Преодоление вызовов резания смешанноматричных и волокнисто-усиленных композитов

Новичок в смешанноматричных и волокнисто-усиленных материалах в авиации? Вот краткое руководство о том, как работать с композитными материалами.

Поскольку многие отрасли, включая авиацию, продолжают требовать все более легких компонентов, вы можете однажды обнаружить себя стоящим перед ЧПУ-центром обработки, задаваясь вопросом: «Что это за вещь, которую я режу?». Инструменты быстро изнашиваются, пыль летит везде, и обработанные поверхности грубые, сколотистые и часто треснутые.

Что такое композитные материалы?

«Композитные материалы — это по сути комбинация двух или более разных материалов, используемых вместе для объединения лучших свойств или придачи нового набора характеристик, которые ни один из составляющих материалов не мог достичь сам по себе», — пишет д-р Райнер Гро, научный сотрудник в области нелинейных структур в Бристольском университете в своем блоге Aerospace Engineering.

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

«Матрица восприимчива к окислению и деградации от избыточного тепла, а углеродные волокна не режутся хорошо, потому что они ломаются вместо того, чтобы гладко сдвигаться», — отмечает American Machinist в статье об углеродно-волокнисто-усиленном полимере. «[О]бработка композитов приводит к серии хрупких ломаний углеродных волокон, производящих пылеподобную стружку, которая уносит очень мало тепла, генерируемого обработкой».

Волокнисто-усиленные композиты против матричных композитов

Балки пола, стабилизаторные панели, поверхности управления полетом, двери и переборки — это лишь несколько из множества композитных или ламинированных деталей, найденных в самолетах сегодня, большинство из которых сделаны из многослойных композит-металл-композит сэндвичей или сотовидных материалов с жесткими внешними оболочками и почти бумажными структурами внутри.

Как бы они ни были построены, чем бы ни были ламинированы в авиации, существуют три класса волокнисто-усиленных композитов, включая керамические, металлические и кевляр. Аналогично, есть три класса матричных композитов: фенольные, полиэстеровые и эпоксидные. Эти материалы могут быть довольно трудны для обработки, но с некоторыми базовыми знаниями и небольшими инвестициями в оборудование и инструменты, все вполне управляемы.

Вы могли слышать композиты, называемые CFRP (углеродно-волокнисто-усиленный пластик), металломатричным композитом (MMC), арамидом (который есть кевляр) или дюжинами других подобных научных названий. Ключ — в понимании отличий от работы с металлом.

«Переход от металлического к композитному строительству естественным образом вызвал изменение методологии проектирования авиационных компонентов», — отмечает Гро. «Нужно иметь в виду, что не только механические свойства композитов отличаются от металлов, но что целый ряд физических и химических свойств отличаются».

Резание композитов: пыль, углеродная пыль и системы фильтрации

Начнем с неприятной пыли, вихрющей у вашей головы. Вы не хотите вдыхать эту вещь. Для некоторых приложений заливка станков режущей жидкостью может создать абразивную грязь, которая может повредить ваш дорогой ЧПУ-станок. Некоторые композиты впитывают воду как провербиальная губка, поэтому применение СОЖ может фактически повредить заготовку, если у вас нет правильного оборудования. В других композитных приложениях, однако, СОЖ может быть очень эффективным методом контроля пыли, улучшения срока службы инструмента и улучшения финиша компонентов.

Другая проблема, о которой нужно знать: углеродная пыль волокон известна способностью воспламеняться при определенных обстоятельствах. Страшные предупреждения в стороне, решение достаточно простое — любой цех, регулярно режущий композиты, должен инвестировать в систему фильтрации, подходящую для типа обрабатываемого материала. Довольно герметичный обмуровка тоже хорошая идея, но пока есть достаточное вакуумирование, чтобы втянуть пыль вверх и наружу из рабочей зоны, проблем не должно быть. Любую оставшуюся пыль можно убрать Shop-Vac (просто убедитесь, что фильтр в хорошем состоянии). Вот некоторые ключевые лучшие практики для фильтрации композитной пыли:

• Проверьте у вашего дилера станков необходимость шпинделя с избыточным давлением, как в станках для обработки графита
• Проверьте у поставщика материала, какого размера и вида фильтрация нужна (есть много вариаций)
• И проверьте у клиента требования к чистоте детали — авиапроизводители обычно очень придирчивы к наличию пыли и посторонних предметов (FOD) на обработанных деталях

Инструменты для резания композитных материалов: уберите HSS

Что касается режущих инструментов, вы можете забыть о высокоскоростной стали. Композиты обычно довольно абразивны, и пока HSS прочен, он не может вынести злоупотребление резанием материала как наждачная бумага. Если у вас всего несколько деталей для обработки, цельный твердый сплав сработает, но вам нужно очень острое режущее ребро (это означает, что покрытия, вероятно, не в вопросе, благодаря микроскопическому заокруглению края, которое приходит со всеми CVD и даже большинством PVD покрытий).

Геометрия также важна. Относительно крутые спиральные углы на фрезах и сверлах для резания металлов имеют тенденцию деламинировать большинство композитов, что разрывает слои и повреждает целостность материала, похоже на то, что происходит, когда вы сверляете отверстие в куске стекловолокна (даже если вы не можете увидеть это невооруженным глазом). Лучшая ставка — нейтральный или обратный спиральный режущий инструмент, как фреза для древесины или пластика, или резаки, специально заточенные для работы с композитами.

Так что для сверл используйте двухъязыковые конусы (они выглядят как Бэтмен, с заостренными ушами по обе стороны от кончика сверла), которые снижают силы при пробое и устраняют осколочность — чтобы предотвратить деламинацию на выходной поверхности. Другой вариант — центровочное сверло, знакомое столярам. Вы также можете интерполировать отверстие до размера с нейтральным ракеем фрезы или фрезой-маршрутизатором.

Резание композитных материалов: алмазы — лучший друг машиниста

Для более высоких производственных объемов или где качество ребра критично (что обычно так), поликристаллические алмазные наконечники и алмазно-покрытые инструменты — лучший выбор. Паянные или индексируемые инструменты наиболее широко доступны и сделают отличную работу, но здесь снова некоторые производители режущих инструментов предлагают продукты, специально спроектированные для CFRP и других композитов. Оцените эти конкретные типы режущих инструментов везде, где требуется максимальная производительность.

Какой бы подход вы ни приняли с режущими инструментами, подачи и скорости будут неразведанной территорией. Для лучших результатов позвоните вашему поставщику инструментов и производителю материала за советом, отведите немного времени для тестирования и документируйте всё, что делаете.

Дополнительные советы для работы с и резания композитных материалов

Захват гибких композитных деталей может быть сложным, так что посмотрите на вакуумное закрепление или световозактивированные клеи. Если тепло становится проблемой, попробуйте направить холодный воздух на рабочую зону.

Вот несколько дополнительных композитных указателей, чтобы заставить вас двигаться в правильном направлении:

• Будьте осведомлены о базовом направлении волокон и структуре композита, так как оно может должно быть ориентировано определенными способами для достижения желаемых результатов обработки
• Сэндвич-материал может отрицать использование ПКД в пользу твердого сплава
• Сотовидные композиты, популярные в авиарамах, также подчиняются другой игровой книге — здесь подъемное фрезерование — предпочтительный подход (что часто не так с композитами)

Хорошая идея следовать девизу скаутов и быть подготовленным: композитная обработка идет к вам.

Как вы работаете с композитами в вашем цехе? Расскажите нам ваши истории ужасов резания.