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Estudio de defectos en la salida del agujero inducidos por la perforación para compuestos de CFRP: delaminación, astillado y deshilachado

Palabras clave: compuesto de fibra de carbono (CFRP), delaminación, astillado, parámetros de perforación

Fuente: Revista de Ingeniería Mecánica

Autores: ZHANG Houjiang, Chen Wuyi y Chen Dingchang

Al perforar polímeros reforzados con fibra de carbono (CFRP), tienden a ocurrir defectos en la salida del agujero. Estos defectos suelen tomar la forma de delaminación y astillamiento, siendo la delaminación más grande que el astillamiento. El proceso de formación de delaminación incluye dos etapas: la etapa de acción del adelgazamiento y la etapa de acción del borde de corte principal, siendo la primera el componente dominante. Los defectos de astillamiento aparecen en el borde del agujero donde se corta la fibra superficial en dirección hacia adelante. El tamaño de la delaminación se ve afectado por factores como la velocidad de avance, la velocidad de rotación de la broca, el diámetro de la broca y la fuerza axial. Un aumento en la velocidad de avance de la broca conlleva un aumento en la delaminación, mientras que un aumento en la velocidad de rotación de la broca conlleva una disminución en la delaminación. La relación entre la velocidad de corte y la velocidad de avance debe controlarse por debajo de 3000-4000 para reducir la delaminación. Perforar el lado de salida del agujero del soporte, como una placa de aluminio, también puede reducir la delaminación. Controlar la fuerza de perforación, especialmente limitar la fuerza axial del adelgazamiento de la broca a un rango determinado, es una forma eficaz de reducir el defecto en la salida del agujero. El proceso de formación de la delaminación en la salida del agujero incluye dos etapas: la etapa de acción del adelgazamiento y la etapa de acción del borde de corte principal. La etapa de acción del adelgazamiento comienza con el adelgazamiento presionando contra el material superficial en el lado de salida y termina con el adelgazamiento perforando completamente el material superficial. Cuando el adelgazamiento de la broca se corta desde el interior del material CFRP hacia el exterior, tiene un fuerte efecto de empuje sobre el material superficial. La capa de fibra superficial primero se abulta en el centro del eje de la broca y luego se expande a lo largo de la dirección del apilado de fibras externas, dividiéndose entre las fibras superficiales y cortando a través del borde. La etapa de acción del borde de corte principal comienza cuando el adelgazamiento corta el material superficial y termina cuando el borde de corte principal perfora completamente el material superficial. La delaminación formada por el adelgazamiento no es definitiva y se genera durante el proceso de perforación. Después de que el borde transversal se perfora fuera de la superficie de la pieza, el borde de corte principal continúa empujando hacia afuera y tiene un efecto de torsión debido a su propia rotación, lo que finalmente conduce a la formación de la delaminación.

El efecto de la broca en la formación de astillamiento

El efecto de la broca en la formación de astillamiento
Fz – la fuerza axial (z) de la broca contra el astillamiento
Fm – la fuerza de torsión del borde de corte principal contra el astillamiento
Principales factores que afectan la delaminación en la salida:
(1) Velocidad de la broca (husillo) n y velocidad de avance Vf
Ya sea CFRP multidireccional o CFRP unidireccional, cuanto mayor es la velocidad de la broca n, menor es la delaminación. Cuanto mayor es la velocidad de avance, v, mayor es la delaminación. Para CFRP multidireccional, con Vf=66.0 ~ 120.8 mm/min de velocidad de avance más alta, la delaminación disminuye significativamente con el aumento de la velocidad de la broca, especialmente en la etapa de baja velocidad. Cuando Vf=24.0 ~ 44.0 mm/min es baja, la delaminación disminuye suavemente con el aumento de la velocidad de la broca n, y el valor de delaminación no supera 1mm en ninguna velocidad de la broca. Este fenómeno también existe en CFRP unidireccional, pero la velocidad de avance en el punto de corte es menor. Se puede ver que reducir el tamaño de la delaminación puede lograrse reduciendo la velocidad de avance y mejorando la velocidad de la broca, pero reducir la velocidad de avance reducirá la eficiencia del procesamiento, por lo que el uso de perforación de alta velocidad debería ser la primera consideración.
Bajo las mismas condiciones de corte, el valor de delaminación de CFRP unidireccional es mayor que el de CFRP multidireccional, es decir, CFRP unidireccional es más propenso a la delaminación.

