Principali principi e metodi di lavorazione dei materiali compositi in fibra di carbonio
Con la ricerca di materiali leggeri e prestazioni eccellenti in vari settori, l'applicazione della fibra di carbonio e dei suoi materiali compositi sta diventando sempre più estesa. Il motivo principale della mancanza di applicazione su larga scala è il costo e l'efficienza produttiva. Il costo è principalmente il costo del materiale e il costo di lavorazione dello stampaggio in lotti. Come produrre materiali compositi in fibra di carbonio di alta qualità e a basso costo in grandi quantità con alta velocità ed elevata efficienza per ridurre gli sprechi di materiale è diventato un consenso nel settore.
1 Difficoltà nella lavorazione della fibra di carbonio
Durante la lavorazione di materiali compositi rinforzati con fibra di carbonio (CFRP), si verifica un'interazione interna relativamente complessa tra la matrice e la fibra, che rende le sue proprietà fisiche molto diverse da quelle dei metalli. La densità del CFRP è molto più piccola di quella del metallo, mentre la resistenza è maggiore di quella della maggior parte dei metalli. A causa dell'irregolarità del CFRP, durante la lavorazione si verifica spesso l'estrazione delle fibre o la separazione delle fibre della matrice; il CFRP ha un'elevata resistenza al calore e all'usura, il che gli impone requisiti più elevati per le attrezzature durante la lavorazione, perché una grande quantità di calore di taglio generato durante il processo di produzione provoca una grave usura delle attrezzature.
Allo stesso tempo, con la continua espansione dei suoi campi di applicazione, i requisiti diventano sempre più severi e i requisiti per l'applicabilità dei materiali e i requisiti di qualità per il CFRP diventano sempre più severi, il che determina anche un aumento dei costi di lavorazione.
2 Principio di elaborazione
Orientamento delle fibre
L'orientamento delle fibre ha un impatto significativo sull'interazione tra il pezzo in CFRP e la superficie di contatto dell'utensile. La formazione di trucioli è strettamente correlata all'orientamento delle fibre. La frattura del pezzo in CFRP e della superficie di contatto dell'utensile è causata dalla pressione applicata dalla punta dell'utensile. Esistono tre meccanismi di taglio in termini di vari orientamenti delle fibre:
(1) La frattura della fibra avviene lungo la direzione della superficie di contatto tra fibra e matrice, ovvero l'orientamento della fibra è di 0 grado.
(2) La direzione del taglio dell'utensile è perpendicolare all'asse della fibra e l'orientamento della fibra è di 75 gradi.
(3) L'orientamento della fibra è di 90 gradi o anche di angolo negativo. Gli angoli di direzione della fibra di 30 gradi, 60 gradi e 90 gradi sono le direzioni più critiche. Provocano grandi forze di taglio, usura concentrata e danni al pezzo in lavorazione. Aumentando il valore dell'angolo posteriore dell'utensile, la spinta di avanzamento può essere efficacemente ridotta.
Taglio del calore
Il processo di taglio del CFRP è un processo complesso di frattura della fibra di carbonio e rimozione del materiale della matrice. L'attrito tra il pezzo in lavorazione e l'utensile da taglio aumenta la temperatura e provoca persino l'ammorbidimento o la decomposizione dell'utensile ad alta temperatura. Il CFRP ha una scarsa conduttività termica, quindi è vietato utilizzare refrigerante durante il processo di taglio, il che rende il calore di taglio generato incapace di dissiparsi rapidamente e il calore viene trasferito all'utensile da taglio, il che aggrava l'usura dell'attrezzatura di taglio e ne riduce notevolmente la durata. Allo stesso tempo, il calore superficiale del pezzo in lavorazione viene aggravato, il che influisce sulla formazione superficiale del materiale composito e riduce le prestazioni del materiale composito in uso.
La ricerca sul calore di taglio dei materiali compositi si concentra principalmente sul metodo di misurazione della temperatura di taglio. Molti studiosi in patria e all'estero utilizzano termometri a infrarossi, termocamere o termocoppie incorporate per misurare la temperatura di taglio dei materiali compositi in fibra di carbonio.
Meccanismo di usura degli utensili
Il CFRP è un materiale difficile da lavorare, principalmente perché usura l'utensile molto rapidamente. Il meccanismo di usura dell'utensile durante il processo di lavorazione è: quando il pezzo viene lavorato sull'utensile, le due superfici sono in ampio contatto. Durante la lavorazione, l'usura a lungo termine e le vibrazioni causano il distacco occasionale delle particelle dure sull'utensile, formando così la cosiddetta usura dell'utensile.
