Wichtigste Verarbeitungsprinzipien und -methoden von Kohlenstofffaserverbundwerkstoffen
Mit dem Streben nach leichten Materialien und hervorragender Leistung in verschiedenen Branchen wird die Anwendung von Kohlefasern und ihren Verbundwerkstoffen immer umfangreicher. Der Hauptgrund für den Mangel an großflächiger Anwendung sind die Kosten und die Produktionseffizienz. Die Kosten sind hauptsächlich die Materialkosten und die Kosten für die Chargenformverarbeitung. Wie man hochwertige, kostengünstige Kohlefaserverbundwerkstoffe in großen Mengen mit hoher Geschwindigkeit und hoher Effizienz herstellt, um Materialabfälle zu reduzieren, ist in der Branche zu einem Konsens geworden.
1 Schwierigkeiten bei der Verarbeitung von Kohlefasern
Bei der Verarbeitung von kohlenstofffaserverstärkten Verbundwerkstoffen (CFK) kommt es zu einer relativ komplexen internen Wechselwirkung zwischen der Matrix und der Faser, wodurch sich die physikalischen Eigenschaften stark von denen von Metallen unterscheiden. Die Dichte von CFK ist viel geringer als die von Metall, während die Festigkeit höher ist als die der meisten Metalle. Aufgrund der Ungleichmäßigkeit von CFK kommt es während der Verarbeitung häufig zu Faserausrissen oder einer Trennung der Matrixfasern. CFK weist eine hohe Hitzebeständigkeit und Verschleißfestigkeit auf, wodurch bei der Verarbeitung höhere Anforderungen an die Ausrüstung gestellt werden, da eine große Menge an Schneidwärme, die während des Produktionsprozesses entsteht, zu starkem Verschleiß der Ausrüstung führt.
Gleichzeitig werden mit der kontinuierlichen Erweiterung der Anwendungsgebiete die Anforderungen immer anspruchsvoller und die Anforderungen an die Materialeignung und Qualität von CFK immer strenger, was auch zu steigenden Verarbeitungskosten führt.
2 Verarbeitungsprinzip
Faserorientierung
Die Faserorientierung hat einen erheblichen Einfluss auf die Wechselwirkung zwischen dem CFK-Werkstück und der Werkzeugkontaktfläche. Die Spanbildung hängt eng mit der Faserorientierung zusammen. Der Bruch des CFK-Werkstücks und der Werkzeugkontaktfläche wird durch den Druck verursacht, der von der Werkzeugspitze ausgeübt wird. Es gibt drei Schneidmechanismen in Bezug auf verschiedene Faserorientierungen:
(1) Der Faserbruch erfolgt entlang der Richtung der Kontaktfläche zwischen Faser und Matrix, d. h. die Faserorientierung beträgt 0 Grad.
(2) Die Richtung der Werkzeugscherung verläuft senkrecht zur Faserachse und die Faserausrichtung beträgt 75 Grad.
(3) Die Faserausrichtung beträgt 90 Grad oder sogar einen negativen Winkel. Die Faserrichtungswinkel von 30 Grad, 60 Grad und 90 Grad sind die kritischsten Richtungen. Sie verursachen große Schnittkräfte, konzentrierten Verschleiß und Werkstückschäden. Durch Erhöhen des Werkzeugrückwinkelwerts kann der Vorschubschub effektiv reduziert werden.
Schneidwärme
Der Schneidprozess von CFK ist ein komplexer Prozess, bei dem Kohlenstofffasern gebrochen und Matrixmaterial entfernt werden. Die Reibung zwischen dem Werkstück und dem Schneidwerkzeug erhöht die Temperatur und führt sogar dazu, dass das Werkzeug bei hohen Temperaturen weich wird oder sich zersetzt. CFK hat eine schlechte Wärmeleitfähigkeit, daher ist es verboten, während des Schneidprozesses Kühlmittel zu verwenden, da die erzeugte Schneidwärme dadurch nicht schnell abgeführt werden kann und die Wärme auf das Schneidwerkzeug übertragen wird, was den Verschleiß der Schneidausrüstung verschlimmert und ihre Lebensdauer erheblich verkürzt. Gleichzeitig wird die Oberflächenwärme des Werkstücks verstärkt, was die Oberflächenformung des Verbundwerkstoffs beeinträchtigt und die Leistung des Verbundwerkstoffs im Einsatz verringert.
Die Forschung zur Schneidwärme von Verbundwerkstoffen konzentriert sich hauptsächlich auf die Messmethode der Schneidtemperatur. Viele Wissenschaftler im In- und Ausland verwenden Infrarotthermometer, Wärmebildkameras oder eingebettete Thermoelemente, um die Schneidtemperatur von Kohlefaserverbundwerkstoffen zu messen.
Werkzeugverschleißmechanismus
CFK ist ein schwer zu verarbeitendes Material, vor allem weil es das Werkzeug sehr schnell verschleißt. Der Verschleißmechanismus des Werkzeugs während des Verarbeitungsprozesses ist: Wenn das Werkstück auf dem Werkzeug verarbeitet wird, haben die beiden Oberflächen großen Kontakt. Während der Verarbeitung lösen sich durch langfristigen Verschleiß und Vibration gelegentlich die harten Partikel am Werkzeug, wodurch der sogenannte Werkzeugverschleiß entsteht.
