Проблемы резки:композиты со смешанной матрицей и композиты, армированные волокном

Новое для смешанных матричных и армированных волокном материалов в аэрокосмической отрасли? Ниже приведено руководство по работе с композитными материалами.

Поскольку во многих отраслях промышленности, в том числе в аэрокосмической, по-прежнему требуются все более легкие компоненты, в один прекрасный день вы можете оказаться перед обрабатывающим центром с ЧПУ и задаться вопросом:«Что это за материал, который я режу?». Инструменты быстро изнашиваются, пыль летит повсюду, а обработанные поверхности шероховаты, имеют сколы и часто трескаются.

Что такое композитные материалы?

«Композитные материалы — это, по сути, комбинация двух или более разнородных материалов, которые используются вместе, чтобы объединить лучшие свойства или придать новый набор характеристик, которых ни один из составляющих материалов не может достичь по отдельности», — пишет доктор Райнер Грох. научный сотрудник Бристольского университета в области нелинейных конструкций в своем блоге аэрокосмической техники.

Во-первых, полезно понять, почему используются композиты:потому что они одновременно легкие и прочные. Звучит достаточно просто для понимания. Однако дьявол при резке композитов кроется в деталях.

«Матрица подвержена окислению и разрушению из-за чрезмерного нагревания, а углеродные волокна плохо режут, потому что они ломаются, а не плавно срезаются», — отмечает журнал American Machinist в статье о полимере, армированном углеродным волокном. «[T]обработка композитов приводит к ряду хрупких трещин в углеродном волокне с образованием пылевидной стружки, которая уносит очень мало тепла, выделяемого при обработке».

Композиты, армированные волокном, и матричные композиты

Балки пола, панели стабилизаторов, поверхности управления полетом, двери и переборки — это лишь некоторые из многих композитных или ламинированных деталей, используемых сегодня в самолетах, большинство из которых изготовлены из многослойных многослойных композитных металлокомпозитных материалов или сотовых материалов с жесткий внешний вид и почти бумажная конструкция внутри.

Независимо от их конструкции, независимо от того, чем они ламинируются в аэрокосмической отрасли, существует три класса армированных волокном композитов, включая керамику, металл и кевлар. Точно так же существует три класса матричных композитов:фенольные, полиэфирные и эпоксидные. Эти материалы довольно сложно обрабатывать, но при наличии некоторых базовых знаний и небольших вложений в оборудование и инструменты со всем этим можно справиться.

Возможно, вы слышали, что композиты называются CFRP (пластик, армированный углеродным волокном), композит с металлической матрицей (MMC), арамид (то есть кевлар) или десятки других подобных научно звучащих названий. Ключ в понимании отличий от работы с металлом.

«Переход от металлической конструкции к композитной естественным образом привел к изменению методологии проектирования компонентов самолета», — отмечает Грох. «Следует иметь в виду, что не только механические свойства композитов отличаются от свойств металлов, но и целый ряд физических и химических свойств».

Резка композитов:пыль, угольная пыль и системы фильтрации

Начнем с неприятной пыли, которая кружится вокруг вашей головы. Вы не хотите вдыхать вещество. В некоторых случаях заполнение станков смазочно-охлаждающей жидкостью может привести к образованию абразивного шлама, который может повредить ваш дорогой станок с ЧПУ. Некоторые композиты впитывают воду, как пресловутая губка, поэтому применение охлаждающей жидкости может повредить заготовку, если у вас нет подходящего оборудования. Однако в других композитных материалах охлаждающая жидкость может быть очень эффективным методом борьбы с пылью, увеличения срока службы инструмента и улучшения качества обработки деталей.

