Prinsip dan metode pemrosesan utama bahan komposit serat karbon
Dengan pencarian material yang ringan dan kinerja yang sangat baik di berbagai industri, penerapan serat karbon dan material kompositnya menjadi semakin luas. Alasan utama kurangnya penerapan dalam skala besar adalah biaya dan efisiensi produksi. Biaya tersebut terutama merupakan biaya material dan biaya pemrosesan pencetakan batch. Cara memproduksi material komposit serat karbon berkualitas tinggi dan berbiaya rendah dalam jumlah besar dengan kecepatan tinggi dan efisiensi tinggi untuk mengurangi limbah material telah menjadi konsensus dalam industri.
1 Kesulitan dalam pengolahan serat karbon
Selama pemrosesan material komposit yang diperkuat serat karbon (CFRP), terdapat interaksi internal yang relatif kompleks antara matriks dan serat, yang membuat sifat fisiknya sangat berbeda dari logam. Kepadatan CFRP jauh lebih kecil daripada logam, sedangkan kekuatannya lebih besar daripada sebagian besar logam. Karena ketidakrataan CFRP, penarikan serat atau pemisahan serat matriks sering terjadi selama pemrosesan; CFRP memiliki ketahanan panas dan ketahanan aus yang tinggi, yang membuatnya memiliki persyaratan yang lebih tinggi untuk peralatan selama pemrosesan, karena sejumlah besar panas pemotongan yang dihasilkan selama proses produksi menyebabkan keausan serius pada peralatan.
Pada saat yang sama, dengan perluasan berkelanjutan bidang aplikasinya, persyaratannya menjadi semakin rumit, dan persyaratan untuk penerapan material dan persyaratan kualitas untuk CFRP menjadi semakin ketat, yang juga menyebabkan biaya pemrosesan meningkat.
2 Prinsip pemrosesan
Orientasi serat
Orientasi serat memiliki dampak signifikan pada interaksi antara benda kerja CFRP dan permukaan kontak alat. Pembentukan serpihan terkait erat dengan orientasi serat. Fraktur benda kerja CFRP dan permukaan kontak alat disebabkan oleh tekanan yang diberikan oleh ujung alat. Ada tiga mekanisme pemotongan dalam hal berbagai orientasi serat:
(1) Fraktur serat terjadi sepanjang arah kontak permukaan serat dan matriks, yaitu orientasi serat adalah 0 derajat.
(2) Arah geser pahat tegak lurus sumbu serat dan orientasi serat 75 derajat.
(3) Orientasi serat adalah 90 derajat atau bahkan sudut negatif. Sudut arah serat 30 derajat, 60 derajat, dan 90 derajat adalah arah yang paling kritis. Arah tersebut akan menyebabkan gaya pemotongan yang besar, keausan yang terkonsentrasi, dan kerusakan benda kerja. Dengan meningkatkan nilai sudut belakang alat, gaya dorong umpan dapat dikurangi secara efektif.
Memotong panas
Proses pemotongan CFRP merupakan proses rumit dari fraktur serat karbon dan pembuangan material matriks. Gesekan antara benda kerja dan alat pemotong meningkatkan suhu, dan bahkan menyebabkan alat menjadi lunak atau terurai pada suhu tinggi. CFRP memiliki konduktivitas termal yang buruk, sehingga dilarang menggunakan pendingin selama proses pemotongan, yang membuat panas pemotongan yang dihasilkan tidak dapat hilang dengan cepat, dan panas dipindahkan ke alat pemotong, yang memperburuk keausan peralatan pemotong dan sangat mengurangi masa pakainya. Pada saat yang sama, panas permukaan benda kerja diperburuk, yang memengaruhi pembentukan permukaan material komposit dan mengurangi kinerja material komposit saat digunakan.
Penelitian tentang panas pemotongan bahan komposit terutama difokuskan pada metode pengukuran suhu pemotongan. Banyak ilmuwan di dalam dan luar negeri menggunakan termometer inframerah, pencitra termal, atau termokopel tertanam untuk mengukur suhu pemotongan bahan komposit serat karbon.
Mekanisme keausan alat
CFRP merupakan material yang sulit diproses, terutama karena material ini membuat alat menjadi aus dengan sangat cepat. Mekanisme keausan alat selama proses pemrosesan adalah: saat benda kerja diproses pada alat, kedua permukaan saling bersentuhan. Selama pemrosesan, keausan dan getaran jangka panjang menyebabkan partikel keras pada alat terkadang terlepas, sehingga membentuk apa yang disebut keausan alat.
