Những Lưu Ý Khi Gia Công Vật Liệu Composite

Vật liệu Composite là vật liệu được tổng hợp nên từ hai hay nhiều loại vật liệu khác nhau với mục đích tạo nên một vật liệu mới với tính năng ưu việt và bền hơn so với các vật liệu được tổng hợp ban đầu.

Vật liệu composite là gì?

Vật liệu composite bao gồm có vật liệu nền và cốt. Tính năng của vật liệu nền đảm bảo việc liên kết các cốt lại với nhau, tạo cho vật liệu gồm nhiều thành phần có tính nguyên khối, liên tục, đảm bảo cho vật liệu composite có độ bền nhiệt, độ bền hoá học và khả năng chịu đựng khi vật liệu có lỗi khuyết điểm.

Vật liệu nền của Composite có thể là Polyme, các kim loại và hợp kim, gốm ceramic hoặc Carbon. Vật liệu cốt đảm bảo cho Composite có các mođun đàn hồi và độ bền cơ học cao. Các cốt của Composite có thể là sợi thuỷ tinh (fiberglass), sợi polyme, sợi gốm ceramic, sợi kim loại và sợi Carbon,..

Ưu điểm của vật liệu composite

Ưu điểm lớn nhất của composite là có thể thay đổi cấu trúc hình học, sự phân bố và các vật liệu thành phần cấu tạo ra một vật liệu mới có độ bền theo mong muốn. Nếu bạn đòi hỏi nhiều tính chất khắt khe của kỹ thuật hiện đại ( như nhẹ, lại chịu được nhiệt lên đến 3000°C,…) thì chỉ có vật liệu Composite mới có thể đáp ưng đáp ứng nổi. Chính vì vậy, vật liệu composite giữ vai trò then chốt trong cuộc cách mạng về vật liệu mới.

Gia công trên vật liệu Composite

Gia công vật liệu Composite rất khó thực hiện do cấu trúc dị hướng và không đồng nhất của một hay nhiều vật liệu tổng hợp nên và do độ mài mòn cao của các thành phần gia cố của chúng. Điều này thường dẫn đến sự hao mòn rất nhanh cho công cụ cắt gọt. Các quy trình gia công thông thường như tiện, khoan hoặc phay có thể được áp dụng cho vật liệu composite, với điều kiện thiết kế công cụ phù hợp và điều kiện vận hành được áp dụng.

Các chi tiết được gia công vật liệu tổng hợp như nhựa gia cố sợi carbon (CFRP) ngày càng được sử dụng cho các chi tiết ngành hàng không có thể được thiết lập và chạy gia công trên cùng các công cụ máy móc như các chi tiết kim loại. Vật liệu CFRP thậm chí có thể được gia công với các dụng cụ cắt gọt tương tự như gia công các chi tiết bằng kim loại khác , mặc dù điều này ít có khả năng hoàn thành tốt. Tuy nhiên, các cơ chế loại bỏ vật liệu, bẻ phoi giữa kim loại và vật liệu Composite/CFRP là hoàn toàn khác nhau.

Đối với gia công phay hay tiện vật liệu kim loại, cơ chế đó là biến dạng dẻo. Dao cụ cắt gọt thường sẽ độ cứng cao hơn vật liệu phôi và sẽ bẻ phoi qua các lưỡi cắt, góc cắt dao cụ.

Nhưng trong quá trình gia công vật liệu tổng hợp, cụ thể là vật liệu CFRP sẽ không có phoi để bẻ trong quá trình gia công. Thay vào đó, cơ chế loại bỏ vật liệu CFRP có thể được gọi là bẻ vụn thành bụi phôi. Thay vì cắt vật liệu như gia công kim loại bình thường thì đối với CFRP, tác động của lưỡi cắt bẻ gãy các sợi carbon cứng dẫn đến lưỡi cắt dễ mài mòn nhanh chóng.

Trong bất kỳ ứng dụng công cụ cắt nào, thiết kế hình học dao cụ sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất gia công và nguyên liệu chế tạo dao cụ ảnh hưởng đến tuổi thọ. Điều này cũng đúng với gia công vật liệu tổng hợp CFPR. Tuy nhiên, trong vật liệu tổng hợp, nguyên liệu chế tạo dao cụ cũng trở thành yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất gia công. Vật liệu Compsoite tổng hợp có thể khiến dao cụ bị mài mòn nhanh đến mức hình dáng dao cụ cũng có thể thay đổi nhanh chóng, trừ khi lưỡi cắt được tạo từ vật liệu có thể chịu được sự mài mòn đủ tốt để giữ hình dạng của nó và giữ được độ sắc bén.

