Рис. 1 Масса опасных частиц (диаметром менее 12,5 мкм), достигающих альвеол легких, на 1 л воздуха

Рис. 1 Масса опасных частиц (диаметром менее 12,5 мкм), достигающих альвеол легких, на 1 л воздуха

Читайте авторскую статью-обзор литературы за 2014 год про обработку композитных материалов, подготовленную Элеонорой –автором блога Composite Machining.

В ходе исследовательской работы в нашем научно-исследовательском центре в Шеффилде я изучила множество отчетов и статей. Каждый год я делюсь обзором литературы со своими коллегами, а поскольку многие из наших читателей принадлежат к научным кругам, я хотела бы поделиться этим обзором и с вами. В этой статье вы найдете ряд по-настоящему интересных научных работ на тему механизмов деформации и резания, а также особенностей пакетов углепластик/металл и альтернативы механической обработке. Мой обзор литературы разделен на две части. Вторая часть будет опубликована в середине марта, и в ней будут рассмотрено орбитальное сверление, фрезерование, нанесение покрытий, обработка с помощью вибрации, охлаждение и фиксация. Следите за новостями!

Деформация

Интерес научного сообщества к механическим испытаниям обработанных деталей явно вырос [i]. Были разработаны специальные испытательные стенды, позволяющие создать напряжение в области «стенки отверстия» просверленной детали и оценить таким образом последствия расслоения детали во время сверления. Никакой связи между шероховатостью поверхности отверстия и механическими свойствами обнаружить не удалось. Тем не менее, в промышленности до сих пор проводятся измерения шероховатости поверхности. Было доказано, что шероховатость увеличивается от входа в отверстие к выходу из него, причиной чего считается снижение плотности остаточного материала по мере сверления, вызывающее усиленные вибрации [ii]. Также существуют различия в шероховатости на основе различий в ориентации волокон, при этом максимальное значение достигается при ориентации волокон под углом -45° относительно режущей кромки, где вытягивание волокон будет максимальным.

В области обработки кромок также предполагается, что степень шероховатости поверхности не всегда служит показателем качества [iii], поскольку во время резания формируются абразивные частицы (при определенной ориентации волокон), которые затем «сглаживают» поверхность детали после обработки. Это, несомненно, дает с виду «хорошую» поверхность, но не позволяет четко определить наличие трещин, которые могли образоваться во время первичной обработки. Степень возникающего истирания тесно связана со структурой переплетения волокон в тканевых композитах: чем ближе кромка к точке пересечения двух волокон, тем меньше вероятность истирания [iv].

Одна представляющая интерес научная работа [v] посвящена размеру частиц пыли, возникающих во время механической обработки, и вероятности проникновения пыли, образующейся при обработке различными инструментами в различных условиях резания, в чувствительные части легких. Частицы пыли меньшего размера более опасны для легких, при этом особую угрозу представляют частицы размером менее 12,5 микрон.

Еще одним направлением работы ученых является визуализация и обнаружение расслоения с помощью различных методов, включая широко применяемый метод лазерно-ультразвукового исследования [vi]. Несмотря на меньший интерес, обусловленный разрушающим характером (за исключением самых малых элементов), компьютерная томография просверленных отверстий в углепластике дает нам все новые и новые знания в области повреждений подслоя, возникающих при обработке [vii]. Помимо очевидных преимуществ, связанных с определением повреждений подслоя, она позволяет анализировать бо́льшую площадь (без деления на секции) с последующим исследованием растровым электронным микроскопом. Данный метод дает ученым возможность гораздо более точно определять количество дефектов по сравнению с оптическими технологиями.

Механизмы резания

Значительная часть работ посвящена принципам механизмов резания углепластика. До недавнего времени большинство исследований проводилось в области ортогонального резания, но с развитием сенсорных технологий стали изучаться и другие методы.

