Principaux principes et méthodes de traitement des matériaux composites en fibre de carbone
Avec la recherche de matériaux légers et d'excellentes performances dans diverses industries, l'application de la fibre de carbone et de ses matériaux composites devient de plus en plus étendue. La principale raison du manque d'application à grande échelle est le coût et l'efficacité de la production. Le coût est principalement le coût du matériau et le coût du traitement de moulage par lots. Comment produire des matériaux composites en fibre de carbone de haute qualité et à faible coût en grandes quantités avec une vitesse et une efficacité élevées pour réduire le gaspillage de matériaux est devenu un consensus dans l'industrie.
1 Difficultés dans le traitement de la fibre de carbone
Lors du traitement des matériaux composites renforcés de fibres de carbone (CFRP), il existe une interaction interne relativement complexe entre la matrice et la fibre, ce qui rend ses propriétés physiques très différentes de celles des métaux. La densité du CFRP est bien inférieure à celle du métal, tandis que sa résistance est supérieure à celle de la plupart des métaux. En raison de l'irrégularité du CFRP, l'arrachement ou la séparation des fibres de la matrice se produit souvent pendant le traitement ; le CFRP a une résistance élevée à la chaleur et à l'usure, ce qui lui impose des exigences plus élevées en matière d'équipement pendant le traitement, car une grande quantité de chaleur de coupe générée pendant le processus de production provoque une usure importante de l'équipement.
Dans le même temps, avec l'expansion continue de ses domaines d'application, les exigences deviennent de plus en plus délicates, et les exigences en matière d'applicabilité des matériaux et les exigences de qualité pour le CFRP deviennent de plus en plus strictes, ce qui entraîne également une augmentation des coûts de traitement.
2 Principe de traitement
Orientation des fibres
L'orientation des fibres a un impact significatif sur l'interaction entre la pièce en CFRP et la surface de contact de l'outil. La formation de copeaux est étroitement liée à l'orientation des fibres. La fracture de la pièce en CFRP et de la surface de contact de l'outil est provoquée par la pression appliquée par la pointe de l'outil. Il existe trois mécanismes de coupe en fonction des différentes orientations des fibres :
(1) La fracture de la fibre se produit dans la direction de la surface de contact de la fibre et de la matrice, c'est-à-dire que l'orientation de la fibre est de 0 degré.
(2) La direction du cisaillement de l'outil est perpendiculaire à l'axe de la fibre et l'orientation de la fibre est de 75 degrés.
(3) L'orientation des fibres est de 90 degrés ou même d'un angle négatif. Les angles de direction des fibres de 30 degrés, 60 degrés et 90 degrés sont les directions les plus critiques. Ils provoqueront des forces de coupe importantes, une usure concentrée et des dommages à la pièce. En augmentant la valeur de l'angle arrière de l'outil, la poussée d'avance peut être efficacement réduite.
Chaleur de coupe
Le processus de découpe du CFRP est un processus complexe de fracture de la fibre de carbone et d'élimination du matériau de la matrice. Le frottement entre la pièce et l'outil de coupe augmente la température et provoque même le ramollissement ou la décomposition de l'outil à haute température. Le CFRP a une mauvaise conductivité thermique, il est donc interdit d'utiliser du liquide de refroidissement pendant le processus de découpe, ce qui rend la chaleur de coupe générée incapable de se dissiper rapidement, et la chaleur est transférée à l'outil de coupe, ce qui aggrave l'usure de l'équipement de coupe et réduit considérablement sa durée de vie. Dans le même temps, la chaleur de surface de la pièce est aggravée, ce qui affecte la formation de surface du matériau composite et réduit les performances du matériau composite utilisé.
Les recherches sur la chaleur de découpe des matériaux composites se concentrent principalement sur la méthode de mesure de la température de découpe. De nombreux chercheurs nationaux et étrangers utilisent des thermomètres infrarouges, des caméras thermiques ou des thermocouples intégrés pour mesurer la température de découpe des matériaux composites en fibre de carbone.
Mécanisme d'usure de l'outil
Le PRFC est un matériau difficile à usiner, principalement parce qu'il use l'outil très rapidement. Le mécanisme d'usure de l'outil pendant le processus d'usinage est le suivant : lorsque la pièce est usinée sur l'outil, les deux surfaces sont en contact important. Pendant l'usinage, l'usure à long terme et les vibrations provoquent le détachement occasionnel des particules dures de l'outil, ce qui forme ce que l'on appelle l'usure de l'outil.
