一, principala problemă cu prelucrarea materialelor compozite pentru mașini
Un material compozit este alcătuit dintr-o matrice (cum ar fi rășina sau metalul) și o armătură (cum ar fi fibra de carbon sau fibra de sticlă). Prelucrarea acestor materiale este dificilă deoarece implică depășirea a trei mari probleme:
Risc de delaminare și ruptură: Dacă forța de tăiere nu este uniformă, poate provoca cu ușurință delaminarea interstratului. Acest lucru este valabil mai ales pentru găurire și frezare, unde delaminarea materialului scade imediat rezistența structurii.
Creșterea uzurii sculelor: fibra de carbon și alte materiale de armare sunt mult mai dure decât metalele. La prelucrare, sculele standard se uzează rapid, ceea ce provoacă modificări ale forței de tăiere și o scădere a calității suprafeței.
Problemă cu acumularea de căldură: Materialele compozite nu conduc bine căldura, iar concentrarea căldurii în timpul procesării poate provoca cu ușurință descompunerea materialului, schimbarea formei sau chiar deteriorarea suprafeței.
De exemplu, prelucrarea polimerului armat cu fibră de carbon (CFRP) este de 3-5 ori mai grea decât prelucrarea aliajului de aluminiu. Rata nedorită pentru prelucrarea obișnuită a mașinilor-unelte manuale sau de uz general-este de 20% sau mai mare, în timp ce sectorul auto are de obicei nevoie de o rată de calificare a părților de 99,5% sau mai mare. Această discrepanță arată de ce tehnologia de prelucrare CNC trebuie îmbunătățită.
2, Cele patru avantaje principale ale tehnologiei de prelucrare CNC pentru lucrul cu materiale compozite
1. Control de înaltă precizie: îndeplinește standarde stricte de toleranță
Legătura cu cinci-axe, un sistem de poziționare la nivel-micrometric și controlul cu feedback în buclă-închisă permit mașinilor-unelte CNC să efectueze tăiere precisă pe materiale compozite. De exemplu:
Capota motorului: utilizând frezare CNC cu cinci-axe pentru a vă asigura că toleranța profilului de suprafață este mai mică sau egală cu 0,05 mm, ceea ce împiedică apariția zgomotului de vibrație din cauza spațiului de asamblare;
Carcasa bateriei: toleranța de deschidere este menținută la nivelul H7 (0 până la +0.015mm) prin tehnologia compozite de găurire și frezare cu viteză mare-pentru a se asigura că etanșarea funcționează.
Braț de suspensie: un centru de prelucrare CNC cu mai multe-axe poate face tăierea complexă a suprafeței într-o singură prindere, cu o toleranță de formă și poziție (cum ar fi coaxialitatea) mai mică sau egală cu 0,02 mm, ceea ce face mișcarea mai stabilă.
2. Producție flexibilă: capabilă să se ocupe de multe tipuri diferite și loturi mici
Piesele compozite pentru automobile sunt „ușoare și personalizabile”, ceea ce face dificil pentru utilajele tradiționale specializate să țină pasul cu nevoia de schimbări rapide. Prelucrarea CNC face producția mai flexibilă prin utilizarea următoarelor metode:
Sistem de fixare modular: Schimbați rapid dispozitivele de poziționare pentru diferite piese, reducând timpul necesar pentru comutare de la 2 ore la 15 minute;
Software de programare inteligent: bazat pe o platformă integrată CAD/CAM, creează automat cele mai bune trasee de scule, ceea ce înseamnă mai puțină muncă pentru oameni;
Monitorizare și plată online: interferometrele laser, senzorii de forță și alte instrumente captează date de procesare-în timp real, iar setările de tăiere sunt modificate din mers pentru a vă asigura că fiecare lot este același.
De exemplu, o nouă companie de vehicule energetice produce roți din material compozit folosind un centru de prelucrare CNC cu cinci-axe. Prin optimizarea codului, timpul necesar procesării unui articol scade de la 45 de minute la 28 de minute, iar rata de rebuturi scade de la 12% la 0,8%.
