Влияние параметров процесса сверления на несущую способность эпоксидных композитов, армированных стекловолокном и алюминиевой сеткой

Jun 27, 2023

Том 13 научных отчетов, номер статьи: 12143 (2023) Цитировать эту статью

261 Доступов

Подробности о метриках

В настоящем исследовании была предпринята попытка оценить влияние параметров сверления и расслоения на несущую способность как чистого стеклопластика (NG), так и гибридной стеклопластик/алюминиевой (Al) проволочной сетки с двумя различными конфигурациями, сначала с алюминиевой сеткой на внешней поверхности образец (AG), а другой — с алюминиевой сеткой в ​​сердцевине образца (GA). Процедура сверления выполняется с использованием \(\varnothing\) твердосплавного спирального сверла диаметром 6 мм с тремя разными углами вершины (90°, 120° и 135°), а также тремя различными скоростями и подачами (1000, 2000 и 3000 об/мин). и (20, 40 и 60 мм/мин) соответственно. Анализы Тагучи и ANOVA используются для анализа влияния параметров обработки. Результаты показали, что образец AG испытал наименьшее повреждение от расслоения. Максимальная несущая способность относится к образцу НГ, что на 9,6 % и 8,7 % больше, чем у образцов АГ и ГА соответственно. Угол вершины сверла оказывает основное влияние на несущую способность образцов как AG, так и GA, тогда как для NG основное влияние имеет скорость подачи. Разработанная регрессионная модель показала высокий уровень приспособленности со средней ошибкой прогнозирования менее 3%.