(2) Velocidad de corte Vc y tasa de avance f
Ya sea CFRP multidireccional o CFRP unidireccional, cuanto mayor es la tasa de avance f, mayor es la delaminación. Este fenómeno es especialmente prominente a tasas de avance más bajas. El efecto de diferentes velocidades de corte en el tamaño de la delaminación es muy pequeño, casi insignificante. Este fenómeno también existe en términos de fuerza de perforación. Se ha señalado anteriormente que la formación de delaminación en la salida del agujero se divide en dos etapas de actuación, en estas dos etapas de actuación está la fuerza de perforación (fuerza axial y par), es decir, la fuerza de perforación es la causa principal de la formación de delaminación, por lo que la delaminación y la fuerza de perforación prácticamente no se ven afectadas por la velocidad de corte. Sin considerar la influencia de la velocidad de corte, si se utilizan los datos de prueba en el diagrama de regresión lineal, se obtiene la siguiente fórmula empírica:
CFRP multidireccional: l=0.26+0.11f
CFRP unidireccional: l=0.34+0.11f
Fórmula,
l – Valor de delaminación (mm)
f – Avance (um/r)

(3) La relación de la velocidad de corte a la velocidad de avance Vc/Vr
Ya sea CFRP multidireccional o CFRP unidireccional, los puntos de datos experimentales de la relación entre el valor de delaminación y Vc/Vr son muy regulares en diversas velocidades de avance. Cuando Ve/vf~<3 000 “-4 000, el valor de delaminación de Ve/vf aumenta y disminuye rápidamente. Cuando Vc/Vr>3000 ~ 4000, Vc/Vr aumenta el valor de delaminación, y la disminución es muy pequeña, se puede decir que en esta etapa, el impacto de Vc/Vr es muy pequeño. Curiosamente, esta situación es similar al impacto de Vc/Vr en la fuerza de perforación, y el “umbral” de Vc/Vr que forma el punto de división también es similar. Este “valor umbral” también tiene un significado orientativo para la selección de parámetros de perforación en la producción real. Siempre que se seleccione la relación entre la velocidad de perforación y la velocidad de avance en el rango superior al valor umbral, la delaminación de salida del agujero perforado será pequeña.

(4) Diámetro de la broca
Cuanto mayor es el diámetro de la broca, más grave es la delaminación de la salida del agujero formada después de la perforación. La situación es la misma ya sea que la velocidad del husillo sea alta o baja. Debido a que cuanto mayor es el diámetro de la broca, mayor es la fuerza de perforación durante la perforación. Cuanto mayor es la fuerza de perforación, mayor es el valor de delaminación.

(5) Fuerza de perforación
El efecto de la fuerza axial de perforación en la delaminación de salida de la perforación de CFRP multidireccional es que cuanto mayor es la fuerza axial, más grave es la delaminación de salida. Sin embargo, la relación entre los dos no es lineal, en el proceso de aumentar la fuerza axial de pequeña a grande, el valor de delaminación comienza a aumentar lentamente, y luego aumenta gradualmente, y la velocidad de aumento se vuelve más rápida con el aumento. La tendencia es muy parecida a la de una curva cónica. Al ajustar estos datos de prueba, se puede obtener la siguiente fórmula empírica:
L = 0.76 0.04 Fz + 0.001 Fz
Donde Fz= fuerza axial
Conclusión

(1) El proceso de formación de delaminación de la salida de la perforación de CFRP consiste en dos etapas de actuación, a saber, la etapa de acción del borde transversal y la etapa de acción del borde de corte principal, en la cual la acción del borde transversal es el componente dominante en la formación de delaminación.

(2) Los defectos de salida del agujero, además de la delaminación, en la parte de corte “hacia adelante” de la fibra superficial, a menudo hay defectos de pelusa. En la parte de corte “hacia atrás” de la fibra superficial, generalmente está más limpia.

(3) Cuanto mayor es la velocidad de la broca (husillo) n, menor es la delaminación

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