De vigtigste behandlingsprincipper og -metoder for kulfiberkompositmaterialer
Med jagten på lette materialer og fremragende ydeevne i forskellige industrier bliver anvendelsen af kulfiber og dets kompositmaterialer mere og mere omfattende. Hovedårsagen til manglen på anvendelse i stor skala er omkostningerne og produktionseffektiviteten. Omkostningerne er hovedsageligt materialeomkostninger og batchstøbningsbearbejdningsomkostninger. Hvordan man producerer højkvalitets, billige kulfiberkompositmaterialer i store mængder med høj hastighed og høj effektivitet for at reducere materialespild er blevet en konsensus i industrien.
1 Vanskeligheder med at behandle kulfiber
Under behandlingen af kulfiberforstærkede kompositmaterialer (CFRP) er der en relativt kompleks intern interaktion mellem matrixen og fiberen, hvilket gør dens fysiske egenskaber meget anderledes end metallers. Densiteten af CFRP er meget mindre end metals, mens styrken er større end de fleste metallers. På grund af ujævnheden af CFRP sker der ofte fiberudtrækning eller adskillelse af matrixfibre under forarbejdning; CFRP har høj varmebestandighed og slidstyrke, hvilket gør at det stiller højere krav til udstyr under forarbejdning, fordi en stor mængde skærevarme, der genereres under produktionsprocessen, forårsager alvorligt slid på udstyret.
Samtidig bliver kravene med den kontinuerlige udvidelse af dets anvendelsesområder mere og mere følsomme, og kravene til materialeanvendelighed og kvalitetskravene til CFRP bliver mere og mere stringente, hvilket også får forarbejdningsomkostningerne til at stige. .
2 Behandlingsprincip
Fiberorientering
Fiberorientering har en væsentlig indflydelse på samspillet mellem CFRP-emnet og værktøjets kontaktflade. Spåndannelse er tæt forbundet med fiberorientering. Bruddet på CFRP-emnet og værktøjets kontaktflade er forårsaget af det tryk, der påføres af værktøjsspidsen. Der er tre skæremekanismer med hensyn til forskellige fiberorienteringer:
(1) Fiberbruddet er langs fiber- og matrixkontaktfladens retning, dvs. fiberorienteringen er 0 grad.
(2) Retningen af værktøjsklipningen er vinkelret på fiberaksen, og fiberorienteringen er 75 grader.
(3) Fiberorienteringen er 90 grader eller endda negativ vinkel. Fiberretningsvinklerne på 30 grader, 60 grader og 90 grader er de mest kritiske retninger. De vil forårsage store skærekræfter, koncentreret slid og beskadigelse af emnet. Ved at øge værktøjets tilbagevinkelværdi kan fremføringskraften effektivt reduceres.
Skærende varme
Skæringsprocessen for CFRP er en kompleks proces med kulfiberbrud og fjernelse af matrixmateriale. Friktionen mellem emnet og skæreværktøjet øger temperaturen og får endda værktøjet til at blødgøre eller nedbrydes ved høj temperatur. CFRP har dårlig termisk ledningsevne, så det er forbudt at bruge kølemiddel under skæreprocessen, hvilket gør den genererede skærevarme ude af stand til at spredes hurtigt, og varmen overføres til skæreværktøjet, hvilket forværrer sliddet på skæreudstyret og reducerer kraftigt dens levetid. Samtidig forværres arbejdsemnets overfladevarme, hvilket påvirker kompositmaterialets overfladedannelse og reducerer kompositmaterialets ydeevne under brug.
Forskningen i skærevarme af kompositmaterialer fokuserer hovedsageligt på målemetoden for skæretemperatur. Mange forskere i ind- og udland bruger infrarøde termometre, termiske kameraer eller indlejrede termoelementer til at måle skæretemperaturen af kulfiberkompositmaterialer.
Værktøjsslidmekanisme
CFRP er et svært bearbejdeligt materiale, primært fordi det slider værktøjet meget hurtigt. Værktøjets slidmekanisme under bearbejdningsprocessen er: når emnet bearbejdes på værktøjet, er de to overflader i stor kontakt. Under forarbejdningen bevirker langvarig slitage og vibrationer, at de hårde partikler på værktøjet lejlighedsvis løsner sig, og derved dannes det såkaldte værktøjsslid.
