی اثر خنک کننده قوی تری را نشان می دهد که می تواند دمای آسیاب را به میزان قابل توجهی کاهش دهد و برای تخلیه تراشه ها مفید است.

سنگ زنی

فناوری پردازش ارتعاش اولتراسونیک

مکانیسم پردازش ارتعاش اولتراسونیک بر اساس حرکت نسبی ابزار و قطعه کار در طول فرآیند پردازش سنتی است و سپس یک ارتعاش اولتراسونیک خاص به هر دو اعمال می‌شود تا یک ماده کامپوزیت با عملکرد بهتر تولید شود. این فناوری بهینه سازی و کمکی از فناوری سنتی است. در مقایسه با روش‌های پردازش سنتی، فناوری پیشرفته‌تر است، کیفیت سطح قطعه کار نهایی ظریف‌تر است، و پدیده ترک‌ها نیز کاهش می‌یابد و در هزینه‌های پردازش صرفه‌جویی می‌شود. دشواری پردازش مواد کامپوزیتی تقویت شده با CFRP به طور موثر کاهش می یابد. استفاده از اولتراسوند مکانیسم حذف مواد را به طور کامل بهبود بخشیده، اصطکاک بین ابزار و قطعه کار را کاهش داده، زمان پردازش ابزار را کاهش داده، نیروی ابزار را افزایش داده، راندمان پردازش را بهبود بخشیده، سایش ابزار را کاهش داده و باعث دقت و کیفیت پردازش قطعه کار شده است. پیشرفته تر. عمدتاً حفاری ارتعاش اولتراسونیک، سنگ زنی ارتعاش اولتراسونیک، فرز ارتعاش اولتراسونیک و برش ارتعاش اولتراسونیک وجود دارد.

برش با کمک اولتراسونیک

(1) حفاری ارتعاشی اولتراسونیک

حفاری ارتعاشی اولتراسونیک یک روش پردازش غیر سنتی با پتانسیل توسعه زیاد در حفاری کارآمد مواد کامپوزیتی است. مزایای اصلی آن عبارتند از: کاهش نیروی برش و گشتاور. بهبود کیفیت سطح پردازش، کاهش فرز. اجتناب از طبقه بندی و غیره

برخی از محققان استفاده از ساینده های الماس را برای چرخش حفاری ارتعاشی اولتراسونیک CFRP مطالعه کرده اند. حفاری اولتراسونیک دوار در شکل 3 نشان داده شده است. تجزیه و تحلیل مکانیسم CFRP نشان می دهد که مکانیسم حذف مواد CFRP برای شکستگی شکننده به جای تغییر شکل پلاستیک مناسب تر است. یک مدل نیروی برش برای پیش‌بینی رابطه بین پارامترهای پردازش و محیط پردازش بر نیروی برش ایجاد می‌شود و دقت مدل مکانیکی توسط آزمایش‌ها تأیید می‌شود.

(2) سنگ زنی ارتعاشی اولتراسونیک

سنگ زنی ارتعاشی اولتراسونیک مکانیزم حذف مواد سنگ زنی الماس و فن آوری سنگ زنی کامپوزیت را با ویژگی های پردازش اولتراسونیک ترکیب می کند. مزایای اصلی آن عبارتند از: می تواند اثر کاهش نیروی برش و نازک شدن تراشه را ایجاد کند. بهبود دقت سطح و دقت شکل قطعه کار؛ افزایش سرعت حذف مواد و افزایش عمر ابزار. عمق برش بحرانی را برای انتقال بین حوزه‌های شکننده و انعطاف‌پذیر افزایش دهید و پردازش حوزه انعطاف‌پذیر مواد شکننده را درک کنید.