Verschleißarten können grob in Werkzeugschäden und Verschleiß unterteilt werden. Je nach den verschiedenen Verschleißstellen kann der Verschleiß in Werkzeugspitzenverschleiß, Werkzeugseitenverschleiß, Werkzeugkantenschäden und Kantenverschleiß unterteilt werden.
Es gibt viele Faktoren, die den Werkzeugverschleiß beeinflussen, vor allem: Verarbeitungsparameter, Werkzeuggeometrie und Materialien. Beim CFK-Schneidprozess wirken sich Prozessparameter (wie Schnittgeschwindigkeit, Vorschubgeschwindigkeit, Faserausrichtung usw.) erheblich auf den Werkzeugverschleiß aus. Im Allgemeinen erhöht eine Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit den Flankenverschleiß. Werkzeuggeometrie und Materialien haben einen erheblichen Einfluss auf die bearbeitete Oberfläche, die Spanbildung, die Schnittkraft und den Werkzeugverschleiß.
4 Verarbeitungsmethoden
Drehen
Drehen ist die am weitesten verbreitete und grundlegendste Methode bei der CFK-Verarbeitung und eignet sich normalerweise zum Erreichen vorgegebener Toleranzen auf zylindrischen Oberflächen. Die wichtigsten Materialien für zum Drehen geeignete Werkzeuge sind: Hartmetall oder Keramik und polykristalliner Diamant. Vorschub, Schnitttiefe und Schnittgeschwindigkeit im Verarbeitungsprozess beeinflussen die Oberflächenqualität des fertigen Werkstücks und den Grad der Werkzeugbeschädigung, was auch die Zielrichtung für die technische Optimierung ist.
Drehen
Mahlen
Fräsen ist in der Regel ein Bearbeitungsverfahren zur Wiederaufbereitung fertiger Werkstücke, das eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit erfordert, und ein Reparaturfräsverfahren für komplexe Werkstücke nach der Grobbearbeitung. Während des Bearbeitungsprozesses müssen Schaftfräser und CFK zudem auf komplexe Weise interagieren, was zu ungeschnittenen Fasergarnen und Delaminationen im CFK-Werkstück führt. Um ähnliche Defekte zu reduzieren und zu vermeiden, wird die Entstehung von Graten und Graten wirksam reduziert, solange die Schnittkraft und das Ausmaß der axialen Delamination und der ungeschnittenen Fasergarngrate im frühen Stadium der Bearbeitung wissenschaftlich vorhergesagt und die Einstellungen der Bearbeitungsprozessparameter kontrolliert werden.
Die wichtigsten Prozessparameter wie Faserorientierung, axiale und tangentiale Vorschubgeschwindigkeiten sowie Schnittgeschwindigkeiten haben einen erheblichen Einfluss auf die Oberflächenrauheit des Werkstücks. Technische Anforderungen für das Fräsen: Experimentieren Sie wiederholt mit Faserorientierung, axialen und tangentialen Vorschubgeschwindigkeiten, bilden Sie optimale Parameter und führen Sie das Fräsen durch.
Fräser für die CFK-Bearbeitung
Bohren
Das Werkstück erfordert Bohrvorgänge, wenn Schrauben oder Nieten montiert werden. Beim CFK-Bohrprozess treten immer noch bestimmte Probleme auf: Materialablösung, starker Werkzeugverschleiß und Qualitätsprobleme der Innenwand des Lochs. Laut experimenteller Analyse haben die eingestellten Schneidparameter, die Bohrgeometrie und die Schneidqualität einen erheblichen Einfluss auf die oben genannten Probleme. Das Verhältnis des maximalen Durchmessers des beschädigten Bereichs zur Öffnung wird üblicherweise als Schadensfaktor bezeichnet, der auch den Grad der Ablösung angibt. Je größer der Ablösungsfaktor, desto schwerwiegender ist das Ablösungsproblem.
Durch Experimente kann festgestellt werden, dass die Schub- und Delaminationsphänomene beim Schneidvorgang auch miteinander in Beziehung stehen und die Stärke der Schubkraft auch den Grad der Delamination anzeigen kann. Basierend auf dem gleichen Bohrmaterial hat die Schnittgeschwindigkeit beim Bohren im Gegensatz zu anderen Verarbeitungsverfahren keinen großen Einfluss auf die Schnittkraft.
Bei gleichen Schnittparametern haben die Parameter im Vergleich zu Spiralbohrern einen geringeren Einfluss auf die Delamination von Verbundspezialbohrern. Bei Bohrern mit besonderen geometrischen Merkmalen kann eine höhere Vorschubgeschwindigkeit und ein höherer Bohrdurchmesser die Delamination verringern, und die Schnittkraft beim Bohren von Löchern mit unterschiedlichen Durchmesserverhältnissen nimmt mit abnehmendem Durchmesserverhältnis zu und mit zunehmender Vorschubgeschwindigkeit zu.