Slidtyper kan groft opdeles i værktøjsskader og slid. I henhold til de forskellige slidsteder kan slid opdeles i værktøjsspidsslid, værktøjssideslid, værktøjskantskader og kantslid.
Der er mange faktorer, der påvirker værktøjsslid, hovedsageligt: bearbejdningsparametre, værktøjsgeometri og materialer. I CFRP-skæringsprocessen vil procesparametre (såsom skærehastighed, tilspændingshastighed, fiberorientering osv.) påvirke værktøjsslid i væsentlig grad. Generelt vil en stigning i skærehastigheden forværre flankeslid. Værktøjsgeometri og materialer har en væsentlig indflydelse på den bearbejdede overflade, spåndannelse, skærekraft og værktøjsslid.
4 Forarbejdningsmetoder
Drejning
Drejning er den mest udbredte metode og den mest basale metode i CFRP-bearbejdning og er normalt velegnet til at opnå forudbestemte tolerancer på cylindriske overflader. De vigtigste materialer i værktøjer, der er egnede til drejning, er: cementeret hårdmetal eller keramik og polykrystallinsk diamant. Tilspændingshastigheden, skæredybden og skærehastigheden i forarbejdningsprocessen vil påvirke overfladekvaliteten af det færdige emne og graden af værktøjsskader, som også er målretningen for teknisk optimering.
Drejning
Fræsning
Fræsning er normalt en bearbejdningsmetode til genbehandling af færdige emner, der kræver høj bearbejdningsnøjagtighed, og en reparationsfræsningsproces for komplekse emner efter grovbearbejdning. Under bearbejdningsprocessen skal endefræseren og CFRP også interagere på en kompleks måde, hvilket resulterer i uskåret fibergarn og delaminering i CFRP-emnet. For at reducere og undgå lignende defekter, så længe skærekraften og størrelsen af den aksiale delaminering og uklippede fibergarngrater er videnskabeligt forudsagt i det tidlige trin af bearbejdningen, og bearbejdningsprocesparameterindstillingerne er kontrolleret, genereres grater og grater reduceres effektivt.
De vigtigste procesparametre, såsom fiberorientering, aksiale og tangentielle fremføringshastigheder og skærehastigheder, vil have en væsentlig indflydelse på overfladeruheden af emnet. Tekniske krav til fræsning: Eksperimentér gentagne gange med fiberorientering, aksiale og tangentielle fremføringshastigheder, form optimale parametre og udfør fræsning.
Fræser til CFRP-bearbejdning
Boring
Emnet kræver boreoperationer, når bolte eller nittet samling. Der er stadig visse problemer i CFRP-boreprocessen: materialedelaminering, alvorligt værktøjsslid og kvalitetsproblemer af hullets indervæg. Ifølge eksperimentel analyse har de indstillede skæreparametre, borgeometri og skærekvalitet en væsentlig indflydelse på ovenstående problemer. Forholdet mellem den maksimale diameter af det beskadigede område og åbningen kaldes normalt skadefaktoren, som også angiver graden af delaminering. Jo større delamineringsfaktoren er, jo mere alvorlig er delamineringsproblemet.
Gennem eksperimenter kan det udledes, at tryk- og delamineringsfænomenerne i skæreprocessen også er relateret til hinanden, og størrelsen af trykkraften kan også indikere graden af delaminering. Baseret på det samme boremateriale vil skærehastigheden i borebearbejdning i modsætning til andre bearbejdningsmetoder ikke have stor indflydelse på skærekraften.
Under de samme skæreparametre sammenlignet med spiralbor har parametrene en mindre indflydelse på delamineringen af sammensatte specialbor. For bor med specielle geometriske egenskaber kan en større tilspændingshastighed og borediameter reducere delaminering, og skærekraften ved at bore huller med forskellige diameterforhold vil stige med faldet i diameterforholdet og stige med stigningen i tilspændingshastigheden.
