Snij-uitdagingen:composieten met gemengde matrix en vezelversterkte composieten

Nieuw bij gemengde matrix en vezelversterkte materialen in de lucht- en ruimtevaart? Hier is een inleiding over het werken met composietmaterialen.

Omdat veel industrieën, waaronder de lucht- en ruimtevaart, blijven vragen om steeds lichtere componenten, zou je op een dag voor een CNC-bewerkingscentrum kunnen staan ​​en je afvragen:"Wat is dit spul dat ik snij?". Gereedschap slijt snel, stof komt overal vandaan en bewerkte oppervlakken zijn ruw, geschilferd en vaak gebarsten.

Wat zijn composietmaterialen?

"Samengestelde materialen zijn in wezen een combinatie van twee of meer ongelijksoortige materialen die samen worden gebruikt om de beste eigenschappen te combineren, of om een ​​nieuwe reeks eigenschappen te geven die geen van de samenstellende materialen alleen zou kunnen bereiken", schrijft Dr. Rainer Groh, een onderzoeksmedewerker in niet-lineaire structuren aan de Universiteit van Bristol in zijn Aerospace Engineering-blog.

Ten eerste is het een goed idee om te begrijpen waarom composieten worden gebruikt:omdat ze tegelijkertijd licht en sterk zijn. Klinkt eenvoudig genoeg om te begrijpen. De duivel zit echter bij het snijden van composieten in de details.

"De matrix is ​​gevoelig voor oxidatie en degradatie door overmatige hitte, en de koolstofvezels snijden niet goed omdat ze breken in plaats van soepel afschuiven", merkt American Machinist op in een artikel over met koolstofvezel versterkt polymeer. "[D]e bewerking van composieten resulteert in een reeks brosse koolstofvezelbreuken die stofachtige spanen produceren die zeer weinig van de warmte afvoeren die door bewerking wordt gegenereerd."

Vezelversterkte composieten versus matrixcomposieten

Vloerbalken, stabilisatorpanelen, bedieningsoppervlakken, deuren en schotten - dit zijn slechts enkele van de vele composiet- of laminaatonderdelen die tegenwoordig in vliegtuigen worden aangetroffen, waarvan de meeste zijn gemaakt van meerlaagse composiet-metaal-composiet-sandwiches of honingraatachtige materialen met stoere buitenkanten en bijna papierachtige structuren binnenin.

Hoe ze ook zijn geconstrueerd, waar ze ook mee gelamineerd zijn in de ruimtevaart, er zijn drie klassen vezelversterkte composieten die bestaan, waaronder keramiek, metaal en Kevlar. Evenzo zijn er drie matrixcomposietklassen:fenol, polyester en epoxy. Deze materialen kunnen behoorlijk moeilijk te bewerken zijn, maar met wat basiskennis en een kleine investering in apparatuur en gereedschap zijn ze allemaal redelijk beheersbaar.

Je hebt misschien composieten gehoord die worden aangeduid als CFRP (koolstofvezelversterkt plastic), metaalmatrixcomposiet (MMC), aramide (dat is Kevlar) of tientallen andere, vergelijkbaar wetenschappelijk klinkende namen. De sleutel is om de verschillen te begrijpen van het werken met metaal.

"De verschuiving van metalen naar composietconstructies heeft natuurlijk geleid tot een verandering in de ontwerpmethodologie van vliegtuigcomponenten", merkt Groh op. "Er moet rekening worden gehouden met het feit dat niet alleen de mechanische eigenschappen van composieten verschillen van die van metalen, maar dat een hele reeks fysische en chemische eigenschappen anders zijn."

Composiet snijden:stof, koolstofstof en filtratiesystemen

Laten we beginnen met het vervelende stof dat rond je hoofd dwarrelt. Je wilt het spul niet inademen. Voor sommige toepassingen kunnen overstromende machines met snijvloeistof een schurende modder creëren die uw dure CNC-machine kan beschadigen. Sommige composieten nemen water op als een spreekwoordelijke spons, dus het aanbrengen van koelvloeistof kan het werkstuk zelfs beschadigen als u niet over de juiste apparatuur beschikt. In andere composiettoepassingen kan koelvloeistof echter een zeer effectieve methode zijn om stof te beheersen, de standtijd te verbeteren en de afwerking van componenten te verbeteren.

