Scientific journal
Modern high technologies
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

PHYSICAL AND CHEMICAL PREREQUISITES FOR EFFICIENT MECHANICAL PROCESSING OF COMPOSITE MATERIALS

Shigin A.O. 1
1 Siberian State University of Science and Technology named after M.F. Reshetnyova
The article shows studies of the composition and structure of the manufacturing processes of polymer composite materials. An analytical review of research in the field of physical and chemical properties of polymer materials was performed. The content of well-known studies aimed at studying the mechanical properties of polymer and composite materials is revealed. The article presents an analysis of the structure and physical and mechanical properties of polymer and composite materials. The features of the formation of interatomic bonds in metals and polymer materials are revealed. A comparison has been made of the processes of machining by cutting metals and polymer materials. Energy approaches to the problem of destruction of interatomic bonds inside metals and polymer materials during the cutting process are considered. An analysis of existing technical solutions and scientific directions in the study of cutting mechanisms for metals and composite materials was carried out from the point of view of increasing the efficiency and quality of the process. In particular, advanced research is presented in the field of mechanical processing of polymer materials using high-speed machining, pre-treatment of the polymer surface, transmission of ultrasonic vibrations within the material, and the application of ultrasonic vibrations to the cutting tool. The article draws conclusions about promising approaches to mechanical processing of composite materials in order to improve the quality of processing, tool life, and reduce the energy intensity of the process. The work was carried out within the framework of the state assignment of the Ministry of Education and Science of Russia for the implementation by the team of the scientific laboratory “Intelligent Materials and Structures” of the project “Development of multifunctional intelligent materials and structures based on modified polymer composite materials capable of functioning in extreme conditions” (Topic number FEFE-2020-0015).
composite materials
machining
energy intensity
processing quality
cracking
pre-treatment
vibration turning
ultrasonic vibrations

Композиционные материалы (КМ) представляют собой полимер, армированный значительно более прочными волокнами [1-4]. Основу КМ составляет матрица, в качестве которой используются технологически удобные в применении полимеры, которые имеют пластичные или текучие свойства на стадии изготовления КМ и приобретают прочностные свойства после изготовления КМ [5, 6]. Важнейшей характеристикой материала матрицы является способность связывать и удерживать инородные армирующие волокна за счет адсорбции подвижных молекул на поверхности жестких тел, формирования адгезионных сил, а также химических связей образованного твердого полимера [7]. Внутренняя структура полимеров существенно отличается от структуры металлов. В металлах связь отдельных атомов происходит за счет облака свободных электронов атомов кристаллической решетки и при этом существует синергетическое взаимодействие близлежащих атомов [8]. Это объясняет сочетание высокой жесткости структуры с высокой прочностью и упругостью. Кроме того в металлах образуется четкая кристаллическая решетка. А в сплавах образуются твердые растворы, вызывающие формирование фаз, которыми можно управлять с целью получения существенно различных механических и других физических свойств.

Связь атомов в полимерах происходит внутри длинных химических молекул, состоящих из различных химических элементов. Это обуславливает значительно большую упругость полимеров по сравнению с металлами и сплавами, что приводит к снижению жесткости [9, 10]. При этом прочность и модуль упругости полимеров значительно меньше аналогичных параметров металлов и сплавов, не имеющих дефектов. При том, что внутри одной полимерной молекулы практически отсутствует синергетическое взаимодействие между отдельными атомами в связи с их отдаленностью и низкой атомной массой химических элементов, присутствует сложное взаимодействие между полимерными молекулами. Данное взаимодействие дает возможность углублять фундаментальные возможности в области формирования энергоэффективных и синергетически связанных структур [11-13]. Так возможно формирование кристаллической структуры и поперечных связей полимерных молекул [14], модифицирование структуры и свойств на различных стадиях взаимодействия молекул под действием изменяющихся внешних факторов. Все указанные факторы непосредственно влияют на физические процессы, сопровождающие процесс механической обработки металлов и сплавов, полимеров и композиционных материалов.

Цель исследования – в связи со структурными особенностями композиционных материалов, наличием реологических процессов, высокой вязкостью полимерных материалов и их низкой теплопроводностью необходимо проанализировать существующие научные подходы, направленные на повышение качества и снижение энергоемкости механической обработки композиционных материалов.

