Prinsip pemprosesan utama dan kaedah bahan komposit gentian karbon
Dengan mengejar bahan ringan dan prestasi cemerlang dalam pelbagai industri, penggunaan gentian karbon dan bahan kompositnya menjadi semakin meluas. Sebab utama kekurangan aplikasi berskala besar ialah kos dan kecekapan pengeluaran. Kos adalah terutamanya kos bahan dan kos pemprosesan pengacuan kelompok. Cara menghasilkan bahan komposit gentian karbon yang berkualiti tinggi dan kos rendah dalam kuantiti yang banyak dengan kelajuan tinggi dan kecekapan tinggi untuk mengurangkan sisa bahan telah menjadi kata sepakat dalam industri.
1 Kesukaran memproses gentian karbon
Semasa pemprosesan bahan komposit bertetulang gentian karbon (CFRP), terdapat interaksi dalaman yang agak kompleks antara matriks dan gentian, yang menjadikan sifat fizikalnya sangat berbeza daripada logam. Ketumpatan CFRP jauh lebih kecil daripada logam, manakala kekuatannya lebih besar daripada kebanyakan logam. Disebabkan ketidaksamaan CFRP, gentian tarik keluar atau pemisahan gentian matriks sering berlaku semasa pemprosesan; CFRP mempunyai rintangan haba dan rintangan haus yang tinggi, yang menjadikannya mempunyai keperluan yang lebih tinggi untuk peralatan semasa pemprosesan, kerana sejumlah besar haba pemotongan yang dihasilkan semasa proses pengeluaran menyebabkan kehausan yang serius pada peralatan.
Pada masa yang sama, dengan pengembangan berterusan bidang aplikasinya, keperluan menjadi lebih dan lebih halus, dan keperluan untuk kebolehgunaan bahan dan keperluan kualiti untuk CFRP menjadi semakin ketat, yang juga menyebabkan kos pemprosesan meningkat .
2 Prinsip pemprosesan
Orientasi gentian
Orientasi gentian mempunyai kesan yang ketara ke atas interaksi antara bahan kerja CFRP dan permukaan sentuhan alat. Pembentukan cip berkait rapat dengan orientasi gentian. Keretakan bahan kerja CFRP dan permukaan sentuhan alat disebabkan oleh tekanan yang dikenakan oleh hujung alat. Terdapat tiga mekanisme pemotongan dari segi pelbagai orientasi gentian:
(1) Patah gentian berada di sepanjang arah permukaan sentuhan gentian dan matriks, iaitu, orientasi gentian ialah 0 darjah .
(2) Arah ricih alat adalah berserenjang dengan paksi gentian, dan orientasi gentian ialah 75 darjah.
(3) Orientasi gentian ialah 90 darjah atau sudut negatif. Sudut arah gentian 30 darjah, 60 darjah, dan 90 darjah adalah arah yang paling kritikal. Ia akan menyebabkan daya pemotongan yang besar, haus tertumpu dan kerosakan bahan kerja. Dengan meningkatkan nilai sudut belakang alat, tujahan suapan boleh dikurangkan dengan berkesan.
Memotong haba
Proses pemotongan CFRP adalah proses kompleks patah gentian karbon dan penyingkiran bahan matriks. Geseran antara bahan kerja dan alat pemotong meningkatkan suhu, malah menyebabkan alat menjadi lembut atau reput pada suhu tinggi. CFRP mempunyai kekonduksian terma yang lemah, jadi ia dilarang menggunakan penyejuk semasa proses pemotongan, yang menjadikan haba pemotongan yang dihasilkan tidak dapat hilang dengan cepat, dan haba dipindahkan ke alat pemotong, yang memburukkan lagi haus peralatan pemotongan dan sangat mengurangkan. hayat perkhidmatannya. Pada masa yang sama, haba permukaan bahan kerja bertambah teruk, yang menjejaskan pembentukan permukaan bahan komposit dan mengurangkan prestasi bahan komposit yang digunakan.
Penyelidikan mengenai haba pemotongan bahan komposit terutamanya tertumpu kepada kaedah pengukuran suhu pemotongan. Ramai sarjana di dalam dan luar negara menggunakan termometer inframerah, pengimej haba atau termokopel terbenam untuk mengukur suhu pemotongan bahan komposit gentian karbon.
Mekanisme kehausan alatan
CFRP ialah bahan yang sukar diproses, terutamanya kerana ia memakai alat dengan sangat cepat. Mekanisme haus alat semasa proses pemprosesan ialah: apabila bahan kerja diproses pada alat, kedua-dua permukaan berada dalam hubungan yang besar. Semasa pemprosesan, haus dan getaran jangka panjang menyebabkan zarah keras pada alat kadang-kadang tertanggal, sekali gus membentuk apa yang dipanggil haus alat.