В недавней интересной разработке исследователи попытались измерить силы, возникающие при прохождении режущей кромки через различным образом направленные волокна просверливаемого образца, и сравнить этот процесс с результатами, полученными при ортогональном резании [viii], [ix]. В ходе обоих исследований было выявлено, что минимальное усилие реза достигается при резании волокон, расположенных под углом -45° к направлению реза. При расположении волокон под углом 60° и 90° усилия резания наиболее высоки, но также в большой степени зависят и от величины заднего угла (зависимость в случае волокон с другой ориентацией незначительна).

Рис. 2 Шероховатость поверхности отверстия при двух различных способах укладки слоев

Рис. 2 Шероховатость поверхности отверстия при двух различных способах укладки слоев

Влияние способа укладки слоев на обрабатываемость изучалось одной из исследовательских групп [x], которая выяснила, что этот эффект обусловлен шероховатостью поверхности. Из результатов стало ясно, что оптимальная конфигурация укладки варьируется в зависимости от скорости подачи, хотя в сделанном авторами заключении этот вопрос не был рассмотрен. В то же время способы укладки двух прилегающих друг к другу слоев с ориентацией волокон -45° создают особые трудности, поскольку они вызывают формирование в материале широких неровных бороздок (изображение справа, рис. 2).

Интересно, что в одном исследовании также отмечалась разница в износе инструмента при резании волокон разной ориентации. Дальнейшее исследование также выявило связь основных механизмов резания с типом износа [xi]. Было доказано, что максимальный износ по задней поверхности происходит при резании волокон, расположенных под углом -45° к режущей кромке. Это связано с тем, что оставляемая позади резца «рваная» поверхность трется о его заднюю грань (Рис. 3).

Рис. 3 Механизмы, обуславливающие износ задней поверхности резца при обработке композитных материалов

Рис. 3 Механизмы, обуславливающие износ задней поверхности резца при обработке композитных материалов

Такой вывод оказался неожиданным, поскольку, как было замечено ранее, при такой ориентации усилие резания должно быть наименьшим.

Альтернативы механической обработке

В 2014 году сохранилась тенденция к увеличению числа публикаций о гидроабразивной и лазерной резке углепластика. Относительно новой разработкой можно назвать использование жидкой двуокиси углерода под высоким давлением (3000 бар) для резания деталей из углепластика. По своим преимуществам этот способ близок к обычной гидроабразивной резке, но не требует последующей чистки и сушки заготовки.

В ходе механических испытаний, где сравнивалось использование гидроабразивной резки, борфрезы и алмазного инструмента для грубого шлифования, было доказано, что [xii]:

  • Детали, прошедшие гидроабразивную обработку, показали лучшие результаты в испытаниях на сжатие.
  • Детали, обработанные шлифовальным инструментом, обладали самой высокой межслоевой прочностью.
  • Обработка борфрезой придала заготовкам лучшую усталостную стойкость.

Поскольку главным механическим свойством, представляющим интерес для авиакосмических предприятий, обычно является усталостная прочность, такие результаты представляются хорошей новостью для производителей оборудования.

Другой интересный момент, отмеченный в той же работе, касается расположения дефектов в композитном материале. Для режущих инструментов деформации ограничены слоями с особой ориентацией волокон. Однако при использовании шлифовального и гидроабразивного инструмента дефекты образовывали «прожилки» по всей толщине материала.

Пакеты углепластик/металл

Сверление с помощью вибрации широко используется в промышленности для обработки пакетов углепластик/алюминий. Исследование сверления пакетов углепластик/титан в сопровождении низкочастотных колебаний показало значительное снижение температуры [xiii], хотя неясно, произошло ли это из-за прерывистого характера сверления, более эффективного удаления стружки или лучшего доступа смазочно-охлаждающей жидкости в зону резания. Также было установлено, что срок службы инструмента при этом может быть увеличен на 300 % [xiv].

