탄소섬유 복합소재의 주요 가공원리 및 가공방법
다양한 산업에서 경량 소재와 우수한 성능을 추구함에 따라 탄소 섬유와 그 복합 소재의 적용이 점점 더 광범위해지고 있습니다. 대규모 적용이 부족한 주된 이유는 비용과 생산 효율성입니다. 비용은 주로 재료 비용과 일괄 성형 가공 비용입니다. 재료 낭비를 줄이기 위해 고속, 고효율로 대량으로 고품질, 저비용 탄소 섬유 복합 소재를 생산하는 방법은 업계의 합의가 되었습니다.
1 탄소섬유 가공의 어려움
탄소섬유 강화 복합소재(CFRP)를 가공하는 동안 매트릭스와 섬유 사이에 비교적 복잡한 내부 상호작용이 발생하여 물리적 특성이 금속과 매우 다릅니다. CFRP의 밀도는 금속보다 훨씬 작은 반면 강도는 대부분 금속보다 큽니다. CFRP의 불균일성으로 인해 가공 중에 섬유 풀림이나 매트릭스 섬유 분리가 자주 발생합니다. CFRP는 내열성과 내마모성이 높아 가공 중 장비에 대한 요구 사항이 더 높습니다. 생산 공정 중에 발생하는 대량의 절단 열로 인해 장비에 심각한 마모가 발생하기 때문입니다.
동시에, 응용 분야가 지속적으로 확대됨에 따라 요구 사항이 점점 더 섬세해지고 있으며, CFRP에 대한 재료 적용성 요구 사항과 품질 요구 사항이 점점 더 엄격해지고 있으며, 이로 인해 가공 비용도 상승하고 있습니다.
2 처리 원리
섬유 방향
섬유 방향은 CFRP 작업물과 공구 접촉 표면 간의 상호작용에 상당한 영향을 미칩니다. 칩 형성은 섬유 방향과 밀접한 관련이 있습니다. CFRP 작업물과 공구 접촉 표면의 파손은 공구 팁이 가하는 압력으로 인해 발생합니다. 다양한 섬유 방향에 따라 세 가지 절단 메커니즘이 있습니다.
(1) 섬유파괴는 섬유와 매트릭스 접촉면 방향을 따라 발생하는데, 즉 섬유배향은 0도이다.
(2) 공구 전단 방향은 섬유축에 수직이며 섬유 방향은 75도입니다.
(3) 섬유 방향은 90도 또는 심지어 음의 각도입니다. 30도, 60도 및 90도의 섬유 방향 각도는 가장 중요한 방향입니다. 이는 큰 절삭력, 집중 마모 및 공작물 손상을 유발합니다. 공구 후진 각도 값을 증가시키면 이송 추력을 효과적으로 줄일 수 있습니다.
열을 절단하다
CFRP의 절삭 공정은 탄소섬유 파쇄 및 매트릭스 재료 제거의 복잡한 공정입니다. 작업물과 절삭 공구 사이의 마찰은 온도를 높이고, 심지어 고온에서 공구가 연화되거나 분해되도록 합니다. CFRP는 열전도도가 좋지 않아 절삭 공정 중에 냉각수를 사용하는 것이 금지되어 발생된 절삭 열이 빠르게 소산되지 않고 열이 절삭 공구로 전달되어 절삭 장비의 마모가 심화되고 수명이 크게 단축됩니다. 동시에 작업물의 표면 열이 심화되어 복합 재료의 표면 형성에 영향을 미치고 사용 중인 복합 재료의 성능이 저하됩니다.
복합재의 절단 열에 대한 연구는 주로 절단 온도의 측정 방법에 초점을 맞추고 있습니다. 국내외의 많은 학자들은 탄소 섬유 복합재의 절단 온도를 측정하기 위해 적외선 온도계, 열 화상 카메라 또는 내장형 열전대를 사용합니다.
공구 마모 메커니즘
CFRP는 가공하기 어려운 소재로, 주로 공구를 매우 빨리 마모시키기 때문입니다. 가공 공정 중 공구의 마모 메커니즘은 다음과 같습니다. 공구에서 작업물을 가공할 때 두 표면이 크게 접촉합니다. 가공 중에 장기간의 마모와 진동으로 인해 공구의 단단한 입자가 가끔 분리되어 소위 공구 마모가 발생합니다.