Jenis haus boleh dibahagikan secara kasar kepada kerosakan dan kehausan alatan. Mengikut lokasi haus yang berbeza, haus boleh dibahagikan kepada haus hujung alat, haus sisi alat, kerosakan tepi alat dan haus tepi.
Terdapat banyak faktor yang mempengaruhi haus alat, terutamanya termasuk: parameter pemprosesan, geometri alat dan bahan. Dalam proses pemotongan CFRP, parameter proses (seperti kelajuan pemotongan, kadar suapan, orientasi gentian, dll.) akan mempengaruhi kehausan alat dengan ketara. Secara amnya, peningkatan dalam kelajuan pemotongan akan memburukkan lagi haus rusuk. Geometri alat dan bahan mempunyai kesan yang ketara pada permukaan mesin, pembentukan cip, daya pemotongan dan haus alatan.
4 Kaedah pemprosesan
Berpusing
Memusing ialah kaedah yang paling banyak digunakan dan kaedah paling asas dalam pemprosesan CFRP, dan biasanya sesuai untuk mencapai had terima yang telah ditetapkan pada permukaan silinder. Bahan utama alat yang sesuai untuk memusing ialah: karbida bersimen atau seramik dan berlian polihabluran. Kadar suapan, kedalaman pemotongan, dan kelajuan pemotongan dalam proses pemprosesan akan menjejaskan kualiti permukaan bahan kerja siap dan tahap kerosakan alat, yang juga merupakan arah sasaran untuk pengoptimuman teknikal.
Berpusing
Pengilangan
Pengilangan biasanya merupakan kaedah pemprosesan untuk memproses semula bahan kerja siap, memerlukan ketepatan pemprosesan yang tinggi, dan proses pengilangan pembaikan untuk bahan kerja yang kompleks selepas pemprosesan kasar. Semasa proses pemesinan, pengisar akhir dan CFRP juga perlu berinteraksi dengan cara yang kompleks, menghasilkan benang gentian yang tidak dipotong dan penembusan dalam bahan kerja CFRP. Untuk mengurangkan dan mengelakkan kecacatan yang serupa, selagi daya pemotongan dan magnitud delaminasi paksi dan burr benang gentian tidak dipotong secara saintifik diramalkan pada peringkat awal pemesinan, dan tetapan parameter proses pemesinan dikawal, penjanaan burr dan burr akan dikurangkan dengan berkesan.
Parameter proses utama, seperti orientasi gentian, kelajuan suapan paksi dan tangen, dan kelajuan pemotongan, akan memberi kesan yang ketara ke atas kekasaran permukaan bahan kerja. Keperluan teknikal untuk pengilangan: Berulang kali mencuba dengan orientasi gentian, kelajuan suapan paksi dan tangen, membentuk parameter optimum dan melakukan pengilangan.
Pemotong pengilangan untuk pemesinan CFRP
menggerudi
Bahan kerja memerlukan operasi penggerudian apabila bolt atau pemasangan rivet. Masih terdapat masalah tertentu dalam proses penggerudian CFRP: delaminasi bahan, haus alat yang teruk dan masalah kualiti dinding dalaman lubang. Menurut analisis eksperimen, parameter pemotongan yang ditetapkan, geometri gerudi dan kualiti pemotongan mempunyai kesan yang ketara terhadap masalah di atas. Nisbah diameter maksimum kawasan yang rosak kepada apertur biasanya dipanggil faktor kerosakan, yang juga menunjukkan tahap delaminasi. Lebih besar faktor delaminasi, lebih serius masalah delaminasi.
Melalui eksperimen, dapat disimpulkan bahawa fenomena tujahan dan delaminasi dalam proses pemotongan juga berkaitan antara satu sama lain, dan magnitud daya tujahan juga boleh menunjukkan tahap delaminasi. Berdasarkan bahan penggerudian yang sama, tidak seperti kaedah pemprosesan lain, kadar pemotongan dalam pemprosesan penggerudian tidak akan memberi kesan yang besar kepada daya pemotongan.
Di bawah parameter pemotongan yang sama, berbanding dengan gerudi putar, parameter tersebut mempunyai kesan yang lebih rendah pada delaminasi gerudi khas komposit. Untuk gerudi dengan ciri geometri khas, kadar suapan dan diameter gerudi yang lebih besar boleh mengurangkan delaminasi, dan daya pemotongan lubang penggerudian dengan nisbah diameter yang berbeza akan meningkat dengan penurunan nisbah diameter dan meningkat dengan peningkatan kadar suapan.