Bor til CFRP-behandling
Slibning
Normalt inden for skibsbygnings- og rumfartsindustrien er kvalitetskravene til CFRP-emner strengere. Nøjagtigheden og kvaliteten af emnerne skal udføres under højere forarbejdningsmetoder, og konstruktionsprocessen for slibebearbejdning opfylder netop dens fremstillingskrav. Præcisionskravene til slibning af dele er meget strenge, og finslibning er påkrævet for emner, der er blevet grovbearbejdet.
Slibning af CFRP er meget vanskeligere og mere kompliceret end metal. Indenlandske og udenlandske forskere har også udført relevant forskning og designet en kopformet slibeskive, som giver kølevæske indeni til at slibe CFRP. De tre forarbejdningsmetoder tør slibning, ekstern kølemiddel slibning og intern kølemiddel slibning blev sammenlignet. Resultaterne viste, at under den interne kølemiddelslibeproces blev matrixharpiksen fastgjort til slibeskiven betydeligt reduceret, og de slibende partikler i slibeskiven kan slibe fiberen mere effektivt uden delaminering eller grater på overfladen af materialet. Denne metode til at levere kølemiddel inde i slibeskiven viser en stærkere køleeffekt, som kan reducere slibetemperaturen betydeligt og er befordrende for udledning af spåner.
Slibning
Ultrasonisk vibrationsbehandlingsteknologi
Ultralydsvibrationsbehandlingsmekanismen er baseret på den relative bevægelse af værktøjet og emnet under den traditionelle bearbejdningsproces, og derefter påføres en vis ultralydsvibration på begge for at producere et kompositmateriale med bedre ydeevne. Denne teknologi er en optimering og et supplement til traditionel teknologi. Sammenlignet med traditionelle behandlingsmetoder er teknologien mere avanceret, overfladekvaliteten af det færdige emne er mere delikat, og fænomenet med revner reduceres også, hvilket sparer forarbejdningsomkostninger. Bearbejdningsvanskeligheden for CFRP-forstærkede kompositmaterialer reduceres effektivt. Anvendelsen af ultralyd har fuldstændigt forbedret materialefjernelsesmekanismen, reduceret friktionen mellem værktøjet og emnet, reduceret værktøjsbehandlingstiden, forbedret værktøjskraften, forbedret bearbejdningseffektiviteten, reduceret værktøjsslid og gjort emnebearbejdningens præcision og kvalitet mere avanceret. Der er hovedsageligt ultralydsvibrationsboring, ultralydsvibrationsslibning, ultralydsvibrationsfræsning og ultralydsvibrationsskæring.
Ultralydsassisteret skæring
(1) Ultralydsvibrationsboring
Ultralydsvibrationsboring er en utraditionel bearbejdningsmetode med stort udviklingspotentiale inden for effektiv boring af kompositmaterialer. Dens vigtigste fordele omfatter: reduktion af skærekraft og drejningsmoment; forbedring af behandlingens overfladekvalitet, reduktion af grater; undgå stratificering mv.
Nogle forskere har undersøgt brugen af diamantslibemidler til at rotere ultralydsvibrationsboring CFRP. Roterende ultralydsboring er vist i figur 3. Mekanismeanalysen af CFRP viser, at materialefjernelsesmekanismen for CFRP er mere egnet til sprøde brud frem for plastisk deformation. En skærekraftmodel er etableret for at forudsige forholdet mellem procesparametre og procesmiljø på skærekraft, og nøjagtigheden af den mekaniske model verificeres ved eksperimenter.
(2) Ultralydsvibrationsslibning
Ultralydsvibrationsslibning kombinerer materialefjernelsesmekanismen ved diamantslibning og kompositslibeteknologien med ultralydsbehandlingsegenskaber. Dets vigtigste fordele er: det kan producere effekten af at reducere skærekraften og spånudtynding; forbedre overfladenøjagtigheden og formnøjagtigheden af emnet; øge materialefjernelseshastigheden og forlænge værktøjets levetid; øge den kritiske skæredybde for overgangen mellem skøre og duktile domæner og realisere den duktile domænebehandling af skøre materialer.