Одно интересное исследование [xv] было посвящено такому вопросу: является ли износ инструмента при обработке пакетов углепластик/титан лишь суммой двух разных механизмов износа? Оно выявило значительную взаимозависимость. Углепластик существенно увеличивает срок службы инструмента в сравнении со сверлением титана в отдельности, поскольку углеродные волокна удаляют скопившийся на режущей кромке титан до того, как он сможет вызвать выкрашивание. Доля износа задней части резца от общего объема износа может быть рассчитана путем простого складывания показателей для титана и углепластика, сверлимых по отдельности.

 Список литературы:

[i] Heinrichs, M. Voß, R., Tanaka, H., Kuster, F., Wegener, K., Analysis of Material Weakening in CFRP after a Drilling Operation, Procedia CIRP 24 (2014) pp44-48

[ii] Xu, J., An, Q., Chen, M., A comparative evaluation of polycrystalline diamond drills in drilling high-strength T800S/250F CFRP, Composite Structures, Volume 117 (2014), pp 71-82

[iii] Voß, R., Henerichs, M., Kuster, F., Wegener, K., Chip Root Analysis after Machining Carbon Fiber Reinforced Plastics (CFRP) at Different Fiber Orientations, Procedia CIRP, Volume 24 (2014) pp 217-222

[iv] Hintze, W., Cordes, M., Koerkel, G., Influence of weave structure on delamination when milling CFRP, Journal of Materials Processing Technology, Volume 216 (2014), pp 199 – 205.

[v] Haddad, M., Zitoune, R., Eyma, F.,Castanie, B., Study of the surface defects and dust generated during trimming of CFRP: Influence of tool geometry, machining parameters and cutting speed range, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing Volume 66 (2014), pp142-154

[vi] Sun, G., Zhou, Z., Application of laser ultrasonic technique for non-contact detection of drilling-induced delamination in aeronautical composite components, Optik – International Journal for Light And Electron Optics, Volume 125 (2014), pp3608-3611

[vii] Pejryd, L., Bono, T., Carmignato, S., Computed Tomography as a Tool for Examining Surface Integrity in Drilled Holes in CFRP Composites, Volume 13 (2014), pp 43-48

[viii] Heinrichs, M. Voß, R., Tanaka, H., Kuster, F., Wegener, K ., Machining of carbon fiber reinforced plastics: Influence of tool geometry and fiber orientation on the machining forces, CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology, (2014) IN PRESS

[ix] Eneyew, E.D., Ramulu, M., Experimental study of surface quality and damage when drilling unidirectional CFRP composites, Journal of Materials Research and Technology, Volume 3 (2014), pp 354-362

[x] Eneyew, E.D., Ramulu, M., Experimental study of surface quality and damage when drilling unidirectional CFRP composites, Journal of Materials Research and Technology, Volume 3 (2014), pp 354-362

[xi] Ramirez, C., Poulachon, G., Rossi, F., M’Saoubi, R., Tool Wear Monitoring and Hole Surface Quality During CFRP Drilling, Procedia CIRP, Volume 13 (2014), pp 163-168

[xii] Haddad, M., Zitoune, R., Bougherera, H., Eyma, F., Castanie, B., Study of trimming damages of CFRP structures in function of the machining processes and their impact on the mechanical behaviour, Composites Part B: Engineering, Volume 57 (2014), pp 136 – 143

[xiii] Pecat, O., Brinksmeir, E., Low Damage Drilling of CFRP/Titanium Compound Materials for Fastening, Procedia CIRP, Volume 13 (2014), pp1-7

[xiv] Pecat, O., Brinksmeir, E., Tool Wear Analyses in Low Frequency Vibration Assisted Drilling of CFRP/Ti6Al4V Stack Material, Procedia CIRP, Volume 14 (2014), pp 142-147

[xv] Wang, X., Kwon, P.Y., Sturtevant, C., Kim, D., Lartrip, J., Comparative tool wear study based on drilling experiments on CFRp/Ti stack and its individual layers, Wear, Volume 317 (2014), pp 265-276

Источник: перевод статьи
Literature Review – Composite Machining 2014,
Composite Machining

Автор статьи:
Элеонора (Eleanor)



Понравилась статья? Поделитесь: