Прогресс в исследовании дефектов многослойного процесса сверления композитного материала из углеродного волокна

Композитный материал из углеродного волокна (CFRP) широко используется в аэрокосмической, военной обороны, автомобильных авиационных компонентах и других областях из-за его высокой прочности, высокого модуля, низкой плотности, высокой термостойкости, коррозионной стойкости, сопротивления трению, усталости и других превосходных характеристик. Если взять в качестве примера Airbus A380, количество композитных материалов из углеродного волокна достигло около 32 т, что составляет 15% от общего объема учреждения, плюс другие виды композитных материалов, общее количество которых, по оценкам, может достигать около 25% от общего веса конструкции. Сверление является одним из наиболее распространенных методов вторичной обработки композиционных материалов из углеродного волокна. Однако из-за его характеристик анизотропии и неоднородности, низкой прочности межслойного соединения и большого влияния температуры композитный материал из углеродного волокна может легко вызывать такие дефекты, как расслоение, заусение и разрыв во время сверления отверстий, что является типичным для труднообрабатываемого материала.

Исследования показали, что среди распространенных дефектов пор в вышеупомянутых нескольких композитных материалах из углеродного волокна, многослойные дефекты оказывают наибольшее влияние на несущую способность и усталостную прочность композитных конструкций. В этой статье в основном рассматривается текущее состояние исследований в стране и за рубежом с точки зрения механизма, влияющих факторов и обнаружения многослойных дефектов в процессе сверления композитных материалов из углеродного волокна.

Механизм анализа CFRP

Из-за особенностей механических свойств CFRP и разнообразия внутренней структуры, в процессе резания процесс деформации материала намного сложнее, чем металлический материал, что связано не только с традиционными факторами, такими как форма инструмента и параметры процесса, но также непосредственно влияет на свойства волокна и матрицы и направление укладки волокна. Следовательно, механизм обработки резанием CFRP сильно отличается от традиционного механизма обработки резанием металла.

1. Механизм резки CFRP

В 1983 году Коплев и др. Ранее провели экспериментальные исследования процесса резки углеродного волокна и указали, что стружка CFRP в основном образована хрупким разрывом материала. D.H.Wang et al. провели ортогональные испытания резания на однонаправленных и многонаправленных композитных материалах из углеродного волокна и изучили влияние различных направлений волокон на механизм образования стружки. Поскольку композитный материал из углеродного волокна состоит из хрупкого углеродного волокна и ударной смолы, предел прочности между ними очень различен. Первый в несколько раз больше, чем второй. Поэтому ученый Чжан Хоцзян и другие считают, что его можно упростить в процессе резки. Как только резка углеродного волокна, резка матрицы смолы будет игнорироваться.

В литературе изучаются некоторые типичные направления укладки волокон и суммируются формы образования стружки в композиционных материалах из углеродного волокна под углом θ в различных направлениях волокон (см. Рисунок 1).

Когда θ = 0 °, формирование стружки достигается резцом, непрерывно отделяя материал режущего слоя от материала основы. Эта форма деформации резания называется типом межслойного разделения.

Когда 0 °<θ≤ 90 °, как представлено θ = 45 ° и θ = 90 ° на фиг. 1, толкающее действие режущей кромки инструмента на композит из углеродного волокна создает напряжение сдвига внутри волокна, перпендикулярное его собственной оси. Когда напряжение сдвига превышает предел прочности на сдвиг волокна, волокна вырезаются. Отрезанные волокна скользят вдоль направления волокна под действием толчка передней поверхности инструмента. Когда напряжение сдвига между поверхностями раздела волокон, вызванное скольжением, превышает предел прочности на сдвиг материала матричной смолы, отсеченное волокно отделяется от других волокон с образованием стружки. Эта форма деформации резания называется типом разрезания волокна.