Материалы и методы исследования

Процесс резания металлов связан с образованием зоны пластической деформации и трещины [15, с. 15-60] за счет отдаления контактирующих атомов или зерен твердого раствора под действием механической и тепловой энергии, передаваемой от режущего тела к металлу. При этом трещина образуется путем концентрации напряжений в области дефекта, многократно ослабляющего материал, и рост трещины происходит закономерно и предсказуемо по причине существенной изотропности структуры.

По причине более сильных и более жестких химических связей между соседними атомами внутри одной полимерной молекулы в полимерах их разрушение происходит иначе. Химические связи полимеров не дают возможности постепенно отдалять соседние атомы. Вместо этого растягиваются связи одновременно в целой полимерной молекуле. В конечном итоге происходит передача механической энергии от режущего тела и накопление внутренней энергии в определенном участке молекулы и разрушается химическая связь после существенной упругой деформации всего полимера на некотором участке контакта с режущим телом [16-18]. Значительно большая упругость при взаимодействии множества полимерных молекул, происходящем в полимерах по сравнению с металлами в процессе резания приводят к более значительному выделению тепла. Данная тепловая энергия образуется из механической энергии, передаваемой от режущего тела за счет длительного упругого сопротивления полимерных молекул.

В связи с этим первая фундаментальная задача для повышения энергоэффективности процесса резания полимеров заключается в уменьшении времени упругой деформации цепочки атомов под действием режущего тела. С уменьшением упругой деформации снижается количество энергии, преобразуемой в тепло. Данная задача может быть реализована двумя путями.

Первый подход заключается в уменьшении количества атомов в отдельных полимерных молекулах с целью уменьшения и ослабления связей полимерных молекул между соседними полимерными молекулами. Данный способ применяется в России и за рубежом в таких формах как механическое предварительное ослабление поверхностного слоя полимера, а также обработка полимера физическими методами [19, 20] с целью разрушения или укорочения полимерных молекул. Одним из таких методов является предварительная обработка полимера ультразвуковыми колебаниями, магнитными и электрическими полями, электромагнитными импульсами [21].

Второй подход заключается в уменьшении пути в цепочке атомов, по которому передается волна энергии, способствующей упругой деформации полимера. Цель данного подхода заключается в ускорении процесса разрыва химических связей и переход в область хрупкого и квазихрупкого разрушения. Ускорение данного процесса возможно за счет уменьшения промежутка времени между началом приложения усилия от режущего тела к полимерной молекуле и моментом разрыва химической связи. Данный промежуток времени может быть уменьшен за счет увеличения скорости приложения усилия от режущего тела. В этом случае существенно уменьшается упругая деформация и пропорционально снижается количество энергии, затраченной на процесс резания и соответственно количество выделяемого тепла. Ускорение процесса резания сопровождается существенным уменьшением ударной вязкости полимера [22] и приближению типа процесса разрушения к хрупкому. Хрупкое разрушение полимера по причине отсутствия четкой кристаллической решетки сопровождается лавинообразным ростом трещин, размер которой l коррелирует с количеством прилагаемой энергии E и скоростью передачи этой энергии с (1).

l = f(E, c), (1)

где l – длина трещины; E – энергия, передаваемая материалу в процессе его разрушения; c – скорость звука в материале.

Композиционный материал представляет собой структурированный в той или иной степени массив, содержащий армирующие волокна. Армирующие волокна представляют собой четко структурированные образования с ненарушенной кристаллической решеткой. По причине отсутствия или минимизации дефектов, такие материалы как углеродные нити, стекловолокно и др. имеют очень высокую прочность, значение которой приближается к теоретической и сопоставимую с модулем упругости материала [23, с. 175-212]. При этом армирующие волокна не имеют высокой структурной жесткости и прочности при сжатии и поперечном сдвиге. Поэтому армирующие волокна могут выполнять свою роль только в структуре полимера, который содержит в своей структуре данные волокна. При этом матрица объединяет армирующие волокна в единое целое, КМ приобретает высокую прочность на растяжение, а также на сжатие и поперечный сдвиг [24]. Однако КМ теряет четкую кристаллическую структуру и приобретает дефекты внутри матрицы и на границе матрицы и армирующих волокон. При этом армирующие волокна передают механическую нагрузку матрице посредством сил адгезии от атомов армирующего волокна к атомам адгезионного слоя и в тело матрицы, которая перераспределяет нагрузку за счет своих упругих свойств между другими армирующими волокнами [7]. Кроме того, КМ приобретает существенно анизотропные свойства на макроуровне при упорядоченном расположении армирующих волокон, либо на микроуровне при хаотичном их расположении.