I tipi di usura possono essere suddivisi grossolanamente in danni all'utensile e usura. In base alle diverse posizioni di usura, l'usura può essere suddivisa in usura della punta dell'utensile, usura del lato dell'utensile, danni al bordo dell'utensile e usura del bordo.
Ci sono molti fattori che influenzano l'usura dell'utensile, principalmente tra cui: parametri di lavorazione, geometria dell'utensile e materiali. Nel processo di taglio CFRP, i parametri di processo (come velocità di taglio, velocità di avanzamento, orientamento delle fibre, ecc.) influenzeranno significativamente l'usura dell'utensile. In generale, un aumento della velocità di taglio aggraverà l'usura del fianco. La geometria e i materiali dell'utensile hanno un impatto significativo sulla superficie lavorata, sulla formazione del truciolo, sulla forza di taglio e sull'usura dell'utensile.
4 Modalità di trattamento
Girando
La tornitura è il metodo più ampiamente utilizzato e il metodo più basilare nella lavorazione del CFRP, ed è solitamente adatto per ottenere tolleranze predeterminate su superfici cilindriche. I materiali principali degli utensili adatti alla tornitura sono: carburo cementato o ceramica e diamante policristallino. La velocità di avanzamento, la profondità di taglio e la velocità di taglio nel processo di lavorazione influenzeranno la qualità della superficie del pezzo finito e il grado di danneggiamento dell'utensile, che è anche la direzione target per l'ottimizzazione tecnica.
Girando
Fresatura
La fresatura è solitamente un metodo di lavorazione per la rielaborazione di pezzi finiti, che richiede un'elevata precisione di lavorazione e un processo di fresatura di riparazione per pezzi complessi dopo una lavorazione grezza. Durante il processo di lavorazione, la fresa e il CFRP devono anche interagire in modo complesso, con conseguenti filati di fibre non tagliati e delaminazione nel pezzo in CFRP. Per ridurre ed evitare difetti simili, finché la forza di taglio e l'entità della delaminazione assiale e delle sbavature del filato di fibre non tagliate sono scientificamente previste nella fase iniziale della lavorazione e le impostazioni dei parametri del processo di lavorazione sono controllate, la generazione di sbavature e sbavature sarà efficacemente ridotta.
I principali parametri di processo, come l'orientamento delle fibre, le velocità di avanzamento assiale e tangenziale e le velocità di taglio, avranno un impatto significativo sulla rugosità superficiale del pezzo in lavorazione. Requisiti tecnici per la fresatura: sperimentare ripetutamente l'orientamento delle fibre, le velocità di avanzamento assiale e tangenziale, formare parametri ottimali ed eseguire la fresatura.
Fresa per lavorazione CFRP
Perforazione
Il pezzo in lavorazione richiede operazioni di foratura quando bulloni o assemblaggio rivettato. Ci sono ancora alcuni problemi nel processo di foratura CFRP: delaminazione del materiale, grave usura dell'utensile e problemi di qualità della parete interna del foro. Secondo l'analisi sperimentale, i parametri di taglio impostati, la geometria della punta e la qualità del taglio hanno un impatto significativo sui problemi di cui sopra. Il rapporto tra il diametro massimo dell'area danneggiata e l'apertura è solitamente chiamato fattore di danno, che indica anche il grado di delaminazione. Maggiore è il fattore di delaminazione, più grave è il problema di delaminazione.
Attraverso esperimenti, si può dedurre che i fenomeni di spinta e delaminazione nel processo di taglio sono anche correlati tra loro e l'entità della forza di spinta può anche indicare il grado di delaminazione. Sulla base dello stesso materiale di perforazione, a differenza di altri metodi di lavorazione, la velocità di taglio nella lavorazione di perforazione non avrà un grande impatto sulla forza di taglio.
Con gli stessi parametri di taglio, rispetto alle punte elicoidali, i parametri hanno un impatto minore sulla delaminazione delle punte speciali composite. Per le punte con caratteristiche geometriche speciali, una velocità di avanzamento e un diametro della punta maggiori possono ridurre la delaminazione e la forza di taglio dei fori di perforazione con diversi rapporti di diametro aumenterà con la diminuzione del rapporto di diametro e aumenterà con l'aumento della velocità di avanzamento.