Когда 90 °<θ<180 °, например, θ = 45 ° на рисунке 1, толкающее действие инструмента на материал переднего конца приводит к межслойному разделению между композитными материалами. Материал переднего конца инструмента изгибается под действием инструмента. Когда напряжение изгиба превышает предел прочности на изгиб композитного материала из углеродного волокна, дно разрушается. Инструмент продолжает двигаться вперед, и инструмент усиливает эффект толчка к материалу переднего конца. Когда напряжение сдвига в точке разрыва в нижней части материала переднего конца превышает предел прочности на сдвиг материала, происходит разрыв сдвига, образуя стружку. Эта форма деформации резания называется изогнутой формы сдвига.

2. Анализ механизма стратификации

Стратификация относится к явлению разделения и разрушения между композиционными слоями, вызванным межслойными напряжениями или производственными дефектами. Исследования показали, что многослойные дефекты в процессе сверления композитов из углеродного волокна можно разделить на два механизма повреждения: расслоение на входе и расслоение на выходе (см. Рисунок 2).

Во время процесса бурения, с одной стороны, когда поперечная кромка бурового долота начинает контактировать с материалом, а основная режущая кромка не полностью прорезает материал, сила резания толкает вырезанный материал в спиральную канавку. Эти материалы поднимаются вдоль поверхности спиральной канавки перед разрезанием, создавая повышенную силу отслаивания. Сила отслаивания отделяет неразрезанную область верхнего слоя, то есть расслоение. С другой стороны, когда поперечное лезвие бурового долота собирается просверлить материал, из-за все меньшего числа нерезанных слоев материала, оставшихся в материале, когда осевое усилие превышает прочность межслойного соединения материала, между слоями по периферии выхода возникает явление отслаивания, что приводит к появлению дефектов наслоения. Насадка происходит в межслойной области, поэтому она зависит не только от природы волокон, но и от природы смолы.

Что касается механизма генерации стратификации, Чжан Хоцзян и другие отметили с помощью акустического микроскопа, что на входной и выходной сторонах сверления пластины CFRP есть слои, а входная сторона круглая, а верхняя поверхность на выходной стороне овальная. Тип кольца, слой на стороне выхода одного и того же отверстия намного больше, чем слой на входной стороне.

Факторы, влияющие на стратификацию

Есть много факторов, которые влияют на дефекты наслоения сверления, включая параметры резания, инструменты, свойства материала, процесс изготовления и т. Д. Эти факторы связаны друг с другом, и на них также влияют многие неконтролируемые факторы в процессе бурения. В настоящее время ученые в стране и за рубежом более изучили параметры резания и влияние инструмента на многослойные дефекты. Исследования показали, что осевая сила в процессе бурения является основной причиной дефектов слоистого слоя. В процессе бурения возникает многослойный дефект, когда осевое усилие превышает пороговое значение. Среди них вклад поперечного лезвия в осевую силу составляет около 60%.

1. Влияние параметров резания

Переменные параметра резания в основном включают скорость резания, подачу f (подача fz на зуб) и другие факторы. Скорость резания и подача являются двумя основными параметрическими переменными в процессе бурения. Исследования показали, что потребление оказывает большее влияние на стратифицированные дефекты, чем скорость резания. António T.Marques et al. исследовали свои характеристики резания при различных параметрах резания с использованием четырех различных буровых долот. Испытания показали, что разумный выбор параметров резания может уменьшить осевую силу, а затем уменьшить влияние многослойных дефектов. Экспериментальные исследования показали, что при скорости подачи 0,025 мм/р и скорости резания 53 м/мин режущий материал может минимизировать коэффициент осевой силы и стратификации, а коэффициент стратификации уменьшается примерно на 4%-5%.

Экспериментальные исследования по бурению композиционных материалов из углеродного волокна с твердосплавными буровыми головками (K20) V.N.Gaitonde et al показали, что тенденция к расслоению уменьшается с увеличением скорости резания, а использование низких объемов подачи и верхних углов позволяет уменьшить коэффициент расслоения.