Процесс резания композиционного материала сопровождается упругой деформацией полимера матрицы с большим выделением тепла. Наличие в структуре КМ армирующих волокон приводит к значительному увеличению упругой деформации, поскольку армирующее волокно имеет ненарушенную кристаллическую решетку и его разрушение происходит принципиально иначе, чем в полимерах. Армирующие волокна представляют собой выращенные кристаллы, содержащие в структуре атомы или химические молекулы [25]. Поскольку в армирующих волокнах отсутствуют дефекты, то данный материал разрушается не от места концентратора напряжений, а посредством растягивания межатомных кристаллических связей, что многократно увеличивает количество энергии, необходимое для разрыва связей в области приложения механической нагрузки. Отличие кристаллической связи заключается в том, что одновременно работает значительно большее количество связей, чем в полимерных молекулах, а также имеется синергетический эффект за счет взаимодействия атомов решетки с электронами соседних и удаленных атомов этой решетки. Все эти факторы приводят к тому, что режущее тело, встречая на своем пути армирующее волокно, натягивает его как струну, существенно деформируя и волокно и матрицу. Но разрушение материала происходит только после разрушения связей кристаллической решетки армирующего волокна после значительной упругой деформации всего КМ [26]. Кроме того, возникает такой эффект, что на армирующее волокно, закрепленное в матрице КМ силами адгезии, осуществляется воздействие, как на отдельное тело, нежестко закрепленное в упругой массе. Разрушение нежестко закрепленного тела неизбежно приводит к повреждению структуры материала вблизи места контакта и на некотором удалении от него. Процесс такого резания напоминает разрыв слабонатянутой струны внутри менее жесткой среды. Армирующее волокно (АВ) при этом может разрезать матрицу, терять адгезионные связи и нарушать целостность КМ на микроуровне. Кроме того, разрыв тонкого протяженного тела без ослабленных точек может рваться в непредсказуемых местах, что существенно снижает качество обрабатываемой поверхности КМ и наличие на обработанной поверхности фрагментов порванных волокон.

Результаты исследования и их обсуждение

В связи с представленным анализом первая фундаментальная задача для повышения энергоэффективности процесса резания КМ, коррелирует с аналогичной задачей при резании полимеров и заключается в уменьшении времени упругой деформации цепочки атомов матрицы и армирующих волокон под действием режущего тела с целью увеличения жесткости системы матрица-АВ и перевода механизма разрушения армирующих волокон в область квазихрупкого разрушения. Реализация данной задачи позволит уменьшить энергоемкость процесса резания КМ за счет уменьшения потерь энергии на упругую деформацию КМ. Снижение области распространения волны деформации по разрезаемому армирующему волокну и матрицы позволит локализовать область разрушения волокна и матрицы и повысит качество обрабатываемой поверхности. Снижение упругой деформации армирующего волокна будет способствовать снижению повреждения матрицы и разрушения адгезионных связей между АВ и матрицей. Снижение энергоемкости процесса резания приведет к снижению тепловыделения и износа режущего инструмента за счет уменьшения энерго-временных параметров взаимодействия режущей и разрезаемой поверхностей при отсутствии изменений твердости и абразивности материалов.

Данная задача для КМ может быть также реализована двумя путями. Первый подход – уменьшение длины и количества атомов в отдельных полимерных молекулах, а также уменьшение и ослабление связей полимерных молекул между соседними полимерными молекулами [18, 19]. Второй подход заключается в уменьшении цепочки атомов, передающих волну упругой энергии, способствующей упругой деформации полимера и АВ. Техническая реализация второго подхода как правило показывает более значимые перспективы для повышения качества обрабатываемой поверхности и имеет три основных направления.

