گروه مکانیک مواد مرکب دانشگاه سمنان(کامپوزیت)

ماشین كاری كامپوزیت ها

 قطعات ساخته شده از مواد كامپوزیتی، ماشین كاری كمی نیاز دارند؛ تمام قطعات به درجه ای از ماشین كاری نیاز دارند و نمیتوان به طور كامل عملیات ماشین كاری را حذف كرد. عملیات ماشین كاری به طور گسترده ای در صنایع هوافضا به كار گرفته میشود. در یك هواپیمای جنگی حدود 400-250 هزار و در یك هواپیمای باری حدود 2-1 میلیون سوراخ وجود دارد. تنها بال هواپیما حدود 5000 سوراخ دارد. بنابراین هزینه ماشین كاری از عوامل مهم تولید در صنایع هوافضاست.

ماشین كاری كامپوزیت ها شبیه ماشین كاری فلزات است. انواع مختلف ماشین كاری از قبیل برش، سوراخ كاری، سنباده كاری، حكاكی، آسیاب كردن و غیره با اهداف زیر روی قطعات انجام میشود:

1- ایجاد سوراخ و درز و انجام عملیات دیگری كه در طی فرآیند شكل دهی قطعه قابل انجام نیست.

2- ایجاد تلرانس دلخواه در قطعه. برای مثال اگر در یك قطعه الیاف پیچی شده، تلرانس 5/0 میلی متر لازم باشد، از فرآیند سوراخ كاری برای رسیدن به آن استفاده میشود.

3- آماده سازی سطح برای چسباندن، روكش كردن و رنگ آمیزی و به طور كلی برای زدودن روغن، گریس و مواد مشابه از روی قطعه كار

4- صیقلی كردن سطح قطعه

5- ساخت نمونه از یك حجم یا ورق بزرگ ماده. به عنوان مثال اگر طراحی بخواهد امكان ساخت قطعه ای همچون بوش را از كامپوزیت الیاف كوتاه شیشه و نایلون بررسی كند، میتواند یك لوله یا میلۀ كامپوزیتی را به عنوان نمونه ماشین كاری كند؛ به جای اینكه یك قالب گران ساخته و قطعه را در آن ریخته گری تزریقی كند. به طور مشابه، نمونه های آزمایش كشش و خمش از ورقه های بزرگ كامپوزیتی ساخته میشوند.

ماشین كاری فلزات بسیار مرسوم است و به اسانی انجام می شود؛ در صورتی كه ماشین كاری كامپوزیت ها مشكلات و چالش هایی به همراه دارد. برخی از این چالش ها عبارتند از:

1- ماشین كاری كامپوزیت ها باعث گسستگی در الیاف شده و بنابراین بر عملكرد قطعه تأثیر می گذارد.

2- ماشین كاری، الیاف را در معرض مواد شیمیایی و رطوبت قرار می دهد.

3- برای اجتناب از هم پاشیدگی ماده، دمای قطعه ساخته شده از كامپوزیت های گرماسخت در هنگام برش نباید از دره حرارت انجماد رزین بیشتر شود. الیاف شیشه و كولار هدایت حرارتی كمی دارند و چنین دماهای بالایی ممكن است باعث گرم شدن موضعی و از هم پاشیدگی كامپوزیت شود. در مورد كامپوزیت های گرمانرم نیز اگر دما به نزدیكی نقطه ذوب رزین برسد، كند شدن ابزار را در پی دارد.

4- به دلیل اختلاف ضریب انبساط حرارتی زمینه (ضریب بسیار مثبت) و الیاف (در كربن و آرامید، اندكی منفی)، دستیابی به ابعاد دقیق در عملیات برش كامپوزیت ها بسیار مشكل است و در عمل سوراخ های ایجاد شده نسبتب ه مته مورد استفاده قطر كمتری دارند.