Когда Чжан Хоцзян и другие использовали монолитное четырехстороннее сверло из твердого сплава YG6X для сверления CFRP, они обнаружили, что влияние объема подачи на расслоение между слоями было вогнутой кривой. Когда количество подачи очень маленькое, количество подачи увеличивается, а размер слоев уменьшается, когда количество подачи превышает, количество подачи увеличивается, и размер слоев между слоями увеличивается. Следовательно, это минимальное количество подачи, которое является критическим значением.

Vijayan Krishnaraj и др. Использует твердосплавное сверло K20 для изучения характеристик резания композиционного материала из углеродного волокна при различных скоростях вращения и объемах подачи шпинделя. Испытания показали, что нет очевидного правила между коэффициентом расслоения на стороне входа и скоростью подачи, но в целом коэффициент расслоения с низкой скоростью подачи меньше, чем коэффициент расслоения с высокой скоростью подачи. Коэффициент расслоения на стороне выхода увеличивается с увеличением скорости подачи и скорости шпинделя. Скорость подачи является основным фактором, влияющим на коэффициент расслоения на выходе. Коэффициент вклада скорости подачи составляет 51,4%, а коэффициент вклада скорости вращения шпинделя составляет 35,42%. Испытания также дали оптимальные скорости подачи и скорости вращения шпинделя 0,137 мм/р и 12000 р/мин соответственно.

2. Влияние ножей

Поскольку композитные материалы из углеродного волокна являются типичными труднообрабатываемыми материалами, а сверление является полузакрытой обработкой, большое количество тепла, генерируемого в процессе резки, не легко переносится стружкой и инструментом. Следовательно, процесс сверления может легко привести к износу инструмента. Износ инструмента не только влияет на качество изготовления отверстий, но также влияет на эффективность изготовления отверстий и увеличивает затраты на обработку. Факторы, влияющие на инструмент, в основном включают геометрию инструмента, покрытие инструмента, параметры инструмента и т. Д.

Поскольку критическая осевая сила, которая приводит к многослойным дефектам, зависит от режущей кромки, геометрия инструмента играет важную роль в уменьшении многослойных дефектов. Luís Miguel P.Durão и другие исследовали пять типов инструментов: спирая дрель с верхним углом 120 °, спирая дрель с верхним углом 85 °, пилообразная дрель, кинжал и ступенчатая дрель. Исследования показали, что коэффициент стратификации верхних спирельных сверл 120 ° является наименьшим, а коэффициент стратификации ступенчатых сверл является вторым, и он не сильно отличается от коэффициента стратификации верхних спирельных сверл 120 °. Самый большой коэффициент расслоения-пилильное сверло, которое достигло около 1,23. Таким образом, инструмент, который является лучшим в соответствии с условиями испытания, представляет собой сверло с верхним углом 120 °, за которым следует ступенчатое сверло.

Для инструментов с твердосплавным покрытием в настоящее время обычно используются обычные покрытия (такие как AlTiN) и алмазные покрытия. Xin Wang и другие сравнительные эксперименты изучили три различных инструмента: сверло из цементированного карбида без покрытия, сверло из цементированного карбида с алмазным покрытием и сверло из твердого сплава с покрытием AlTiN. Результаты испытаний показывают, что алмазное покрытие может значительно уменьшить износ инструмента, однако твердосплавное сверло с покрытием AlTiN не может эффективно снизить скорость износа инструмента из-за явления окисления во время процесса бурения. Redouane Zitoune и другие используют сверло из твердого сплава с нанопокрытием для сверления углеродных волокон и алюминиевых сплавов. Они указывают на то, что при сверлении CFRP использование сверла из твердого сплава с нанопокрытием может значительно снизить шероховатость и осевые силы. Уменьшение осевого усилия может эффективно предотвратить многослойные дефекты в процессе бурения.