Jenis keausan secara garis besar dapat dibagi menjadi kerusakan alat dan keausan. Berdasarkan lokasi keausan yang berbeda, keausan dapat dibagi menjadi keausan ujung alat, keausan sisi alat, kerusakan tepi alat, dan keausan tepi.
Ada banyak faktor yang memengaruhi keausan pahat, terutama meliputi: parameter pemrosesan, geometri pahat, dan material. Dalam proses pemotongan CFRP, parameter proses (seperti kecepatan pemotongan, laju umpan, orientasi serat, dll.) akan memengaruhi keausan pahat secara signifikan. Secara umum, peningkatan kecepatan pemotongan akan memperburuk keausan sisi. Geometri pahat dan material memiliki dampak signifikan pada permukaan mesin, pembentukan serpihan, gaya pemotongan, dan keausan pahat.
4 Metode pengolahan
Memutar
Pembubutan merupakan metode yang paling banyak digunakan dan metode paling dasar dalam pemrosesan CFRP, dan biasanya cocok untuk mencapai toleransi yang telah ditentukan pada permukaan silinder. Material utama alat yang cocok untuk pembubutan adalah: karbida semen atau keramik dan berlian polikristalin. Laju umpan, kedalaman pemotongan, dan kecepatan pemotongan dalam proses pemrosesan akan memengaruhi kualitas permukaan benda kerja yang telah selesai dan tingkat kerusakan alat, yang juga merupakan arah sasaran untuk optimasi teknis.
Memutar
Penggilingan
Penggilingan biasanya merupakan metode pemrosesan untuk memproses ulang benda kerja yang sudah jadi, yang memerlukan akurasi pemrosesan yang tinggi, dan proses penggilingan perbaikan untuk benda kerja yang rumit setelah pemrosesan kasar. Selama proses pemesinan, penggilingan ujung dan CFRP juga harus berinteraksi secara kompleks, yang mengakibatkan benang serat yang tidak terpotong dan delaminasi pada benda kerja CFRP. Untuk mengurangi dan menghindari cacat serupa, selama gaya pemotongan dan besarnya delaminasi aksial dan gerinda benang serat yang tidak terpotong diprediksi secara ilmiah pada tahap awal pemesinan, dan pengaturan parameter proses pemesinan dikontrol, pembentukan gerinda dan gerinda akan berkurang secara efektif.
Parameter proses utama, seperti orientasi serat, kecepatan umpan aksial dan tangensial, serta kecepatan pemotongan, akan berdampak signifikan pada kekasaran permukaan benda kerja. Persyaratan teknis untuk penggilingan: Lakukan eksperimen berulang kali dengan orientasi serat, kecepatan umpan aksial dan tangensial, bentuk parameter optimal, dan lakukan penggilingan.
Pemotong penggilingan untuk pemesinan CFRP
Pengeboran
Benda kerja memerlukan operasi pengeboran saat baut atau rakitan berpaku keling. Masih ada masalah tertentu dalam proses pengeboran CFRP: delaminasi material, keausan alat yang parah, dan masalah kualitas dinding bagian dalam lubang. Menurut analisis eksperimental, parameter pemotongan yang ditetapkan, geometri bor, dan kualitas pemotongan memiliki dampak signifikan pada masalah di atas. Rasio diameter maksimum area yang rusak terhadap bukaan biasanya disebut faktor kerusakan, yang juga menunjukkan tingkat delaminasi. Semakin besar faktor delaminasi, semakin serius masalah delaminasi.
Melalui percobaan, dapat disimpulkan bahwa fenomena gaya dorong dan delaminasi dalam proses pemotongan juga saling terkait, dan besarnya gaya dorong juga dapat menunjukkan tingkat delaminasi. Berdasarkan bahan pengeboran yang sama, tidak seperti metode pemrosesan lainnya, laju pemotongan dalam pemrosesan pengeboran tidak akan berdampak besar pada gaya pemotongan.
Di bawah parameter pemotongan yang sama, dibandingkan dengan bor putar, parameter tersebut memiliki dampak yang lebih rendah pada delaminasi bor khusus komposit. Untuk bor dengan fitur geometris khusus, laju umpan dan diameter bor yang lebih besar dapat mengurangi delaminasi, dan gaya pemotongan lubang pengeboran dengan rasio diameter yang berbeda akan meningkat dengan penurunan rasio diameter dan meningkat dengan peningkatan laju umpan.