마모 유형은 대략 도구 손상과 마모로 나눌 수 있습니다. 마모 위치에 따라 마모는 도구 팁 마모, 도구 측면 마모, 도구 모서리 손상 및 모서리 마모로 나눌 수 있습니다.
공구 마모에 영향을 미치는 요인은 여러 가지가 있는데, 주로 가공 매개변수, 공구 형상 및 재료가 있습니다. CFRP 절삭 공정에서 공정 매개변수(절삭 속도, 이송 속도, 섬유 방향 등)는 공구 마모에 상당한 영향을 미칩니다. 일반적으로 절삭 속도가 증가하면 플랭크 마모가 심해집니다. 공구 형상 및 재료는 가공 표면, 칩 형성, 절삭력 및 공구 마모에 상당한 영향을 미칩니다.
4 처리방법
선회
선삭은 CFRP 가공에서 가장 널리 사용되는 방법이자 가장 기본적인 방법이며, 일반적으로 원통형 표면에서 미리 정해진 공차를 달성하는 데 적합합니다. 선삭에 적합한 공구의 주요 재료는 시멘트 카바이드 또는 세라믹과 다결정 다이아몬드입니다. 가공 공정에서 이송 속도, 절삭 깊이 및 절삭 속도는 완성된 작업물의 표면 품질과 공구 손상 정도에 영향을 미치며, 이는 또한 기술 최적화의 목표 방향입니다.
선회
갈기
밀링은 일반적으로 완성된 공작물을 재가공하기 위한 가공 방법으로, 높은 가공 정확도가 필요하며, 거친 가공 후 복잡한 공작물에 대한 수리 밀링 공정입니다. 가공 공정 중에 엔드밀과 CFRP도 복잡한 방식으로 상호 작용해야 하며, CFRP 공작물에 절단되지 않은 섬유사와 박리가 발생합니다. 유사한 결함을 줄이고 피하기 위해, 절삭력과 축 방향 박리 및 절단되지 않은 섬유사 버의 크기를 가공 초기 단계에서 과학적으로 예측하고 가공 공정 매개변수 설정을 제어하는 한, 버와 버의 생성을 효과적으로 줄일 수 있습니다.
섬유 방향, 축 및 접선 이송 속도, 절삭 속도와 같은 주요 공정 매개변수는 작업물의 표면 거칠기에 상당한 영향을 미칩니다. 밀링을 위한 기술적 요구 사항: 섬유 방향, 축 및 접선 이송 속도를 반복적으로 실험하고, 최적의 매개변수를 형성하고, 밀링을 수행합니다.
CFRP 가공용 밀링 커터
교련
볼트 또는 리벳 조립 시 공작물은 드릴링 작업이 필요합니다. CFRP 드릴링 공정에는 여전히 특정 문제가 있습니다. 재료 박리, 심각한 공구 마모 및 구멍 내벽의 품질 문제입니다. 실험 분석에 따르면 설정된 절삭 매개변수, 드릴 형상 및 절삭 품질은 위의 문제에 상당한 영향을 미칩니다. 손상된 영역의 최대 직경과 개구부의 비율을 일반적으로 손상 계수라고 하며, 이는 박리 정도를 나타냅니다. 박리 계수가 클수록 박리 문제가 더 심각합니다.
실험을 통해 절삭 공정에서의 추력과 박리 현상도 서로 관련이 있으며, 추력의 크기도 박리 정도를 나타낼 수 있음을 유추할 수 있다. 동일한 드릴링 소재를 기준으로 다른 가공 방법과 달리 드릴링 가공에서의 절삭 속도는 절삭력에 큰 영향을 미치지 않을 것이다.
동일한 절삭 매개변수에서 트위스트 드릴과 비교했을 때 매개변수는 복합 특수 드릴의 박리에 미치는 영향이 낮습니다. 특수 기하학적 특징이 있는 드릴의 경우, 더 큰 이송 속도와 드릴 직경은 박리를 줄일 수 있으며, 직경 비율이 다른 드릴링 구멍의 절삭력은 직경 비율이 감소함에 따라 증가하고 이송 속도가 증가함에 따라 증가합니다.