Les types d'usure peuvent être grossièrement divisés en dommages et usure de l'outil. Selon les différents emplacements d'usure, l'usure peut être divisée en usure de la pointe de l'outil, usure latérale de l'outil, dommages des bords de l'outil et usure des bords.
De nombreux facteurs influent sur l'usure des outils, notamment les paramètres d'usinage, la géométrie et les matériaux des outils. Dans le processus de coupe CFRP, les paramètres du processus (tels que la vitesse de coupe, l'avance, l'orientation des fibres, etc.) ont une incidence significative sur l'usure des outils. En règle générale, une augmentation de la vitesse de coupe aggrave l'usure des flancs. La géométrie et les matériaux des outils ont un impact significatif sur la surface usinée, la formation des copeaux, la force de coupe et l'usure des outils.
4 Méthodes de traitement
Tournant
Le tournage est la méthode la plus utilisée et la plus basique dans le traitement des PRFC. Il est généralement adapté pour atteindre des tolérances prédéterminées sur des surfaces cylindriques. Les principaux matériaux des outils adaptés au tournage sont : le carbure cémenté ou la céramique et le diamant polycristallin. La vitesse d'avance, la profondeur de coupe et la vitesse de coupe dans le processus de traitement affecteront la qualité de surface de la pièce finie et le degré d'endommagement de l'outil, ce qui est également la direction cible de l'optimisation technique.
Tournant
Fraisage
Le fraisage est généralement une méthode de traitement pour le retraitement des pièces finies, nécessitant une précision de traitement élevée, et un processus de fraisage de réparation pour les pièces complexes après un traitement grossier. Pendant le processus d'usinage, la fraise et le CFRP doivent également interagir de manière complexe, ce qui entraîne des fils de fibres non coupés et un délaminage dans la pièce en CFRP. Afin de réduire et d'éviter des défauts similaires, tant que la force de coupe et l'ampleur du délaminage axial et des bavures des fils de fibres non coupés sont scientifiquement prédites au début de l'usinage, et que les réglages des paramètres du processus d'usinage sont contrôlés, la génération de bavures et de bavures sera efficacement réduite.
Les principaux paramètres du processus, tels que l'orientation des fibres, les vitesses d'avance axiale et tangentielle et les vitesses de coupe, auront un impact significatif sur la rugosité de surface de la pièce. Exigences techniques pour le fraisage : Expérimentez à plusieurs reprises l'orientation des fibres, les vitesses d'avance axiale et tangentielle, formez les paramètres optimaux et effectuez le fraisage.
Fraise pour l'usinage de CFRP
Forage
La pièce à usiner nécessite des opérations de perçage lors de l'assemblage par boulons ou rivets. Certains problèmes subsistent dans le processus de perçage du CFRP : délaminage du matériau, usure importante de l'outil et problèmes de qualité de la paroi intérieure du trou. Selon l'analyse expérimentale, les paramètres de coupe définis, la géométrie du foret et la qualité de coupe ont un impact significatif sur les problèmes ci-dessus. Le rapport entre le diamètre maximal de la zone endommagée et l'ouverture est généralement appelé facteur d'endommagement, qui indique également le degré de délaminage. Plus le facteur de délaminage est élevé, plus le problème de délaminage est grave.
Les expériences ont permis de déduire que les phénomènes de poussée et de délaminage dans le processus de coupe sont également liés les uns aux autres, et que l'ampleur de la force de poussée peut également indiquer le degré de délaminage. Sur la base du même matériau de perçage, contrairement à d'autres méthodes de traitement, la vitesse de coupe dans le traitement de perçage n'aura pas un grand impact sur la force de coupe.
Avec les mêmes paramètres de coupe, les forets spéciaux composites ont un impact moindre sur le délaminage par rapport aux forets hélicoïdaux. Pour les forets aux caractéristiques géométriques spéciales, une vitesse d'avance et un diamètre de foret plus importants peuvent réduire le délaminage, et la force de coupe des trous de perçage avec des rapports de diamètre différents augmentera avec la diminution du rapport de diamètre et augmentera avec l'augmentation de la vitesse d'avance.