Первое направление связано с резанием на высокой скорости за счет достижения скорости вращения детали или режущего инструмента более 15 000 об/мин [27-29]. При этом линейная скорость резания будет существенно зависеть от диаметра детали или режущего инструмента, что потребует настраивать кинематические параметры конкретно под выполняемую технологическую операцию или даже в процессе этой операции. Техническая реализация данного подхода также осложняется повышенными энергозатратами, требованиями к безопасности процесса и сложности контроля качества обработанной поверхности. Энергоемкость процесса резания увеличивается по мере увеличения скорости резания [30]. Также с увеличением скорости резания может снижаться точность обработки и качество обрабатываемой поверхности

Второе направление связано с приложением механического колебательного воздействия через режущий инструмент к обрабатываемому материалу в процессе точения или фрезерования. Данное направление появилось во второй половине XX века при обработке металлов [31, 32]. Применительно к КМ в настоящее время исследуется в научных организациях (СТАНКИН, ИМАШ, МГТУ Баумана, ТПУ). При этом в Китае и Индии данное направление получило широкое распространение [33, 34] и активно развивается в настоящее время. Наложение ультразвуковых колебаний широко применяется при обработке композиционных и керамических изделий в области протезирования и стоматологии в медицине [35, 36]. Переменное силовое воздействие с высокой скоростью сочетает в себе возможности выполнения задачи снижения энергоемкости резания КМ, снижения износа режущего инструмента, достижения высокого качества обработанной поверхности за счет контролируемого количества энергии, передаваемой в зону образования трещины в каждый цикл. Исследования показывают, что скорости приложения нагрузки, вызывающей хрупкое разрушение КМ соответствуют параметры ультразвуковых колебаний [37]. Колебания более низких частот вызывают побочные явления в виде резонанса режущего инструмента, недостаточная скорость приложения нагрузки [38, с. 204-207]. Технические трудности реализации данного подхода связаны с необходимостью разработки узла крепления режущего инструмента (фрезы) с возможностью одновременной передачи крутящего момента и возвратно-поступательного колебательного движения с частотой не менее 20 кГц. Для достижения энергоэффективного режима обработки также требуется поиск режима авторезонанса режущей системы станка с целью снижения рассеивания энергии колебательной системы. В настоящее время в Мире известны и находят широкое применение источники ультразвуковых колебаний с автоподстройкой режима авторезонанса [39].

Третье направление связано с пропусканием звуковых колебаний внутри КМ в процессе механической обработки. Данное направление исследовалось в р. Беларусь [38, с. 136-225] при обработке металлов. Автором исследованы энергетические параметры ультразвуковых колебаний, технологические характеристики и качество обработанной поверхности. Применительно к обработке полимеров и КМ данный подход также имеет существенные перспективы. В качестве преимущества можно отметить простоту технической реализации, независимо от формы обрабатываемой детали. Однако пропускание ультразвука в КМ может вызывать модификацию структуры и свойств [40]. В частности возможно уменьшение размеров полимерных молекул в результате их деления, образование новых структурных образований и химических связей. Данные изменения могут иметь как положительное, так и негативное значение применительно к физико-механическим и эксплуатационным характеристикам КМ. В связи с этим необходимо исследование влияния ультразвука с различными энергетическими параметрами на свойства и структуру полимеров и КМ. В результате пропускания ультразвуковых колебаний внутри полимера может увеличиваться его трещиностойкость, меняться упругие и другие физические свойства [41]. Но при определенном воздействии ультразвук может способствовать разрушению полимерных молекул и ослаблению материала [18].

Выводы

1. Для повышения качества обработки необходимо использовать методы с дозированным подводом энергии, преобразуемой в механическую энергию разрушения и трещинообразования.

2. Также для повышения качества обработки композиционных материалов необходимо учитывать изменение реологических свойств КМ и их составляющих при динамическом воздействии. В частности повышение скорости механической обработки связано именно с изменением реологических характеристик, ударной вязкости матрицы и волокон в момент воздействия. Однако существенная скорость обработки наоборот может приводить к снижению качества обработанной поверхности по причине неконтролируемого роста трещин.

3. Для повышения качества обработки необходимо снижать глубину разрушения или длину трещины, образуемой в один заход. А именно необходимо снижать подачу, усилие длительного воздействия, необходимо регулировать углы резания для уменьшения заглубления трещины в матрицу.

4. Для снижения энергоемкости процесса необходимо применять дозированное преобразование энергии в механическую энергию разрушения материала при помощи наложения колебательного воздействия на режущий инструмент или на сам материал, предварительной механической или другой физической обработки с целью нанесения ограниченного повреждения.

5. Дополнительные возможности дает предварительная обработка КМ с целью частичного разрушения или ослабления поверхности, а также с целью модификации структуры и моделирования физических свойств. Однако данный подход должен применяться с учетом специализированного назначения конкретной детали, ее физико-механических характеристик, что существенно удорожает применение данного подхода и ограничивает его массовое применение.