Характеристики поведения углеродных волокон при резке углепластика с использованием сверхтвердых ...

Аннотация: Постоянно растущий спрос на углеродно-волокнистые полимеры (CFRP) в аэрокосмической, транспортной и других отраслях промышленности сталкивается с серьезными проблемами, связанными с низкой обрабатываемостью, высокой скоростью износа инструмента и склонностью к расслоению и термическому повреждению. Это объясняется абразивностью углеродных волокон/остатков, неоднородностью материала и анизотропными свойствами, а следовательно, высокими колебаниями силы резания. Практический подход к преодолению этих проблем заключается в использовании прерывистого процесса резания «орбитального сверления» (OD) для снижения сил и термического повреждения с помощью однослойного сверхабразивного алмазного инструмента (SAD). Такой подход позволяет осуществлять высокоскоростную обработку, исключая при этом термическое повреждение деталей. Оптимизация процесса и проектирование инструмента требуют фундаментального понимания поведения углеродных волокон при обработке CFRP сложной трехмерной архитектуры. Это требует выявления механизма деформации и режимов разрушения. В данной презентации представлены результаты численного и экспериментального исследования механизма удаления материала с использованием царапания одним алмазным зерном на углеродно-эпоксидных композитах. Эксперименты проводились с использованием геометрически четко определенного алмазного зерна для определения влияния ориентации волокон на механизм удаления материала и для учета влияния геометрии зерна — наклонной грани или кромки. Оптические и СЭМ-наблюдения показали, что основной механизм образования стружки состоял из первоначального разрушения эпоксидной смолы с последующим отслоением волокон. Отслоившиеся волокна подвергались изгибу или деформации, что создавало внутри них изгибающие напряжения, приводящие к разрушению. Также было проведено конечно-элементное моделирование процесса на основе микромеханического подхода для выявления режимов разрушения композита, а также для оценки уровня повреждения вне зоны обработки. Было обнаружено, что волокна перед режущим инструментом подвергались значительному изгибу, приводящему к разрушению от растяжения. Знания, полученные в результате этого фундаментального исследования, послужили основой для моделирования процесса резания, который включает в себя коллективное действие многочисленных хаотично распределенных зерен на поверхности инструмента. Это привело к разработке основанной на физических принципах аналитической модели силы резания для прогнозирования сил резания при обработке углепластиков, учитывающей механизмы образования стружки, свойства материала, кинематику процесса обработки и геометрию инструмента. Учет механизмов образования стружки позволяет модели прогнозировать силы для ламинатов с различной ориентацией волокон и изменения сил, обусловленные внутрислойной и межслойной ориентацией волокон. Главным ограничением использования сверхтвердых алмазных инструментов для резки углепластиков является высокая шероховатость обрабатываемых поверхностей, которая обычно превышает требования аэрокосмической отрасли. Для решения этой проблемы и увеличения срока службы инструмента на порядок был разработан новый гибридный осцилляционно-орбитальный процесс с использованием сверхтвердых алмазных инструментов. При правильном выборе условий резания и параметров процесса сила осевого усилия, температура инструмента и шероховатость поверхности были снижены примерно на 35%, 25% и 80% соответственно по сравнению с традиционным орбитальным сверлением с использованием твердосплавной концевой фрезы, при этом срок службы инструмента увеличился на порядок. Это сопоставимо с инструментами на основе поликристаллического алмаза, но при этом значительно дешевле. Ключевые слова: Углеродно-эпоксидный композит; Однослойные алмазные зерна; Режимы разрушения волокон; Аналитическая силовая модель Полная статья: https://www.proceedings.iaamonline.org/article/vpoam-2021-0152 Присоединяйтесь к нам: https://www.iaamonline.org/