3. Другие факторы, влияющие на

Есть много факторов, влияющих на дефекты стратификации. В дополнение к вышеупомянутым обширным исследованиям параметров резания и инструментов, есть и другие важные факторы, такие как метод предварительной пропитки материала, влияние направляющих отверстий, влияние прокладки, новый процесс и т. Д. Ислам Шиха и др. провели сравнительный анализ влияния трех типов материалов предварительной пропитки (977-2/HTS AC, 8552/AS4 AC, MTM44-1/HTS OC) на процесс бурения. Исследования показали, что слой дефектов на стороне входа, коэффициент вклада метода предварительной пропитки составляет 12%; однако уровень вклада метода предварительной пропитки на стороне выхода достиг 38,5%. Кроме того, коэффициент расслоения материала предварительного погружения 8552/AS4 AC является большим, особенно в случае высокой скорости подачи (0,4 мм/r), что является более очевидным. C.C.Tsao и H.Hocheng исследовали влияние направляющих отверстий на многослойный дефект, в котором диаметр направляющих отверстий равен внутреннему диаметру сверла. Результаты испытаний показывают, что, хотя слоистая критическая осевая сила уменьшается из-за направляющих отверстий, осевая сила в процессе бурения также значительно уменьшается из-за удаления стружки. Контролируя отношение диаметра сборного направляющего отверстия к диаметру бурильного отверстия, можно сверлить и обработать композиционный материал из углеродного волокна без многослойных дефектов при больших объемах подачи. C.C.Tsao и H.Hocheng исследовали его влияние на многослойные дефекты путем установки прокладок на дно обработанного материала. Сначала они вывели формулу модели многоуровневой критической осевой силы для пилообразного сверла и сверления с полками, а затем провели экспериментальную проверку. Исследования показали, что монтажные прокладки обеспечивают лучшее качество бурения, чем неустановленные прокладки.

В последние годы исследователи провели много исследований по механизму бурения и изготовления отверстий, экспериментировали с некоторыми новыми методами изготовления отверстий и процессами обработки материалов и достигли определенных результатов. В этой статье в качестве примера используется технология спирального фрезерования и технология сшивания. Технология спирального фрезерования-это новый метод резки, который использует принцип фрезерования для изготовления отверстий. В процессе спирального фрезерования различные диаметры пор получаются путем изменения эксцентриситета между инструментом и осью отверстия. Таким образом, один и тот же инструмент может обрабатывать отверстия и гнезда для разных диаметров пор, тем самым снижая затраты на обработку и повышая эффективность обработки. Взяв в качестве эталона традиционную сверление, Ван Бен и другие использовали спиральное фрезерование и традиционное сверление для проведения экспериментов по изготовлению отверстий для композитных материалов C/E, а также проанализировали траектории движения спирального фрезерования и традиционных сверлильных инструментов. Результаты показывают, что температура резания является важным фактором, влияющим на качество пор композита C/E. Поскольку температура резания во время спирального фрезерования отверстия снижается более чем на 69 ℃ по сравнению с традиционным сверлением, снижение составляет более 36%, что эффективно предотвращает разрыв и расслоение на выходе отверстия.

Технология сшивания, как эффективный метод армирования соединения для сборного корпуса из композитного материала, заключается в том, чтобы использовать метод сшивания для усиления композиционного материала в направлении, перпендикулярном плоскости покрытия, тем самым увеличивая емкость повреждения между слоями материала. Прохождение через швы в направлении толщины усиленной ткани может значительно улучшить межслойные свойства композитного материала. Yosra Turki и другие эксперименты изучали характеристики буровой обработки сшитых и необшитых композитов. Результаты показали, что сшивающий материал значительно улучшился с точки зрения качества поверхности и уменьшения дефектов по сравнению с необшитым материалом. Шовные нити создают эффект сжатия между слоями и препятствуют их разделению во время движения сверла. Таким образом, технология сшивания может уменьшить слоистые дефекты и разрывы матрицы, вызванные осевыми силами. К. Т. Тан и др. Также изучали влияние плотности сшивания и толщины швов на разрушительную форму и характеристики разрушения композита из углеродного волокна.

