Механическая обработка композиционных материалов

Композиционные материалы

Композит образуется путем объединения двух материалов с разными характеристиками, соединение которых обладает новыми индивидуальными свойствами. В композитах используются различные наполнители, которые выполняют функцию механической преграды на пути распространения трещин в процессе деформации.

Композиты представляют собой многослойную структуру, состоящую из перемежающихся слоев нескольких материалов, соединенных между собой. Основными материалами матрицы являются органические материалы, металлы и керамика, укрепленные волокнами углерода. Углеродное волокно, полиамидные волокна, металлопластики – самые распространенные материалы, использующиеся в фюзеляже самолета. Область применения композитов неуклонно расширяется, вызывая постоянное обновление и развитие таких материалов.

Механическая обработка композиционных материалов значительно отличается от  механической 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 композитных 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 инструмента следует подбирать таким образом, чтобы обеспечить легкое ненагруженное резание с минимальными силами резания.

Только индивидуальный подход к каждой отдельной операции при механической обработке композиционных материалов сможет обеспечить в итоге производительный 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 её выполнения может значительно повлиять на производительность. Обеспечение требуемого качества на первой операции исключает необходимость в осуществлении доводочных манипуляций, что приведет к сокращению времени полной обработки. В условиях непрерывного развития технологии изготовления деталей из композитов растёт необходимость в появлении специализированных инструментов, учитывающих индивидуальные особенности их механической обработки.

Сверление, наиболее распространенная операция при обработке композиционных материалов, представляет особую сложность из-за скалывания или даже отслаивания материала при входе и выходе сверла из отверстия. В этом случае перед производителями ставится непростая задача не просто получить отверстие с заданными требованиями по точности и шероховатости, но и избежать повреждения поверхности около отверстия.

Инструменты со вставками из поликристаллического алмаза (PCD) или твердосплавные сверла с алмазным напылением специально разработаны для увеличения жизненного цикла инструмента, поскольку алмаз обладает отличной стойкостью при обработке различных типов углеродных волокон и пакетной обработки разнообразных материалов, включая титан. Для достижения высокой производительности при обработке кромок деталей из композиционных материалов целесообразно применять фрезы с пластинами из поликристаллического алмаза PCD или твердого сплава с алмазным напылением.

Повышение эффективности операций сверления отверстий в различных композиционных материалах может быть достигнуто за счет применения специализированных сверл, индивидуально разработанных для каждой группы материалов. Каждая из геометрий этих серий сверл учитывает специфические требования и особенности обработки каждого материала и оптимизирована за счет использования различных значений передних углов и углов при вершине

Применение новых сверл и фрез позволяет повысить качество механической обработки этих труднообрабатываемых материалов. Твердосплавные сверла с алмазным напылением, а также со вставками из поликристаллического алмаза идеально подходят для получения высококачественных отверстий в композитах. Все геометрии этих новых серий сверл разработаны с учетом специфических требований и особенностей обработки каждого конкретного материала. Эффективность фрезерования и обработки кромки деталей из композиционных материалов можно значительно повысить за счет применения фрез с PCD-пластинами. Взятые вместе, стандартные и специальные создают благоприятные технические возможности для сверления и фрезерования композитов в настоящем и будущем.

Metalworking World 1_2010