Bohrer für die CFK-Bearbeitung
Schleifen
Im Schiffbau und in der Luft- und Raumfahrtindustrie gelten in der Regel strengere Qualitätsanforderungen für CFK-Werkstücke. Die Genauigkeit und Qualität der Werkstücke muss mit höheren Verarbeitungsmethoden erreicht werden, und der Konstruktionsprozess der Schleifverarbeitung erfüllt gerade seine Fertigungsanforderungen. Die Präzisionsanforderungen für Schleifteile sind sehr streng, und für Werkstücke, die grob verarbeitet wurden, ist Feinschleifen erforderlich.
Das Schleifen von CFK ist viel schwieriger und komplizierter als das Schleifen von Metall. In- und ausländische Wissenschaftler haben entsprechende Forschungen durchgeführt und eine becherförmige Schleifscheibe entwickelt, die innen mit Kühlmittel zum Schleifen von CFK versehen ist. Die drei Verarbeitungsmethoden Trockenschleifen, Schleifen mit externer Kühlung und Schleifen mit interner Kühlung wurden verglichen. Die Ergebnisse zeigten, dass beim Schleifen mit interner Kühlung das an der Schleifscheibe haftende Matrixharz deutlich reduziert wurde und die Schleifkörner in der Schleifscheibe die Fasern effektiver schleifen konnten, ohne dass es zu Delaminationen oder Graten auf der Oberfläche des Materials kam. Diese Methode, Kühlmittel in die Schleifscheibe einzubringen, zeigt einen stärkeren Kühleffekt, der die Schleiftemperatur deutlich senken kann und den Abtransport von Spänen begünstigt.
Schleifen
Ultraschall-Vibrationsverarbeitungstechnologie
Der Ultraschall-Vibrationsverarbeitungsmechanismus basiert auf der relativen Bewegung des Werkzeugs und des Werkstücks während des herkömmlichen Verarbeitungsprozesses. Anschließend wird eine bestimmte Ultraschallvibration auf beide angewendet, um ein Verbundmaterial mit besserer Leistung zu erzeugen. Diese Technologie ist eine Optimierung und Ergänzung der herkömmlichen Technologie. Im Vergleich zu herkömmlichen Verarbeitungsmethoden ist die Technologie fortschrittlicher, die Oberflächenqualität des fertigen Werkstücks ist feiner und das Phänomen der Risse wird ebenfalls reduziert, wodurch Verarbeitungskosten gespart werden. Die Verarbeitungsschwierigkeit von CFK-verstärkten Verbundmaterialien wird effektiv reduziert. Die Anwendung von Ultraschall hat den Materialentfernungsmechanismus vollständig verbessert, die Reibung zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück verringert, die Werkzeugverarbeitungszeit verkürzt, die Werkzeugkraft erhöht, die Verarbeitungseffizienz verbessert, den Werkzeugverschleiß verringert und die Präzision und Qualität der Werkstückverarbeitung verbessert. Es gibt hauptsächlich Ultraschall-Vibrationsbohren, Ultraschall-Vibrationsschleifen, Ultraschall-Vibrationsfräsen und Ultraschall-Vibrationsschneiden.
Ultraschallunterstütztes Schneiden
(1) Ultraschall-Vibrationsbohren
Ultraschall-Vibrationsbohren ist eine nicht traditionelle Verarbeitungsmethode mit großem Entwicklungspotenzial für das effiziente Bohren von Verbundwerkstoffen. Zu den Hauptvorteilen zählen: Reduzierung der Schnittkraft und des Drehmoments, Verbesserung der Qualität der Verarbeitungsoberfläche, Reduzierung von Graten, Vermeidung von Schichtung usw.
Einige Wissenschaftler haben die Verwendung von Diamantschleifmitteln zum rotierenden Ultraschall-Vibrationsbohren von CFK untersucht. Das rotierende Ultraschallbohren ist in Abbildung 3 dargestellt. Die Mechanismusanalyse von CFK zeigt, dass der Materialentfernungsmechanismus von CFK eher für Sprödbrüche als für plastische Verformung geeignet ist. Es wurde ein Schnittkraftmodell erstellt, um die Beziehung zwischen Verarbeitungsparametern und Verarbeitungsumgebung auf die Schnittkraft vorherzusagen, und die Genauigkeit des mechanischen Modells wurde durch Experimente überprüft.
(2) Ultraschall-Vibrationsschleifen
Das Ultraschall-Vibrationsschleifen kombiniert den Materialabtragsmechanismus des Diamantschleifens und der Verbundschleiftechnologie mit den Eigenschaften der Ultraschallverarbeitung. Seine Hauptvorteile sind: Es kann die Schnittkraft reduzieren und die Spanausdünnung verbessern; die Oberflächengenauigkeit und Formgenauigkeit des Werkstücks verbessern; die Materialabtragsrate erhöhen und die Lebensdauer des Werkzeugs verlängern; die kritische Schnitttiefe für den Übergang zwischen spröden und duktilen Bereichen erhöhen und die Verarbeitung spröder Materialien im duktilen Bereich realisieren.