Особенности механической обработки композиционных материалов

На сегодняшний день главное направление развитие композитов – это конструкционные материалы для аэрокосмической промышленности, автоспорта и ветроэнергетики. Для корпусов летательных аппаратов создают композиты, позволяющие повысить жесткость, прочность и ресурс конструкции. Композиты обладают превосходной удельной прочностью, и им можно придавать сложную форму. По сравнению с алюминием, пластик, армированный углеродным волокном (углепластик), имеет в 14 раз больше предел прочности на разрыв, в 19 раз меньше тепловое расширение, в 5 раз больше жесткость и при этом весит вдвое меньше. Но, в то же время, обработка углепластика и его многочисленных производных вызывает намного больше сложностей и меняется в зависимости от свойств компонентов.

Еще более сложные проблемы возникают при определении режимов, инструментов и станков при обработке композитов на основе алюминия, кремния, керамики с упрочняющими волокнами из углерода, бора, керамики и др.

В самом общем виде задача сводится к разработке новых инструментов и методов обработки для быстроразвивающейся области композиционных материалов.

Механическая обработка значительно отличается от обработки металлов. Кроме того, композиционные материалы также различаются между собой по своим свойствам и должны обрабатываться с учетом индивидуальных особенностей. Различия свойств, влияющих на обрабатываемость, внутри группы композитов гораздо более значительны, чем, например, между металлами. Это, в свою очередь, создает определенные трудности как перед производителями, которые только начинают работать с композиционными материалами, так и перед теми, кто имеет опыт их обработки. Зачастую начало изготовления изделий из этих материалов требует полного переосмысления методов обработки, перечня используемого инструмента, способа закрепления заготовки, а, в некоторых случаях, даже применения специализированного оборудования и оснастки.

Процесс резания композиционных материалов также существенно отличается от резания металлов. Во время механической обработки резанием композиционных материалов на основе эпоксидных смол режущая кромка вызывает отслаивание волокон.

Непременным условием при резании композитов является острота режущей кромки инструмента, призванная предотвратить любое трение между инструментом и заготовкой. Вероятность износа инструмента также должна быть сведена к минимуму, поскольку любые изменения геометрической формы режущей кромки приведут к мгновенному росту температур в зоне резания и критическому износу кромки.

Геометрию инструментов следует подбирать таким образом, чтобы обеспечить легкое ненагруженное резание с минимальными силами резания.

Только индивидуальный подход к каждой отдельной операции при обработке композиционных материалов сможет обеспечить в итоге производительный и надежный процесс производства изделий из этого непростого материала. Сравнение и оценка любого из предлагаемых методов должна сопровождаться экономическими расчетами. Однако следует помнить, что по отношению к этому материалу главным показателем целесообразности применения того или иного способа обработки не всегда служит скорость съема материала.

Например, достижение требуемого качества на отдельной операции сверления и одновременно приемлемой себестоимости ее выполнения может значительно повлиять на производительность. Обеспечение требуемого качества на первой операции исключает необходимость в осуществлении доводочных манипуляций, что приведет к сокращению времени обработки.

Наибольшую трудность при изготовлении деталей из КМ составляют операции сверления отверстий, торцевое фрезерование, обработка плоскости и кромок. Ниже, на конкретных примерах приведены эти операции с указанием конструкции инструмента и режимов резания.

Фрезерование наклонным шпинделем: профильная обработка углеродного волокна Описание условий обработки и требований: - Угол наклона инструмента 2-10 градусов - Высокая скорость вращения шпинделя и подачи - Первичная структура - углеродное волокно - Ручное или пневматическое оборудование - 2D и 3D поверхности детали - Хорошее качество обработанной поверхности, высокая точность Решение - CoroMill 390 - Корпус фрезы: R390-032A32-11H - Пластины PCD CD10 (радиус при вершине 3мм) Режимы резания - Vf: 1800 мм/мин - глубина резания 2мм - угол наклона инструмента 5 градусов - fz: 0.2 мм/зуб · * Метод обработки, применимый для деталей с небольшой кривизной поверхности, т.е. для крыльев и большинства элементов фюзеляжа самолета.

Рис. 4.75. Пояснения в тексте

Фрезерование плоскостей на детали из углеродного волокна Описание условий обработки и требований: - Первичная структура - углеродное волокно - Минимальное количество сколов и отслаивания материала - Хорошее качество обработанной поверхности, высокая точность Решение - CoroMill Century с пластинами PCD - Корпус фрезы: R590-04C3-11M - Пластины: R590-1105H-PS2-NL CD10 Режимы резания - Скорость резания: 300м/мин - Fz: Черновая обработка: 0.16 / Чистовая: 0.1мм/зуб

CoroMill Century

Фрезерование кромки деталей из углеродного волокна Описание условий обработки и требований: - Наружный слой из углеродного волокна - Снижение вероятности скалывания обрабатываемого материала - Хорошее качество обработанной поверхности: Ra 1.25 мкм Решения - CoroMill Plura специализированной кострукции - 1: Твердосплавная фреза с алмазным покрытием - 2: Фреза со вставками PCD - Фреза диаметром 10 мм с двумя зубьями Режимы резания - Скорость: 10.000 об/мин, подача стола: 3200 мм/мин - Fz: Черновая обработка: 0.03 – 0.08 мм/зуб - Fz: Чистовая: 0.02 – 0.04 мм/зуб

CoroMill Plura

Рис. 4.76. Пояснения в тексте

Сверление отверстий в углепластике Описание условий обработки и требований: - Углеродное волокно с высоким содержанием однонаправленных волокон - Снижение вероятности скалывания обрабатываемого материала - Хорошее качество обработанной поверхности, высокая точность - Станок с ЧПУ Решение - Сверло серии CoroDrill 854, диаметр 6.35 мм - Сплав N20C с алмазным покрытием Режимы резания - VC: 150 м/мин - fn: 0.06 мм/об Преимущества - Высокое качество отверстия. Отсутствие сколов - Стойкость сверла - 800 отверстий - Экономическая эффективность операции

CoroDrill 854

Рис. 4.77. Пояснения в тексте