برش لیزری و تحلیل عملکرد فرز در پلاستیک‌های تقویت شده با الیاف کربن
پلاستیک‌های تقویت شده با الیاف کربن (CFRP) به دلیل عملکرد عالی کاربرد گسترده‌ای در صنایع تولیدی، هوافضا و هوانوردی دارد. با این حال، با توجه به ویژگی‌های ساختاری CFRP، از پردازش کم و کیفیت سطحی ضعیف برخوردار است و همچنین به راحتی باعث سایش ابزار می‌شود. در این مطالعه، به بررسی سیستماتیک تأثیر نوع ابزار (فرز معمولی، فرز دندان لوزی، فرز آبکاری، فرز شیاردار، فرز لیزر) و پارامترهای پردازش (سرعت اسپیندل، سرعت تغذیه، عمق برش شعاعی) بر عمر ابزار، کیفیت و صحت پردازش پرداخته شده است. نیروی برش سه نوع فرز الماس آبکاری شده و زبری سطح CFRP فرآوری شده کمتر از فرز معمولی و بیشتر از فرز دندان لوزی است. نیروی برش اصلی و شعاعی ابزار آسیاب برش به ترتیب 9.5 نیوتن و 1.26 نیوتن است. زبری سطح نیز حدود 2.524 میکرومتر است. با توجه به اینکه فرز لیزری لبه‌های تمیز و تیزی دارد که می‌توانند الیاف کربن را به طور موثری برش دهند، هیچ سوراخی در CFRP فرآوری شده وجود ندارد. علاوه براین، زبری سطح پردازش شده به طور قابل توجهی کاهش یافت و فقط سایش اندکی در ابزار رخ داد. از آنجایی که ضایعات پردازش می‌توانند به راحتی از شیار فرز لیزری خارج شوند، باعث می‌شوند تا لبه تیز فرز نیروی برشی را کاهش دهد. پردازش کلی عملکرد فرز لیزری نزدیک به ابزار CFRP (فرز دندان لوزی) است اما قیمت آن حدود یک پنجم ابزار مخصوص است. بنابراین، فرز الماس آبکاری شده با ساختار بهبود یافته و پارامترهای پردازش بهینه می‌تواند یک ابزار ایده آل برای فرز CFRP باشد.
CFRP به دلیل مزایایی همچون مقاومت ویژه بالا، مدول ویژه بزرگ، مقاومت بالا در برابر ضربه بالا و ضریب انبساط حرارتی کم کاربرد زیادی در قطعات کلیدی باربر فضاپیما مانند مهندسی فضاپیمای سرنشین دار، مهندسی اکتشاف ماه و اکتشافات اعماق فضا دارد. با این حال، معایبی مانند ناهمواری، ناهمسانگردی و استحکام پیوند ضعیف بین لایه‌های مواد نیز دارد که باعث پارگی الیاف، بریدگی، طبقه بندی و سایر عیوب در پردازش می‌شود و فرایند آن هم دچار سایش بالای ابزار، پردازش پایین، کیفیت پایین قطعه و پر هزینه بودن آن است. بنابراین، انتخاب معقول ابزار و پارامترهای برش به طور قابل ملاحظه‌ای سایش ابزار، بهبود عمر ابزار و دستیابی به برش دقیق و با کیفیت CFRP را به حداقل می‌رساند. CFRP اساسا با استفاده از فرز دندان لوزی پردازش می‌شود که بسیار گران قیمت است. اخیرا محققان به راه حل های جدیدی برای پردازش دقیق CFRP توسط فرز که دارای کیفیت بالای سطح قطعه و زبری کمتری است، دست یافته اند. برخی محققان من جمله گائو و همکارانش چرخ فرز آبکاری شده با آرایش قابل کنترل گروه‌های ساینده را برای حل مشکل طبقه بندی و گرفتگی چرخ فرز CFRP در طول فرز خشک توسعه دادند. این نیروی محوری، زبری سطح قطعه و مورفولوژی سطح بین فرز معمولی و توسعه یافته مورد مطالعه قرار گرفتند و مشخص شد که نیروی محوری فرز توسعه یافته در حین فرز کوچک و پایدار است. چینگپو ژان و همکارانش از فرزهای الماس آبکاری شده سوراخ دار برای انجام آزمایشات فرز اولتراسونیک مواد کامپوزیتی C/SiC استفاده کردند و مشاهده شد که پردازش اولتراسونیک می‌تواند به طور موثری تولید چاله‌های سطحی را محدود کند. تینگ تینگ ژن و همکارانش آزمایشات فرز C/SiC کامپوزیت الیاف کربن یک طرفه را با استفاده از مدل زبری سطح انجام داده و به این نتیجه رسیدند که میزان تأثیر جهت فرز بر تغییر زبری سطح به صورت محوری<نرمال<رادیال بود. جینگ ون ژو و همکارانش ورقه T800 CFRP را فرز کردند و نتایج حاصل شده نشان داد که هیچ پوشش رزینی و سوراخ آشکاری در سطح وجود ندارد و کیفیت سطح نیز بهتر بود.