Forets pour le traitement du CFRP
Affûtage
En règle générale, dans les domaines de la construction navale et de l'industrie aérospatiale, les exigences de qualité pour les pièces en PRFC sont plus strictes. La précision et la qualité des pièces doivent être réalisées selon des méthodes de traitement plus avancées, et le processus de construction du traitement de rectification répond exactement à ses exigences de fabrication. Les exigences de précision pour les pièces à rectifier sont très strictes, et une rectification fine est requise pour les pièces qui ont été grossièrement traitées.
Le meulage du CFRP est beaucoup plus difficile et compliqué que celui du métal. Des chercheurs nationaux et étrangers ont également mené des recherches pertinentes et conçu une meule en forme de coupelle, qui fournit un liquide de refroidissement à l'intérieur pour meuler le CFRP. Les trois méthodes de traitement de meulage à sec, de meulage à liquide de refroidissement externe et de meulage à liquide de refroidissement interne ont été comparées. Les résultats ont montré que pendant le processus de meulage à liquide de refroidissement interne, la résine de matrice attachée à la meule a été considérablement réduite et les particules abrasives dans la meule peuvent meuler la fibre plus efficacement sans délaminage ni bavures à la surface du matériau. Cette méthode de fourniture de liquide de refroidissement à l'intérieur de la meule montre un effet de refroidissement plus fort, ce qui peut réduire considérablement la température de meulage et est propice à l'évacuation des copeaux.
Affûtage
Technologie de traitement par vibrations ultrasoniques
Le mécanisme de traitement par vibrations ultrasoniques est basé sur le mouvement relatif de l'outil et de la pièce pendant le processus de traitement traditionnel, puis une certaine vibration ultrasonique est appliquée aux deux, de manière à produire un matériau composite avec de meilleures performances. Cette technologie est une optimisation et un auxiliaire de la technologie traditionnelle. Par rapport aux méthodes de traitement traditionnelles, la technologie est plus avancée, la qualité de surface de la pièce finie est plus délicate et le phénomène de fissures est également réduit, ce qui permet de réduire les coûts de traitement. La difficulté de traitement des matériaux composites renforcés en CFRP est efficacement réduite. L'application des ultrasons a complètement amélioré le mécanisme d'enlèvement de matière, réduit le frottement entre l'outil et la pièce, réduit le temps de traitement de l'outil, amélioré la force de l'outil, amélioré l'efficacité du traitement, réduit l'usure de l'outil et rendu la précision et la qualité du traitement de la pièce plus avancées. Il existe principalement le perçage par vibrations ultrasoniques, le meulage par vibrations ultrasoniques, le fraisage par vibrations ultrasoniques et la découpe par vibrations ultrasoniques.
Découpe assistée par ultrasons
(1) Perçage par vibration ultrasonique
Le perçage par vibration ultrasonique est une méthode de traitement non traditionnelle avec un grand potentiel de développement dans le perçage efficace des matériaux composites. Ses principaux avantages sont les suivants : réduction de la force de coupe et du couple ; amélioration de la qualité de la surface de traitement, réduction des bavures ; évitement de la stratification, etc.
Certains chercheurs ont étudié l'utilisation d'abrasifs diamantés pour le perçage par vibration ultrasonique rotatif du CFRP. Le perçage par ultrasons rotatif est illustré à la figure 3. L'analyse du mécanisme du CFRP montre que le mécanisme d'enlèvement de matière du CFRP est plus adapté à la fracture fragile qu'à la déformation plastique. Un modèle de force de coupe est établi pour prédire la relation entre les paramètres de traitement et l'environnement de traitement sur la force de coupe, et la précision du modèle mécanique est vérifiée par des expériences.
(2) Meulage par vibrations ultrasoniques
La rectification par vibration ultrasonique combine le mécanisme d'enlèvement de matière de la rectification au diamant et la technologie de rectification composite avec les caractéristiques de traitement par ultrasons. Ses principaux avantages sont les suivants : elle peut produire l'effet de réduire la force de coupe et l'amincissement des copeaux ; améliorer la précision de surface et la précision de forme de la pièce ; augmenter le taux d'enlèvement de matière et prolonger la durée de vie de l'outil ; augmenter la profondeur de coupe critique pour la transition entre les domaines fragiles et ductiles et réaliser le traitement du domaine ductile des matériaux fragiles.