Punte per la lavorazione del CFRP
macinazione
Di solito nei settori della cantieristica navale e dell'industria aerospaziale, i requisiti di qualità per i pezzi lavorati in CFRP sono più rigorosi. La precisione e la qualità dei pezzi lavorati devono essere eseguite con metodi di lavorazione più elevati e il processo di costruzione della lavorazione di rettifica soddisfa appena i requisiti di produzione. I requisiti di precisione per le parti di rettifica sono molto rigorosi e la rettifica fine è richiesta per i pezzi lavorati che sono stati lavorati in modo grezzo.
La rettifica del CFRP è molto più difficile e complicata del metallo. Anche studiosi nazionali e stranieri hanno condotto ricerche pertinenti e progettato una mola a tazza, che fornisce refrigerante all'interno per rettificare il CFRP. Sono stati confrontati i tre metodi di lavorazione di rettifica a secco, rettifica con refrigerante esterno e rettifica con refrigerante interno. I risultati hanno mostrato che durante il processo di rettifica con refrigerante interno, la resina della matrice attaccata alla mola è stata significativamente ridotta e le particelle abrasive nella mola possono rettificare la fibra in modo più efficace senza delaminazione o sbavature sulla superficie del materiale. Questo metodo di fornitura di refrigerante all'interno della mola mostra un effetto di raffreddamento più forte, che può ridurre significativamente la temperatura di rettifica ed è favorevole allo scarico di trucioli.
macinazione
Tecnologia di elaborazione delle vibrazioni ultrasoniche
Il meccanismo di elaborazione delle vibrazioni ultrasoniche si basa sul movimento relativo dell'utensile e del pezzo durante il processo di elaborazione tradizionale, quindi viene applicata una certa vibrazione ultrasonica a entrambi, in modo da produrre un materiale composito con prestazioni migliori. Questa tecnologia è un'ottimizzazione e un'ausiliaria della tecnologia tradizionale. Rispetto ai metodi di elaborazione tradizionali, la tecnologia è più avanzata, la qualità della superficie del pezzo finito è più delicata e anche il fenomeno delle crepe è ridotto, risparmiando sui costi di elaborazione. La difficoltà di elaborazione dei materiali compositi rinforzati con CFRP è effettivamente ridotta. L'applicazione degli ultrasuoni ha migliorato completamente il meccanismo di rimozione del materiale, ridotto l'attrito tra l'utensile e il pezzo, ridotto il tempo di elaborazione dell'utensile, migliorato la forza dell'utensile, migliorato l'efficienza di elaborazione, ridotto l'usura dell'utensile e reso più avanzata la precisione e la qualità di elaborazione del pezzo. Esistono principalmente perforazione a vibrazione ultrasonica, rettifica a vibrazione ultrasonica, fresatura a vibrazione ultrasonica e taglio a vibrazione ultrasonica.
Taglio assistito da ultrasuoni
(1) Perforazione a vibrazione ultrasonica
La foratura a vibrazione ultrasonica è un metodo di lavorazione non tradizionale con un grande potenziale di sviluppo nella foratura efficiente di materiali compositi. I suoi principali vantaggi includono: riduzione della forza di taglio e della coppia; miglioramento della qualità della superficie di lavorazione, riduzione delle sbavature; eliminazione della stratificazione, ecc.
Alcuni studiosi hanno studiato l'uso di abrasivi diamantati per ruotare la perforazione a vibrazione ultrasonica del CFRP. La perforazione a rotazione ultrasonica è mostrata nella Figura 3. L'analisi del meccanismo del CFRP mostra che il meccanismo di rimozione del materiale del CFRP è più adatto per la frattura fragile piuttosto che per la deformazione plastica. Viene stabilito un modello di forza di taglio per prevedere la relazione tra parametri di lavorazione e ambiente di lavorazione sulla forza di taglio e l'accuratezza del modello meccanico viene verificata tramite esperimenti.
(2) Levigatura a vibrazione ultrasonica
La rettifica a vibrazione ultrasonica combina il meccanismo di rimozione del materiale della rettifica a diamante e la tecnologia di rettifica composita con le caratteristiche di lavorazione ultrasonica. I suoi principali vantaggi sono: può produrre l'effetto di riduzione della forza di taglio e dell'assottigliamento del truciolo; migliorare la precisione della superficie e la precisione della forma del pezzo; aumentare il tasso di rimozione del materiale e prolungare la durata dell'utensile; aumentare la profondità di taglio critica per la transizione tra domini fragili e duttili e realizzare la lavorazione del dominio duttile di materiali fragili.