Một trường hợp khá phổ biến, mũi khoan của bạn gia công Composite có thể tạo ra hai lỗ khoan bề mặt hoàn thiện tốt nhưng khi khoan đến lỗ thứ ba sẽ xuất hiện bề mặt lỗi khuyết điểm, đơn giản là vì mũi khoan đã bị mòn đã gây biến dạng lưỡi cắt khiến vết cắt không được sắc bén và không giữ độ đồng nhất.

Một chi tiết bằng kim loại của máy bay có thể gia công với máy móc công suất cao và chỉ cần sử dụng dao cụ phù hợp, phổ thông và các giải pháp gá kẹp đơn giản để đảm bảo công việc. Ngược lại, gia công phay và khoan vật liệu Composite tổng hợp thường có thể được thực hiện với một máy móc công suất nhẹ hơn nhiều. Tuy nhiên lại yêu cầu các dao cụ cắt gọt chất lượng cao, cũng như các giải pháp gá kẹp được tùy chỉnh riêng

Một số yếu tố có thể được yêu cầu khi gia công CFRP

Vật liệu dao cụ cắt gọt

Bạn có thể sử dụng dao phay hợp kim (carbide) nhưng sẽ nhanh mài mòn khi gia công vật liệu Composite khiến bạn tốn thời gian vào việc tháo lắp, thay đổi dao cụ

Dao cụ bằng kim cương có tuổi thọ lâu hơn nhiều. Các lựa chọn trong dao cụ kim cương gia công vật liệu CFRP bao gồm lưỡi kim cương được hàn trên cán dao cụ, lớp phủ kim cương  thông qua phủ PVD hoặc mảnh insert làm từ kim cương đa tinh thể (PCD).

Thiết kế hình học dao cụ cắt gọt

Cũng giống như khi gia công cắt gọt với vật liệu kim loại, năng lượng của vết cắt vẫn chuyển thành nhiệt.

Vật liệu CFRP khi gia công rất khó để tản nhiệt. Gia công không tạo ra phoi ra để tản nhiệt, và vật liệu có độ dẫn nhiệt thấp. Sự tích tụ nhiệt dẫn đến nguy cơ tan chảy hoặc làm hỏng vật liệu nền. Và chất làm mát, dầu tưới nguội có thể không được phép sử dụng trong 1 số trường hợp gia công các chi tiết bằng Composite nhất định. Do đó, dao cụ cắt gọt và đường dẫn dao là tất cả những gì còn lại để tản và giảm nhiệt trong quá trình gia công.

Lưỡi dao sắc bén thường là một trong những chìa khóa để gia công thành công Composite. Các dao cụ phay và khoan cho vật liệu tổng hợp CFRP có các góc positive rake angels để cắt nhanh, sắc bén giúp hạn chế tối thiểu lượng nhiệt. Các dao cụ như vậy cũng được thiết kế kết hợp các góc thoát phoi đủ để ngăn lưỡi cắt cọ xát khi nó đi qua tránh giảm mài mòn.

Công cụ gá kẹp

Mặc dù các ứng dụng gia công Composite có thể đơn giản, thông thường chỉ cần khoan và phay trimming. Sẽ là những thử thách không nhỏ để thiết kế đồ gá sử dụng cho các chi tiết Composite này

Trong thực tế, đồ gá sử dụng trong gia công Composite có thể chiếm một khoản đầu tư kỹ thuật đáng kể. Để các chi tiết sau gia công có được vết cắt sắc bén, không sờn, đòi hỏi các chi tiết phải được gá kẹp chắc chắn bảo đảm chống rung trong khi gia công. Các xưởng gia công thường được sử dụng đồ gá bàn hút chân không được thiết kế theo hình dạng phôi Composite.

Máy móc thiết bị gia công

Các hình dạng đường viền của các chi tiết máy bay bằng composite thường cần sử dụng máy phay năm trục. Một số đơn vị gia công các chi tiết bằng kim loại có thể sử dụng các máy công cụ năm trục mà họ đã có sẵn. Tuy nhiên, lượng công suất và mô-men xoắn cần thiết để gia công chokim loại thường không cần thiết đối với cho vật liệu Composite.

Trên đây là những yếu tố cơ bản khi gia công vật liệu Composite/ CFRP, tuy nhiên để gia công thành công với loại vật liệu phức tạp còn rất nhiều điều kiện khác. Bạn có thể liên hệ với nhà sản xuất dao cụ, các đại lý để được hỗ trợ thêm thông tin về kĩ thuật