5- به دلیل ضریب هدایت حرارتی كم كامپوزیت ها، در منطقه برش حرارت زیادی ایجاد می شود، لذا به یك عامل سردكننده مناسب برای انتقال حرارت از قطعه و ابزار موردنیاز است. هنگام سوراخ كردن قطعات فلزی، 75 درصد كل گرما توسط براده ها جذب میشود، در حالی كه ابزار و قطعه به ترتیب 18 و 7 درصد گرما را جذب می كنند. در سوراخ كردن كامپوزیت كربن و اپوكسی، ابزار نصف گرما را جذب می كند و بقیه گرما به طور یكسان توسط قطعه و براده ها جذب میشود.

6- به دلیل طبیعت ساینده كامپوزیت ها، معمولاً طول عمر ابزار مورد استفاده كوتاه تر است. برای افزایش طول عمر ابزارهای فولادی تندبر (High-Speed steel tools)، آنها را با كاربید تنگستنیا نیترید تیتانیم پوشش می دهند.

7- دستیابی به یك لبه برش صاف در كامپوزیت ها، مخصوصاً كامپوزیت های آرامیدی مشكل است. الیاف آرامید چقرمه اند و انرژی برشی را جذب می كنند. در حین برش كامپوزیت های آرامیدی، پیچ خوردگی الیاف یا سطوح دندانه دار مشاهده میشود.

8- به دلیل نامشخص بودن تأثیر مواد سردكننده باید بادقت صورت گیرد.

9- ماشین كاری كامپوزیت ها باعث لایه لایه شدن لبه های برش كامپوزیت های پیوسته میشود. جهت گیری و ترتیب چینش الیاف، تاثیر مهمی بر میزان لایه لایه شدن دارد.

معمولاً كامپوزیت ها از الیاف شیشه، كربن، كولار و یا تركیبی از این مواد به عنوان تقویت كننده بهره می برند. الیاف شیشه و كربن دارای شكست ترد هستند و در الیاف آرامیدی، جدایش محوری الیاف بسیار معمول است؛ زیرا در راستای محور الیاف پیوندهای ضعیف ملكولی وجود دارد كه اجازه حركت جزئی زنجیره های ملكولی را روی صفحات لغزش می دهند. این موضوع باعث كمتر شدن استحكام فشاری الیاف آرامیدی نیز میشود. از این رو، برای ماشین كاری كامپوزیت های آرامیدی ابزار ویژه ای لازم است. در فرآیند برش كامپوزیت های آرامیدی، الیاف آرامید به علت طبیعت نرم و انعطاف پذیر خود مقدار زیادی از انرژی را جذب می كنند، درنتیجه سطح برش داده شده صاف نخواهد بود. با توجه به استحكام فشاری پایین الیاف آرامید، در عملیات ماشین كاری، این الیاف به جای تمایل به بریده شدن، گرایش به فرورفتن در زمینه دارند. لبه های ماشین كاری شده در كامپوزیت های آرامید دارای اعوجاج و الیاف پیچ خورده (گره خورده) است.

برای دستیابی به لبه هایی با كیفیت بالا و برای جلوگیری از زبر و ناصاف شدن سطح كامپوزیت های آرامید، ابتداب اید الیاف تحت تنش كششی قرار گیرند و سپس با حركت برشی بریده شوند. به عنوان مثال، برای ابزارهای چرخشی، الیاف باید از قطر خارجی به سمت مركز كشیده شوند. لبه صاف برش خورده و سرعت برش نسبتاً بالا، برای جلوگیری از فرو رفتن الیاف در زمینه مفید است.

ترتیب قرار گرفتن لایه ها، جنس مواد تقویت كننده و رزین، همه بر كیفیت لبه های بریده شده كامپوزیت مؤثرند. ماشین كاری صفحات ساخته شده از لایه های زاویه دار آسانتر از كامپوزیت های تك جهته است و بافت های ساده، آسان تر از بافت های ساتن (برق و جلادار) ماشین كاری می شوند. بافت های متراكم كیفیت برش بهتری نسبتب ه بافت های كم تراكم دارند. رزین های اپوكسی بهتر از رزین ها فنلیك ماشین كاری میشوند.