В последние годы наблюдается огромный рост использования композиционных материалов, особенно в аэрокосмической и авиационной промышленности. В этой заявке основное внимание уделялось требованиям к материалам-заменителям стали и алюминиевых сплавов, которые могли бы облегчить вес конструкции1. Таким образом был получен гибридный композит, сочетающий в себе преимущества композитов, армированных металлом и волокном, для создания превосходного гибридного композита, известного как ламинаты из металлического волокна (FML). Наиболее часто используемым металлом в этом типе композитов является алюминий2. Семейства FML можно разделить на множество групп в зависимости от того, какое армирующее волокно используется, например ARALL, CARALL и GLARE — это аббревиатуры арамида, углеродного волокна и стекловолокна соответственно3. Ключевым преимуществом FML по сравнению с металлическими сплавами является лучшая устойчивость к росту трещин во время усталость, поскольку волокно и полимеры вокруг металлического ламината действуют как сжимающий механизм, предотвращающий возникновение трещин в металле4. Дополнительные функции включают в себя возможность изготовления сложных форм с использованием различных процессов производства композитов, возможное снижение веса и экономию затрат на техническое обслуживание благодаря высокой коррозионной стойкости композитов FML5,6. Когда вместо листа используются металлические проволочные сетки, становится возможным создавать более сложные конструкции, используя те же производственные процессы, что и для армированных волокном композитов. Способность металлической сетки пластически изгибаться может быть желательной в случае удара, поскольку она может отсрочить начало разрушения и действовать как дополнительный поглотитель энергии7, а также улучшает сцепление и ограничивает недостатки разрушения сцепления, поскольку усиливает межфазное взаимодействие между смолой и металлическая сетка, которая затрудняет разрушение связи между слоями композита8. Добавление алюминиевой проволочной сетки увеличивает степень удлинения при растяжении и изгибе до 54% ​​и 117% соответственно, а также улучшает поглощение энергии9. Эти гибридные композиты сочетают в себе лучшие качества металла и стеклопластика, обеспечивая превосходные механические характеристики по сравнению с традиционными ламинатами. Таким образом, они могут использоваться в различных практических и важных приложениях, включая военную, транспортную, аэрокосмическую, части подводных лодок и другие барьерные применения9,10. Эти конструкции соединяются друг с другом с помощью механических соединений, таких как заклепки или болты, а также других методов. Для сборки конструкций в этих соединениях требовалось проделать отверстия. Качество отверстия, геометрический допуск и толщина материала оказывают существенное влияние на прочность соединения. Однако наиболее важным фактором является процесс создания отверстия или качество отверстия, что приводит к значительным остаточным напряжениям вокруг границы отверстия и снижает прочность конструкции. При этом низкое качество отверстий составляет 60% деталей, отбракованных при изготовлении11. Сверление композита FML — сложная операция, поскольку сверло проникает в неоднородные структуры, содержащие твердые и абразивные волокна, а также термочувствительную матрицу, что делает процесс сверления чрезвычайно проблематичным. Кроме того, затраты на бурение высоки из-за частой переточки бурового долота из-за значительной эрозии12. Хотя были проведены многочисленные исследования по сверлению композитных материалов различными методами, включая формование и перфорацию отверстий, а также инновационные нетрадиционные методы, включая лазер и абразивную водоструйную обработку, сверление по-прежнему остается наиболее распространенным и простым методом создания отверстий в ламинированных композитах13. Обычное сверление приводит к множеству проблем, включая внутренние трещины и расслоения между ламинатами, а также тепловые повреждения, износ инструмента и ошибки в размерах отверстий. Эти недостатки ухудшают качество просверленных отверстий, что снижает способность болтового соединения выдерживать нагрузки. Были проведены различные исследования для изучения того, как механические крепления влияют на несущую способность ламинированных композитов. Инициирование разрушения, которое часто происходит в структурных соединениях в результате остаточного напряжения, усталости и деградации волокон, вызванных операциями бурения, послужило источником вдохновения для этих исследований14. Расслоение, которое определяется как диссоциация слоев ламината, возникающее, когда сила, действующая между ламинатами, превышает межслоевую прочность материала и вызывает межслоевое разрушение, обычно считается основным повреждением при сверлении композитных материалов15. Расслоение присуще сборочным деталям или болтовым соединениям, поскольку оно снижает прочность материала, позволяющую выдерживать чрезмерные нагрузки16. Расслоение отслаивания и выталкивания, которые представляют собой расслоение, вызванное сверлом, присутствуют как на входе, так и на выходе из отверстий17. По мнению Хашабы и др.18, расслоение при выталкивании является более серьезным, чем расслаивание при отслаивании. Контроль некоторых важных аспектов, таких как материал и геометрия сверлильного инструмента, скорость резания, скорость подачи и резервные механизмы, является ключом к минимизации расслоения при сверлении композитных ламинатов. Эти параметры влияют на качество просверленного отверстия и процесс бурения. Согласно исследованиям19, расслоение напрямую связано со скоростью подачи. Результаты, продемонстрированные Сактхивелом и др.20, показали, что скорость подачи является наиболее значимой переменной при сверлении композитов с полимерной сеткой из нержавеющей стали, армированной стекловолокном. Эти результаты согласуются с исследованиями Дженартанана и др.21. Низкая скорость шпинделя приводит к меньшему повреждению, однако использование высокой скорости с низкой скоростью подачи может уменьшить расслоение22. Влияние выбора геометрии инструмента и условий работы на повреждения, вызванные сверлением, было доказано автором. Он указывает, что меньший угол вершины23 и более низкая скорость подачи были связаны с отверстиями, которые имели меньшее расслоение, основываясь на его исследованиях. Там24,25 поясняет, что при меньшем угле при вершине снижается сила тяги, что и приводит к меньшему повреждению. Твердосплавное сверло считается лучшей альтернативой для сверления композитных материалов, чем сверло из быстрорежущей стали, поскольку оно вызывает меньшее расслоение и износ26. Плохое сверление приводит к снижению несущей способности, и наоборот. Согласно данным19, скорость подачи оказывает большое влияние на подшипник, поскольку низкая скорость подачи и высокая скорость повышают прочность подшипника. Механически скрепленные соединения вызывают различные типы отказов, включая чистое растяжение, срез, раскол и опору27. Эти механизмы разрушения довольно сложны и зависят от нескольких факторов, включая размер шайбы и боковую силу зажима. Статистический метод Тагучи хорошо подходит для задач инженерной оптимизации, требующих измерения характеристик качества отклика, отклоняющихся от установленных стандартов, с использованием отношения сигнал/шум28,29.