Mata gerudi untuk pemprosesan CFRP
Mengisar
Biasanya dalam bidang pembinaan kapal dan industri aeroangkasa, keperluan kualiti untuk bahan kerja CFRP adalah lebih ketat. Ketepatan dan kualiti bahan kerja diperlukan untuk dijalankan di bawah kaedah pemprosesan yang lebih tinggi, dan proses pembinaan pemprosesan pengisaran hanya memenuhi keperluan pembuatannya. Keperluan ketepatan untuk bahagian pengisaran adalah sangat ketat, dan pengisaran halus diperlukan untuk bahan kerja yang telah diproses secara kasar.
Mengisar CFRP jauh lebih sukar dan rumit daripada logam. Cendekiawan dalam dan luar negara juga telah menjalankan penyelidikan yang berkaitan dan mereka bentuk roda pengisar berbentuk cawan, yang menyediakan penyejuk di dalam untuk mengisar CFRP. Tiga kaedah pemprosesan pengisaran kering, pengisaran penyejuk luar dan pengisaran penyejuk dalaman telah dibandingkan. Keputusan menunjukkan bahawa semasa proses pengisaran bahan penyejuk dalaman, resin matriks yang melekat pada roda pengisar telah berkurangan dengan ketara, dan zarah-zarah yang melelas dalam roda pengisar boleh mengisar gentian dengan lebih berkesan tanpa delaminasi atau burr pada permukaan bahan. Kaedah menyediakan penyejuk di dalam roda pengisaran ini menunjukkan kesan penyejukan yang lebih kuat, yang boleh mengurangkan suhu pengisaran dengan ketara dan kondusif untuk pelepasan cip.
Mengisar
Teknologi pemprosesan getaran ultrasonik
Mekanisme pemprosesan getaran ultrasonik adalah berdasarkan pergerakan relatif alat dan bahan kerja semasa proses pemprosesan tradisional, dan kemudian getaran ultrasonik tertentu digunakan pada kedua-duanya, untuk menghasilkan bahan komposit dengan prestasi yang lebih baik. Teknologi ini adalah pengoptimuman dan tambahan kepada teknologi tradisional. Berbanding dengan kaedah pemprosesan tradisional, teknologinya lebih maju, kualiti permukaan bahan kerja siap lebih halus, dan fenomena keretakan juga berkurangan, menjimatkan kos pemprosesan. Kesukaran pemprosesan bahan komposit bertetulang CFRP dikurangkan dengan berkesan. Penggunaan ultrasound telah meningkatkan sepenuhnya mekanisme penyingkiran bahan, mengurangkan geseran antara alat dan bahan kerja, mengurangkan masa pemprosesan alat, meningkatkan daya alat, meningkatkan kecekapan pemprosesan, mengurangkan haus alat, dan membuat ketepatan dan kualiti pemprosesan bahan kerja lebih maju. Terdapat terutamanya penggerudian getaran ultrasonik, pengisaran getaran ultrasonik, pengilangan getaran ultrasonik, dan pemotongan getaran ultrasonik.
Pemotongan dibantu ultrasonik
(1) Penggerudian getaran ultrasonik
Penggerudian getaran ultrasonik ialah kaedah pemprosesan bukan tradisional dengan potensi pembangunan yang besar dalam penggerudian bahan komposit yang cekap. Kelebihan utamanya termasuk: mengurangkan daya pemotongan dan tork; meningkatkan kualiti permukaan pemprosesan, mengurangkan burr; mengelakkan stratifikasi, dsb.
Sesetengah sarjana telah mengkaji penggunaan pelelas berlian untuk memutar gerudi ultrasonik penggerudian CFRP. Penggerudian ultrasonik berputar ditunjukkan dalam Rajah 3. Analisis mekanisme CFRP menunjukkan bahawa mekanisme penyingkiran bahan CFRP lebih sesuai untuk patah rapuh daripada ubah bentuk plastik. Model daya pemotongan diwujudkan untuk meramalkan hubungan antara parameter pemprosesan dan persekitaran pemprosesan pada daya pemotongan, dan ketepatan model mekanikal disahkan oleh eksperimen.
(2) Pengisaran getaran ultrasonik
Pengisaran getaran ultrasonik menggabungkan mekanisme penyingkiran bahan pengisaran berlian dan teknologi pengisaran komposit dengan ciri pemprosesan ultrasonik. Kelebihan utamanya ialah: ia boleh menghasilkan kesan mengurangkan daya pemotongan dan penipisan cip; meningkatkan ketepatan permukaan dan ketepatan bentuk bahan kerja; meningkatkan kadar penyingkiran bahan dan memanjangkan hayat alat; meningkatkan kedalaman pemotongan kritikal untuk peralihan antara domain rapuh dan mulur, dan merealisasikan pemprosesan domain mulur bahan rapuh.