ابزار ماشین كاری

ابزار مورداستفاده در ماشین كاری كامپوزیت ها مشابه ابزار ماشین كاری فلزات است. برای جلوگیری از سایش ابزار فولادی تندبر (HSS)، آنها را با كاربید تنگستن، نیترید تیتانیوم و یا الماس پوشش می دهند. ابزار فولادی تندبر بدون پوشش، برای مدتی خوب كار می كنند، اما پس از مدتی لبه های آنها كند میشود و كیفیت برش پایین می آید.

از نظر طول عمر، ابزارهای كاربیدی (WC) عالی هستند؛ به ویژه اگر در ساخت آنها از كاربیدهای ریزدانه استفاده شود. با این وجود قیمت این ابزار به طور چشمگیری بالاست. به دلیل مقاومت بالای ابزار ساخته شده از الماس پلی كریستال (PCD) در برابر سایش، آنها برای ماشین كاری كامپوزیت های تقویت شده با شیشه یا كربن استفاده می شود. قیمت ابزار PCD در حدود 10 برابر قیمت ابزارهای WC است.

مته ها و تیغه فرزهای انگشتی مورداستفاده در ماشین كاری كامپوزیت ها و تیغه های مصرفی د رعملیات تراش كاری، سوراخ كاری و سنگ زنی در یك راكتور رسوب شیمیایی گاز (CVD) با الماس پوشانده میشوند. محصول نهایی CVDD (الماس CVD) نامیده شده و پوششی متشكل از الماس خالص بدون چسب فلزی است.ابزار پوشش داده شده با CVDD ارزان تر از ابزار PCD هستند. باتوجه به ویژگی روان كاری الماس، معمولاً هنگام استفاده از ابزارهای PCD به سردكننده نیازی نیست. این قابلیت برش خشك از آلودگی قطعه به وسیله مواد سردكننده جلوگیری می كند. گاهی اوقات سردكننده ها (از قبیل محلول 5 درصد آب و روغن) میتوانند برای بهبود سطح نهایی و یا برداشتن براده ها مورد استفاده قرار گیرند.

انتخاب صحیح ضخامت لایه الماسه روی ابزار، برای كاربرد موفق و مطلوب بسیار حیاتی است. به عنوان مثال برای ماشین كاری كامپوزیت های الیاف شیشه (فایبرگلاس تجاری G10)، پوششی با ضخامت 24-20 میكرون بسیار مطلوب است. در مقایسه با ابزار كاربیدی، لغزندگی این ابزار در عملیات سنگ زنی 65 بار بهتر است.برای ماشین كاری كامپوزیت های الیاف شیشه G10، پوشش الماس با ضخامت 14-10 میكرون كاركرد خوبی ندارد. آزمایش های انجام شده نشان داده اند كه ابزار كاربیدی قبل از استهلاك سه گوشه خود، حدود 88/4 متر به صورت خطی ماشین كاری می كند، در حالی كه ابزار CVD با پوشش الماس، توانایی ماشین كاری خطی حدود 314 متر ماده را قبل از اینكه یك گوشه آنها از بین برود دارند. ابزار CVD با پوششی به ضخامت 10 میكرون نیز قبل از ساییده شدن گوشه ها، حدود 2/12 متر به صورت خطی ماشین كاری می كند.

در عملیات برش یك طرفه، ابزار كاربیدی تا پایان عمر خود، حدود 5/58 متر به صورت خطی ماشین كاری میكند. طول عمر ابزار براساس 1778/0 میلی متر سایش از كنار محاسبه میشود. ابزار CVD با پوشش الماس، به صورت خطی 314 متر را ماشین كاری می كند و پس از مصرف همه مواد G10 آزمایش متوقف میشود. پس از توقف آزمایش، ابزار CVD فقط 0254/0 میلی متر سایش داشت. انجام آزمایش برای این ابزار تا رسیدن به پایان عمر آن، 7 روز طول كشید و طی آزمایش ده ها مترمربع مواد مصرف شد.

منبع: نشریه كامپوزیت