Nog een probleem om op te letten:het is bekend dat koolstofvezelstof onder bepaalde omstandigheden kan ontbranden. Afgezien van ernstige waarschuwingen, is de oplossing eenvoudig genoeg:elke winkel die routinematig composieten snijdt, zou moeten investeren in een filtersysteem dat geschikt is voor het type materiaal dat wordt bewerkt. Een redelijk luchtdichte behuizing is ook een goed idee, maar zolang er voldoende vacuüm is om het stof op en uit het werkgebied te zuigen, zou er geen probleem moeten zijn. Overgebleven stof kan worden verwijderd met een Shop-Vac (zorg er wel voor dat het filter in goede staat is). Hier zijn enkele belangrijke best practices voor het filteren van composietstof:

• Neem contact op met uw machinedealer over de noodzaak van een overdrukspindel zoals gevonden in grafietsnijmachines
• Informeer bij de materiaalleverancier welke maat en soort filtratie nodig is (er zijn veel variaties)
• En neem contact op met de klant over de vereisten voor de reinheid van onderdelen - vliegtuigfabrikanten zijn meestal erg kieskeurig over de aanwezigheid van stof en vreemde voorwerpen (FOD) op bewerkte onderdelen

Gereedschappen voor het snijden van composietmaterialen:berg de HSS op

Wat snijgereedschappen betreft, kunt u snelstaal vergeten. Composieten zijn over het algemeen behoorlijk schurend en hoewel HSS taai is, kan het niet tegen het misbruik van snijmateriaal zoals schuurpapier. Als u maar een paar onderdelen hoeft te bewerken, zal volhardmetaal werken, maar u hebt een zeer scherpe rand nodig (dit betekent dat coatings waarschijnlijk niet mogelijk zijn, dankzij de microscopische randafronding die bij alle CVD- en zelfs de meeste PVD-coatings wordt geleverd ).

Ook de geometrie is belangrijk. De relatief steile spiraalhoeken op metaalfrezen en boren hebben de neiging om de meeste composieten te delamineren, waardoor de lagen uit elkaar worden getrokken en de materiaalintegriteit wordt beschadigd, vergelijkbaar met wat er gebeurt als je een gat in een stuk glasvezel boort (ook al zou je dat misschien niet doen). met het blote oog kunnen zien). De beste gok is een snijgereedschap met neutrale of omgekeerde spiraal, zoals een frees voor hout- of kunststofbewerking, of frezen die speciaal zijn geslepen voor composietwerk.

Gebruik dus voor boren dubbelhoekige punten (ze zien eruit als Batman, met puntige oren aan weerszijden van de boorpunt) die de krachten tijdens het doorbreken verminderen en versplintering elimineren - om delaminatie op het uitgangsoppervlak te voorkomen. Een andere optie is een boor met boorpunt, bekend bij houtbewerkers. U kunt het gat ook op maat interpoleren met een neutrale frees of frees.

Snijden van composietmateriaal:diamanten zijn de beste vriend van een machinist

Voor hogere productiehoeveelheden, of waar de randkwaliteit van cruciaal belang is (wat meestal het geval is), zijn polykristallijne diamantgeslepen gereedschappen en diamantgecoate gereedschappen de beste keuze. Gesoldeerde of indexeerbare gereedschappen zijn het meest verkrijgbaar en zullen uitstekend werk leveren, maar ook hier bieden sommige fabrikanten van snijgereedschap producten aan die speciaal zijn ontworpen voor CFRP en andere composieten. Evalueer dit specifieke type snijgereedschap waar maximale prestaties vereist zijn.

Welke benadering u ook kiest met snijgereedschappen, voedingen en snelheden zal onbekend terrein zijn. Voor de beste resultaten neemt u contact op met uw gereedschapsleverancier en de materiaalfabrikant voor advies, maakt u wat tijd vrij voor testen en documenteert u alles wat u doet.

Extra tips voor het werken met en snijden van composietmaterialen

Het vastpakken van dunne composietonderdelen kan een uitdaging zijn, dus kijk eens naar vacuümwerk of door licht geactiveerde lijmen. Als hitte een probleem wordt, probeer dan een koudeluchtpistool op de werkzone te richten.

Hier zijn een paar aanvullende samengestelde tips om u in de goede richting te helpen:

• Houd rekening met de onderliggende korrelrichting en structuur van het composiet, omdat deze mogelijk op bepaalde manieren moet worden georiënteerd om de gewenste bewerkingsresultaten te bereiken
• Ingeklemd materiaal kan het gebruik van PCD tenietdoen ten gunste van carbide
• Honingraatcomposieten, populair in cascostructuren, zijn ook onderhevig aan een ander draaiboek - hier heeft klimmen de voorkeursbenadering (iets dat vaak niet het geval is bij composieten)

Het is een goed idee om het Boy Scout-motto te volgen en voorbereid te zijn:composietbewerking komt uw kant op.

Hoe werk je met composieten in je winkel? Vertel ons je snijdende horrorverhalen.