کلام آخر
این مطالعه اثرات پردازش پنج نوع فرز از جمله فرز معمولی، فرز دندان لوزی، فرز آبکاری شده، فرز شیاردار و آسیاب برش لیزری را همراه با کیفیت سطح پردازش شده، نیروی برش و سایش ابزار مورد تجزیه و تحلیل قرار داد. فرز شیاردار با سیستم برش ساخته شده با لیزر پیکوسکند بریده شد. نتایج کلی کار به شرح زیر است:
1- یک سیستم برش لیزری پیکوسکند ساختیم و آزمایش برش را بر روی لبه‌های شیار مستقیم فرز الماس آبکاری شده برای به دست آوردن یک تیغه انعطاف پذیر و تیز انجام دادیم.
2- یک آزمایش تک عاملی برای صفحات CFRP آسیاب انجام شد و تغییرات نیروی برش، سایش ابزار و زبری سطح CFRP فرآوری شده در پنج ابزار فرز مورد مطالعه قرار گرفت. به دلیل استحکام کم و تیزی لبه برش فرز معمولی، نیروی برش و زبری سطح فرآوری شده CFRP بالا است؛ سایش ابزار جدی تر است و سطح CFRP پردازش شده بیشترین فرز را تولید می‌کند. فرز دندان لوزی کمترین نیروی برشی و زبری سطح پردازش شده CFRP، علاوه بر کمترین درجه سایش ابزار، را دارد. نیروی برش سه فرز الماس آبکاری شده و زبری سطح CFRP فرآوری شده کمتر از فرز معمولی و بیشتر از فرزهای دندان لوزی است. از بین آنها، نیروی برش فرز برشی کمترین است؛ دندانه‌های فرز الماس مرتب شده بر روی سطح ابزار کمترین سایش و آسیب را دارد؛ کیفیت سطح CFRP فرآوری شده عالی است و همچنین عملکرد کلی نزدیک به فرز دندان لوزی است.
3- آزمایش سطح پاسخ باکس بنکن برای ابزارهای فرز شیاردار، فرز تراش و فرز دندان لوزی انجام شد. اثر متقابل پارامترهای فرایند بر نیروی برش ابزار و زبری سطح CFRP پردازش شده مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. در سرعت معین اسپیندل، زبری سطح قطعه پردازش شده توسط سه ابزار با افزایش مقدار سرعت تغذیه افزایش می‌یابد. ابزار فرز دندان لوزی قطعه را با کمترین زبری سطح پردازش می‌کند و برعکس، فرزهای شیاردار قطعه را با بیشترین زبری پردازش می‌کنند. در سرعت بالا و تغذیه کم، زبری سطحی ایده آل قطعه را می‌توان به دست آورد. با افزایش نرخ تغذیه یا کاهش سرعت اسپیندل، نیروی برش اصلی افزایش یافته و عملکرد فرزهای شیاردار نیز شفاف تر می‌شود. نیروی برش اصلی زمانی که سرعت اسپیندل و نرخ تغذیه به ترتیب 7500 دور در دقیقه، 40 میلی متر در دقیقه باشند، در پایین ترین سطح است. این نیروی شعاعی با افزایش سرعت اسپیندل کاهش یافته و با افزایش سرعت تغذیه افزایش می‌یابد. تغییرات نیروی برش اصلی و شعاعی در فرزهای برش به فرزهای دندان لوزی نزدیکتر هستند.
نیروی برش سه ابزار فرز الماس آبکاری شده کمتر از فرز معمولی و کمی بیشتر از فرز دندان لوزی است. همچنین درجه سایش آن کمتر است. در میان آنها، نیروی برش فرز برشی و زبری سطح قطعه کمتر است به طوری که نزدیک به ابزار فرز دندان لوزی است. فرز دندان لوزی به دلیل ساختار تیغه ای پیچیده و پوشش الماسی روی سطح ابزاری خاص و گران قیمت است و هزینه آن تقریبا پانزده برابر ابزارهای فرز آبکاری شده است. بنابراین، بهبود ساختار، برش لیزری و بهینه سازی فرایند در ابزارهای فرز آبکاری شده می‌تواند مقاومت ضد اصطکاک، سایش و تیزی لبه را بهبود بخشیده و آن را به یک ابزار ایده آل برای فرز CFRP تبدیل کند.