Еще одна проблема, о которой следует знать:известно, что пыль из углеродного волокна воспламеняется при определенных обстоятельствах. Если не принимать во внимание страшные предупреждения, решение достаточно простое:любой цех, где регулярно режут композиты, должен инвестировать в систему фильтрации, подходящую для типа обрабатываемого материала. Довольно герметичный корпус также является хорошей идеей, но пока есть достаточный вакуум, чтобы вытягивать пыль из рабочей зоны, проблем не должно быть. Любую оставшуюся пыль можно убрать с помощью Shop-Vac (только убедитесь, что фильтр в хорошем состоянии). Вот несколько основных рекомендаций по фильтрации композитной пыли:

• Проконсультируйтесь со своим дилером по поводу необходимости шпинделя положительного давления, который используется в станках для резки графита.
• Уточните у поставщика материала, какой размер и тип фильтрации необходим (существует множество вариантов)
• И уточните у заказчика требования к чистоте деталей — производители самолетов обычно очень внимательно относятся к наличию пыли и посторонних предметов (FOD) на обрабатываемых деталях.

Инструменты для резки композитных материалов:уберите HSS

Что касается режущих инструментов, то о быстрорежущей стали можно забыть. Композиты, как правило, довольно абразивны, и, хотя быстрорежущая сталь жесткая, она не может выдержать злоупотребление режущим материалом, таким как наждачная бумага. Если у вас есть только несколько деталей для обработки, твердый сплав подойдет, но вам нужна очень острая кромка (это означает, что о покрытиях, вероятно, не может быть и речи, благодаря микроскопическому скруглению кромки, которое происходит со всеми покрытиями CVD и даже с большинством PVD-покрытий). ).

Геометрия тоже важна. Относительно крутые углы наклона спирали металлорежущих концевых фрез и сверл приводят к расслаиванию большинства композитов, что приводит к разрыву слоев и нарушению целостности материала, подобно тому, как это происходит, когда вы просверливаете отверстие в куске стекловолокна (даже если вы не можно увидеть невооруженным глазом). Лучше всего использовать режущий инструмент с нейтральной или обратной спиралью, такой как фреза для обработки дерева или пластика, или фрезы, специально заточенные для композитных работ.

Поэтому для сверл используйте наконечники с двойным углом (они выглядят как Бэтмен, с заостренными ушками по обеим сторонам острия сверла), которые уменьшают усилия при прорыве и устраняют осколки, чтобы предотвратить расслоение на выходной поверхности. Другим вариантом является сверло с острием, знакомое плотникам. Вы также можете интерполировать отверстие по размеру с помощью концевой фрезы с нейтральным углом наклона или фрезы.

Резка композитных материалов:алмазы — лучшие друзья механика

Для больших объемов производства или там, где качество кромки имеет решающее значение (что обычно и бывает), лучшим выбором являются инструменты с наконечниками из поликристаллического алмаза и инструменты с алмазным покрытием. Паяные или индексируемые инструменты являются наиболее доступными и отлично справляются со своей задачей, но и здесь некоторые производители режущих инструментов предлагают продукты, специально разработанные для углепластика и других композитов. Оцените этот конкретный тип режущего инструмента везде, где требуется максимальная производительность.

Какой бы подход к режущим инструментам, подачам и скоростям вы не выбрали, это будет неизведанная территория. Для достижения наилучших результатов обратитесь за советом к поставщику инструментов и производителю материалов, выделите немного времени для тестирования и задокументируйте все, что вы делаете.

Дополнительные советы по работе с композитными материалами и их резке

Схватиться за хрупкие композитные детали может быть непросто, поэтому обратите внимание на вакуумные держатели или светоактивируемые клеи. Если тепло становится проблемой, попробуйте направить на рабочую зону пистолет с холодным воздухом.

Вот несколько дополнительных составных указателей, которые помогут вам двигаться в правильном направлении:

• Учитывайте направление и структуру основного композитного зерна, поскольку для достижения желаемых результатов обработки его может потребоваться сориентировать определенным образом.
• Многослойный материал может свести на нет использование ПКА в пользу карбида.
• Сотовые композиты, популярные в конструкциях планеров, также относятся к другому сценарию — здесь предпочтение отдается фрезерованию с набором высоты (что часто не относится к композитам).

Рекомендуется следовать девизу бойскаутов и быть готовым:обработка композитных материалов движется к вам.

Как вы работаете с композитами в своей мастерской? Расскажите нам свои страшилки.