Mata bor untuk pemrosesan CFRP
Menggiling
Biasanya di bidang industri pembuatan kapal dan kedirgantaraan, persyaratan kualitas untuk benda kerja CFRP lebih ketat. Ketepatan dan kualitas benda kerja harus dilakukan dengan metode pemrosesan yang lebih tinggi, dan proses konstruksi penggilingan hanya memenuhi persyaratan manufakturnya. Persyaratan presisi untuk penggilingan komponen sangat ketat, dan penggilingan halus diperlukan untuk benda kerja yang telah diproses secara kasar.
Penggilingan CFRP jauh lebih sulit dan rumit daripada logam. Cendekiawan dalam dan luar negeri juga telah melakukan penelitian yang relevan dan merancang roda gerinda berbentuk cangkir, yang menyediakan pendingin di dalam untuk menggiling CFRP. Tiga metode pemrosesan penggilingan kering, penggilingan pendingin eksternal, dan penggilingan pendingin internal dibandingkan. Hasil penelitian menunjukkan bahwa selama proses penggilingan pendingin internal, resin matriks yang menempel pada roda gerinda berkurang secara signifikan, dan partikel abrasif di roda gerinda dapat menggiling serat dengan lebih efektif tanpa delaminasi atau gerinda pada permukaan material. Metode penyediaan pendingin di dalam roda gerinda ini menunjukkan efek pendinginan yang lebih kuat, yang secara signifikan dapat mengurangi suhu penggilingan dan kondusif untuk pembuangan serpihan.
Menggiling
Teknologi pemrosesan getaran ultrasonik
Mekanisme pemrosesan getaran ultrasonik didasarkan pada gerakan relatif alat dan benda kerja selama proses pemrosesan tradisional, dan kemudian getaran ultrasonik tertentu diterapkan pada keduanya, sehingga menghasilkan material komposit dengan kinerja yang lebih baik. Teknologi ini merupakan pengoptimalan dan tambahan dari teknologi tradisional. Dibandingkan dengan metode pemrosesan tradisional, teknologinya lebih maju, kualitas permukaan benda kerja yang sudah jadi lebih halus, dan fenomena retakan juga berkurang, sehingga menghemat biaya pemrosesan. Kesulitan pemrosesan material komposit yang diperkuat CFRP berkurang secara efektif. Penerapan ultrasonik telah sepenuhnya meningkatkan mekanisme pembuangan material, mengurangi gesekan antara alat dan benda kerja, mengurangi waktu pemrosesan alat, meningkatkan gaya alat, meningkatkan efisiensi pemrosesan, mengurangi keausan alat, dan membuat presisi dan kualitas pemrosesan benda kerja lebih maju. Terutama ada pengeboran getaran ultrasonik, penggilingan getaran ultrasonik, penggilingan getaran ultrasonik, dan pemotongan getaran ultrasonik.
Pemotongan berbantuan ultrasonik
(1) Pengeboran getaran ultrasonik
Pengeboran getaran ultrasonik merupakan metode pemrosesan non-tradisional dengan potensi pengembangan yang besar dalam pengeboran material komposit yang efisien. Keunggulan utamanya meliputi: mengurangi gaya pemotongan dan torsi; meningkatkan kualitas permukaan pemrosesan, mengurangi gerinda; menghindari stratifikasi, dll.
Beberapa ilmuwan telah mempelajari penggunaan bahan abrasif berlian untuk pengeboran getaran ultrasonik putar CFRP. Pengeboran ultrasonik putar ditunjukkan pada Gambar 3. Analisis mekanisme CFRP menunjukkan bahwa mekanisme penghilangan material CFRP lebih cocok untuk fraktur getas daripada deformasi plastik. Model gaya pemotongan dibuat untuk memprediksi hubungan antara parameter pemrosesan dan lingkungan pemrosesan pada gaya pemotongan, dan keakuratan model mekanis diverifikasi melalui eksperimen.
(2) Penggilingan getaran ultrasonik
Penggilingan getaran ultrasonik menggabungkan mekanisme penghilangan material dari penggilingan berlian dan teknologi penggilingan komposit dengan karakteristik pemrosesan ultrasonik. Keunggulan utamanya adalah: dapat menghasilkan efek pengurangan gaya pemotongan dan penipisan serpihan; meningkatkan akurasi permukaan dan akurasi bentuk benda kerja; meningkatkan laju penghilangan material dan memperpanjang umur alat; meningkatkan kedalaman pemotongan kritis untuk transisi antara domain getas dan ulet, dan mewujudkan pemrosesan domain ulet dari material getas.