一, Основният проблем с обработката на композитни материали за автомобили
Композитният материал се състои от матрица (като смола или метал) и армировка (като въглеродни влакна или стъклени влакна). Обработката на тези материали е трудна, тъй като включва преодоляване на три големи проблема:
Риск от разслояване и разкъсване: Ако силата на рязане не е равномерна, това може лесно да причини разслояване на междинния слой. Това е особено вярно за пробиване и фрезоване, където разслояването на материала незабавно намалява здравината на конструкцията.
Повишено износване на инструмента: Въглеродните влакна и други подсилващи материали са много по-твърди от металите. При обработка стандартните инструменти се износват бързо, което води до промени в силата на рязане и спад в качеството на повърхността.
Проблем с натрупването на топлина: Композитните материали не провеждат топлина добре и концентрирането на топлина по време на обработка може лесно да доведе до разрушаване на материала, промяна на формата или дори увреждане на повърхността.
Например обработката на подсилен с въглеродни влакна полимер (CFRP) е 3–5 пъти по-трудна от обработката на алуминиева сплав. Степента на боклук за типична ръчна или -машинна обработка с общо предназначение е 20% или по-висока, докато автомобилният сектор обикновено се нуждае от степен на квалификация на части от 99,5% или повече. Това несъответствие показва защо CNC технологията за обработка трябва да бъде подобрена.
2, Четирите основни предимства на технологията за обработка с ЦПУ за работа с композитни материали
1. Контрол с висока точност: отговаря на строгите стандарти за толерантност
Пет{0}}осева връзка, система за позициониране на микрометърно-ниво и контрол на обратната-затворена верига позволяват на машинните инструменти с ЦПУ да извършват прецизно рязане върху композитни материали. Например:
Капак на двигателя: използване на пет{0}}осно CNC фрезоване, за да се гарантира, че толерансът на профила на повърхността е по-малък или равен на 0,05 mm, което спира появата на вибрационен шум поради хлабината на сглобяването;
Корпус на батерията: Толерансът на отвора се поддържа на ниво H7 (0 до +0.015 mm) чрез високо-композитна технология за пробиване и фрезоване, за да се гарантира, че уплътнението работи.
Окачващо рамо: Много{0}}осен CNC обработващ център може да извършва сложно повърхностно рязане с едно затягане, с толеранс на формата и позицията (такава коаксиалност) по-малък или равен на 0,02 mm, което прави движението по-стабилно.
2. Гъвкаво производство: способно да обработва много различни видове и малки партиди
Автомобилните композитни части са „леки и адаптивни“, което затруднява традиционните специализирани машини да се справят с необходимостта от бърза смяна. CNC обработката прави производството по-гъвкаво, като използва следните методи:
Модулна система за закрепване: Бързо сменяйте позициониращите устройства за различни части, намалявайки времето, необходимо за превключване от 2 часа на 15 минути;
Интелигентен софтуер за програмиране: базиран на интегрирана CAD/CAM платформа, той автоматично създава най-добрите траектории на инструмента, което означава по-малко работа за хората;
Наблюдение и плащане онлайн: Лазерни интерферометри, сензори за сила и други инструменти улавят-данни за обработка в реално време и настройките за рязане се променят в движение, за да се гарантира, че всяка партида е една и съща.
Например, компания за нови енергийни превозни средства произвежда колела от композитни материали с помощта на пет{0}}осен CNC обработващ център. Чрез оптимизиране на кода времето, необходимо за обработка на един артикул, намалява от 45 минути на 28 минути, а процентът на скрап намалява от 12% на 0,8%.
3. Специализирани инструменти за рязане и оптимизиране на процесите: намиране на решения на предизвикателствата с обработката на материали
Въз основа на свойствата на композитните материали са направени редица персонализирани решения за CNC обработка.
Използват се инструменти с диамантено{0}} покритие (PCD) или кубичен борен нитрид (CBN). Те са от 3 до 5 пъти по-твърди от твърдите сплави и издържат повече от 10 пъти по-дълго;
Как се реже:
Процес на обратно фрезоване: минимизира възможността за разслояване и намалява промените в силата на рязане;
Циклоидно фрезоване: Като прави траекторията на инструмента възможно най-ефективна, топлината от рязането се разпространява, за да се минимизира прегряването на едно място;
Охлаждане с ниска температура: За да се поддържа температурата в зоната за обработка под -50 градуса, се използва технология за охлаждане с течен азот или газ. Това спира термичната деформация.
Оптимизиране на параметрите: Използвайте ортогонални тестове, за да намерите най-добрата скорост на рязане (800–1200 m/min), скорост на подаване (0,05–0,1 mm/r) и дълбочина на рязане (0,2–0,5 mm), които балансират качеството и ефективността.
4. Интелигентна интеграция: Накарайте целия процес да работи по-добре.
Съвременните CNC системи използват IIoT, цифрови близнаци и AI, за да направят производството на композитни материали по-интелигентно.
Цифрова двойна симулация: симулиране на процеса на обработка във виртуално пространство, откриване на конфликти преди време, подобряване на траекторията на инструмента и намаляване на броя на пробните срезове;
Адаптивен контрол: Промяна на параметрите на рязане в реално време въз основа на твърдостта на материала, посоката на влакната и други фактори, за да се поддържа стабилна обработка;
Предсказуема поддръжка: Сензорите могат да следят неща като вибрации на машината, температура на шпиндела и други данни, за да разберат кога инструментите ще се износят или оборудването ще се повреди, след което поддръжката може да бъде планирана предварително.
Световен доставчик на автомобилни части инсталира интелигентна CNC система, която подобри цялостната ефективност на оборудването (OEE) на неговата линия за обработка на задвижващ вал от композитни материали с 40% и намали годишните разходи за поддръжка с 35%.
3, Примери за това как индустрията го използва и какво крие бъдещето
1. Често срещани ситуации, в които се използва
Структурни компоненти на каросерията: Tesla Model S има панели на каросерията от CFRP, които са обработени с ЦПУ. Тези панели са с 60% по-леки от стоманените части и са безопасни в случай на злополука, тъй като са направени с прецизна машинна обработка.
Части на системата за захранване: Задвижващият вал от въглеродни влакна на BMW i3 е нарязан с пет-осно ЦПУ, което му осигурява ниво на динамичен баланс от G1.0 и го прави с 5dB по-тих при работа. Интериорни части: Mercedes Benz S-Class използва CNC-резбовани декоративни ленти от въглеродни влакна с грапавост на повърхността Ra По-малка или равна на 0,2 μm, което отговаря на-естетическите нужди от висок клас.
2. Тенденции в бъдещото развитие
Свръх{0}}прецизна обработка: CNC обработката трябва да може да работи с композитни материали във водородни горивни клетки и твърдо-батерии, което означава, че трябва да може да работи с нанометрова-точност (± 0,001 mm).
Правене на неща по начин, който е добър за околната среда: За да намалим количеството летливи органични съединения (ЛОС), отделяни по време на производството на композитни материали, трябва да измислим методи без{0}}замърсяване, като сухо рязане и смазване при ниска-температура.
Интегрирането на композитния процес е използването на CNC машинна обработка, лазерно рязане, рязане с водна струя и други технологии заедно, за да се създаде решение „до ключ“ за изработка на части от композитни материали.