Обнаружение многослойных дефектов

Чтобы определить степень дефектов стратификации, исследователи в стране и за рубежом исследовали и протестировали многие методы. Чжан Хоцзян и другие использовали метод обнаружения проникающего раствора хлорида золота для раннего обнаружения многослойных дефектов в отверстиях для бурения композитных материалов из углеродного волокна. В ходе испытаний было обнаружено, что форма многослойных дефектов в основном имеет два типа: приблизительно овальную и приблизительно круглую, и оба центра совпадают с центром отверстия. Впоследствии они использовали акустический микроскоп для обнаружения многослойных дефектов сверления композитного материала из углеродного волокна. На основе результатов испытаний и анализа они суммировали стереоиерархическую модель и обсудили механизм образования слоев.

Чтобы избежать искусственного повреждения материалов, технология неразрушающего контроля широко используется при стратифицированном обнаружении дефектов. Используемые в настоящее время технологии неразрушающего контроля в основном включают акустические микроскопы, ультразвуковое сканирование C, рентгеновскую компьютерную томографию и улучшенную рентгенографию. Основываясь на лазерной ультразвуковой технологии, Чжоу Чжэнган и другие провели количественно-характеристическое испытание на расслоение крепежных отверстий из композитного материала, а лазерное ультразвуковое C-сканирование было выполнено на основе метода проникновения и импульсного отражения, чтобы получить форму, размер и расположение многослойных дефектов в области крепежного отверстия. характеристики. Результаты исследования показывают, что с использованием бесконтактных характеристик возбуждения, приема и высокого разрешения лазерной ультразвуковой технологии можно точно измерить отражение волны и затухание, вызванное многослойными дефектами в области крепежного отверстия, и эффективно охарактеризовать стратифицированные дефекты крепежного отверстия в композитной конструкции самолета.

C.C.Tsao и H.Hocheng используют две технологии неразрушающего контроля: рентгеновскую компьютерную томографию и ультразвуковое сканирование C для обнаружения многослойных дефектов. Результаты испытаний показывают, что результаты, измеренные с помощью рентгеновской компьютерной томографии и технологии ультразвукового сканирования C, очень близки. Обе эти технологии могут выявить критические осевые силы, которые возникают в различных слоях инструмента. Однако рентгеновская компьютерная томография является более гибкой и эффективной для обнаружения стратифицированных дефектов.

Выдержки

По мере того как требования к характеристикам композитов из углеродного волокна становятся все более высокими, а условия работы становятся все более жесткими, требования к качеству отверстий из композитов из углеродного волокна становятся все более высокими. Как один из основных недостатков в процессе бурения и изготовления отверстий, ученые в стране и за рубежом провели углубленное исследование механизма и влияющих факторов. Оптимизация рационально выбранных параметров резания и использование инструментов с различными геометрическими формами и покрытиями в настоящее время является эффективным способом уменьшения многослойных дефектов. Резюмируя текущее состояние исследований дефектов слоистых материалов из углеродного волокна в стране и за рубежом, мы можем увеличить исследования дефектов слоистых отверстий из композитных материалов из углеродного волокна в будущем: продолжить исследования новых инструментов и оптимизировать геометрические параметры инструментов для улучшения их резания, углубленные исследования композитных материалов для улучшения производственных процессов, улучшить характеристики материала, создать полную и разумную модель моделирования для достижения более точного прогнозирования многослойных дефектов.

(Источник статьи, Китайская сеть Baico)

Отказ от ответственности: эта статья воспроизводится в Интернете,Перепечатано с целью передачи дополнительной информации,Авторское право принадлежит первоначальному автору. Если это связано с авторским правом на произведение, пожалуйста, Контакты с нами, мы обсудим вопросы авторского права или удалим контент как можно скорее!