3. Scule de tăiere specializate și optimizarea proceselor: găsirea de soluții la provocările legate de prelucrarea materialelor
Pe baza proprietăților materialelor compozite, au fost realizate o serie de soluții personalizate pentru prelucrarea CNC.
Se folosesc unelte acoperite cu diamant-(PCD) sau cu nitrură de bor cubică (CBN). Sunt de 3 până la 5 ori mai dure decât aliajele dure și durează de peste 10 ori mai mult;
Cum se taie:
Proces de frezare inversă: minimizează posibilitatea de delaminare și reduce modificările forței de tăiere;
Frezare cicloidă: făcând traseul sculei cât mai eficient posibil, căldura de la tăiere este răspândită pentru a minimiza supraîncălzirea într-un singur loc;
Răcire la temperatură joasă: pentru a menține temperatura în zona de procesare sub -50 de grade, se utilizează tehnologia de răcire cu azot lichid sau cu gaz. Aceasta oprește deformarea termică.
Optimizarea parametrilor: utilizați teste ortogonale pentru a găsi cea mai bună viteză de tăiere (800–1200 m/min), viteza de avans (0,05–0,1 mm/r) și adâncime de tăiere (0,2–0,5 mm) care echilibrează calitatea și eficiența.
4. Integrare inteligentă: faceți ca întregul proces să funcționeze mai bine.
Sistemele CNC moderne folosesc IIoT, gemeni digitali și AI pentru a face producția de materiale compozite mai inteligentă.
Simulare digitală dublă: simularea procesului de prelucrare într-un spațiu virtual, găsirea conflictelor din timp, îmbunătățirea traseelor sculei și reducerea numărului de tăieturi de testare;
Control adaptiv: modificarea parametrilor de tăiere în timp real în funcție de duritatea materialului, direcția fibrelor și alți factori pentru a menține stabilitatea prelucrarii;
Întreținere predictivă: Senzorii pot urmări lucruri precum vibrațiile mașinii, temperatura axului și alte date pentru a afla când uneltele se vor uza sau echipamentele se vor defecta, iar apoi întreținerea poate fi planificată din timp.
Un furnizor mondial de piese auto a instalat un sistem CNC inteligent, care a îmbunătățit eficiența generală a echipamentului (OEE) a liniei sale de prelucrare a arborelui de antrenare din material compozit cu 40% și a redus costul anual de întreținere cu 35%.
3, Exemple despre cum îl folosește industria și ce ne rezervă viitorul
1. Situații frecvente în care este utilizat
Componente structurale ale caroseriei: Tesla Model S are panouri de caroserie CFRP care au fost prelucrate CNC. Aceste panouri sunt cu 60% mai ușoare decât piesele din oțel și sunt sigure în caz de accident deoarece au fost realizate cu prelucrare precisă.
Piese ale sistemului de alimentare: arborele de transmisie din fibră de carbon al BMW i3 este tăiat cu CNC cu cinci-axe, ceea ce îi conferă un nivel de echilibru dinamic de G1.0 și îl face cu 5 dB mai silențios la rulare. Piese interioare: Mercedes Benz S-Class folosește benzi decorative din fibră de carbon sculptate CNC-cu o rugozitate a suprafeței de Ra Mai mică sau egală cu 0,2 μm, care satisface nevoile estetice de vârf-.
2. Tendințe în dezvoltarea viitoare
Prelucrare de ultra-precizie: prelucrarea CNC trebuie să poată funcționa cu materiale compozite din pile de combustibil cu hidrogen și baterii cu stare-solidă, ceea ce înseamnă că trebuie să poată funcționa cu precizie la nivel de-nanometru (± 0,001 mm).
Realizarea lucrurilor într-un mod care să fie benefic pentru mediu: pentru a reduce cantitatea de compuși organici volatili (COV) eliberați în timpul producției de materiale compozite, trebuie să găsim metode fără poluare-cum ar fi tăierea uscată și lubrifierea la temperatură joasă-.
Integrarea proceselor compozite este utilizarea de prelucrare CNC, tăiere cu laser, tăiere cu jet de apă și alte tehnologii împreună pentru a face o soluție „la cheie” pentru fabricarea pieselor din materiale compozite.