CFRP 가공용 드릴 비트
연마
일반적으로 조선 및 항공우주 산업 분야에서 CFRP 공작물에 대한 품질 요구 사항은 더 엄격합니다. 공작물의 정확도와 품질은 더 높은 가공 방법으로 수행되어야 하며 연삭 가공의 건설 프로세스는 제조 요구 사항을 충족합니다. 연삭 부품에 대한 정밀 요구 사항은 매우 엄격하며 거친 가공된 공작물에 대한 미세 연삭이 필요합니다.
CFRP 연삭은 금속보다 훨씬 어렵고 복잡합니다.국내외 학자들도 관련 연구를 수행하고 컵 모양의 연삭 휠을 설계하여 CFRP를 연삭하기 위해 내부에 냉각수를 공급합니다.건식 연삭, 외부 냉각수 연삭 및 내부 냉각수 연삭의 세 가지 가공 방법을 비교했습니다.결과에 따르면 내부 냉각수 연삭 공정 동안 연삭 휠에 부착된 매트릭스 수지가 상당히 감소했으며 연삭 휠의 연마 입자는 재료 표면에 박리 또는 버가 없이 섬유를 더 효과적으로 연삭할 수 있습니다.연삭 휠 내부에 냉각수를 제공하는 이 방법은 더 강력한 냉각 효과를 보여 연삭 온도를 상당히 낮추고 칩 배출에 도움이 됩니다.
연마
초음파 진동 가공 기술
초음파 진동 가공 메커니즘은 전통적인 가공 공정 중 공구와 공작물의 상대적인 움직임을 기반으로 하며, 그런 다음 특정 초음파 진동을 둘 다에 적용하여 성능이 더 나은 복합 재료를 생산합니다. 이 기술은 전통적인 기술의 최적화 및 보조입니다. 전통적인 가공 방법과 비교할 때 기술이 더 발전하고 완성된 공작물의 표면 품질이 더 섬세하며 균열 현상도 감소하여 가공 비용이 절감됩니다. CFRP 강화 복합 재료의 가공 난이도가 효과적으로 감소합니다. 초음파를 적용하면 재료 제거 메커니즘이 완전히 개선되고 공구와 공작물 간의 마찰이 줄어들고 공구 가공 시간이 단축되고 공구 힘이 향상되고 가공 효율이 향상되고 공구 마모가 감소하며 공작물 가공 정밀도와 품질이 더욱 향상되었습니다. 주로 초음파 진동 드릴링, 초음파 진동 연삭, 초음파 진동 밀링 및 초음파 진동 절단이 있습니다.
초음파 보조 절단
(1) 초음파 진동 드릴링
초음파 진동 드릴링은 복합 재료의 효율적인 드릴링에서 큰 개발 잠재력을 가진 비전통적인 가공 방법입니다. 주요 장점은 다음과 같습니다. 절삭력과 토크 감소, 가공 표면 품질 개선, 버 감소, 층화 방지 등
일부 학자들은 다이아몬드 연마재를 사용하여 초음파 진동 드릴링 CFRP를 회전시키는 방법을 연구했습니다. 회전 초음파 드릴링은 그림 3에 나와 있습니다. CFRP의 메커니즘 분석은 CFRP의 재료 제거 메커니즘이 소성 변형보다는 취성 파괴에 더 적합하다는 것을 보여줍니다. 절삭력 모델은 가공 매개변수와 가공 환경이 절삭력에 미치는 관계를 예측하기 위해 수립되었으며, 기계적 모델의 정확성은 실험을 통해 검증되었습니다.
(2) 초음파 진동 분쇄
초음파 진동 연삭은 다이아몬드 연삭의 재료 제거 메커니즘과 초음파 가공 특성을 가진 복합 연삭 기술을 결합합니다. 주요 장점은 다음과 같습니다. 절삭력과 칩을 얇게 하는 효과를 낼 수 있습니다. 공작물의 표면 정확도와 형상 정확도를 향상시킵니다. 재료 제거율을 높이고 공구 수명을 연장합니다. 취성 및 연성 도메인 간 전환을 위한 임계 절삭 깊이를 늘리고 취성 재료의 연성 도메인 가공을 실현합니다.