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abstracto

Finite element analysis and simulation study on micromachining of hybrid composite stacks using Micro Ultrasonic Machining process

james sagil

Las pilas de compuestos híbridos son laminados de múltiples materiales que encuentran amplias aplicaciones en industrias como la aeroespacial, automotriz, electrónica, etc. La mayoría de los compuestos híbridos consisten en múltiples capas de compuestos de fibra y láminas de metal apiladas juntas. Estas pilas compuestas tienen excelentes propiedades físicas y mecánicas que incluyen alta resistencia, alta dureza, alta rigidez, excelente resistencia a la fatiga y baja expansión térmica. El micromecanizado de estos materiales requiere una atención especial, ya que los métodos convencionales, como la microperforación, son extremadamente desafiantes si se tiene en cuenta la estructura no homogénea y la naturaleza anisotrópica de las capas del material. Micro Ultrasonic Machining (μUSM) es un proceso de fabricación capaz de mecanizar materiales tan difíciles de mecanizar con ultraprecisión. El estudio experimental mostró que el proceso μUSM podía mecanizar con éxito pilas compuestas híbridas a escala micrométrica con un acabado superficial relativamente bueno. Esta investigación utiliza elementos finitostécnica de simulación para investigar la eliminación de material durante el proceso μUSM para micromaquinado de pilas compuestas híbridas. Se estudian los efectos de los parámetros críticos del proceso, incluida la amplitud de la vibración, la velocidad de avance y el material de la herramienta en la profundidad de la cavidad, la fuerza de corte y la distribución de tensión equivalente. El resultado de esta investigación se puede utilizar para ampliar nuestra comprensión de la realización de mecanizado de precisión de pilas compuestas híbridas para su uso en varias aplicaciones críticas de ingeniería.

Polímeros reforzados con fibra(FRP) son compuestos de fibras de alta resistencia incrustadas en una matriz de material polimérico. Las fibras generalmente están hechas de materiales como fibra de carbono, fibra de vidrio, basalto o aramida que tienen alta resistencia, alta rigidez y baja densidad. Los FRP tienen varias ventajas, incluido el bajo costo, la resistencia a la corrosión, el peso ligero, la durabilidad inherente, la alta resistencia, el medio ambiente y la biodegradabilidad. Estas propiedades hacen que los FRP sean la elección ideal de material para varias aplicaciones, incluidas las tecnologías aeroespaciales, automotrices, de construcción, médicas, etc. Entre los diversos FRP, el polímero reforzado con fibra de carbono (CFRP) ha ganado especial atención debido a su alta relación resistencia-peso, excelente resistencia a la fatiga, alta estabilidad dimensional, baja expansión térmica y excelente resistencia a la tracción. Sin embargo, Los materiales CFRP tienen varias limitaciones, incluida la baja resistencia en direcciones específicas considerando su naturaleza anisotrópica, alta susceptibilidad a la fractura debido a su fragilidad y baja resistencia al desgaste. para superar el

limitaciones, los FRP a menudo se apilan con aleaciones de metal para formar capas múltiples de pilas compuestas híbridas. La adición de capas delgadas de aleaciones metálicas a los FRP mejora su capacidad para resistir cargas de alto impacto y mejorar el módulo elástico sin un aumento significativo de peso. Estas pilas compuestas híbridas han sido cada vez más populares y se utilizan como una alternativa atractiva para los compuestos tradicionales y las aleaciones metálicas. Los estudios han informado una reducción de hasta un 35 % en la masa de la estructura mediante la sustitución de metales y aleaciones metálicas con pilas compuestas híbridas. Los compuestos de CFRP apilados con capas delgadas de metales livianos como cobre (Cu), aluminio (Al), titanio (Ti) y sus aleaciones se han identificado como un material innovador para varias aplicaciones críticas de ingeniería. Las pilas de metal CFRP exhiben una alta capacidad de carga y una excelente resistencia a impactos y golpes. Los componentes del fuselaje, las alas y el plano de cola de los aviones modernos, incluidos el Airbus A380 o el Boeing 787, contienen pilas de pilas de metal compuesto híbrido como CFRP, CFRP/Ti, CFRP/Al, etc. La adición de capas delgadas de metales o aleaciones metálicas sobre CFRP mejora la capacidad de la estructura para soportar cargas mecánicas elevadas, lo que da como resultado una mayor relación resistencia-peso y, por lo tanto, reduce lacombustibleconsumo. Algunas de las otras aplicaciones críticas de las pilas de metal CFRP incluyen automóviles modernos en los que la pila de CFRP/Al se usa para componentes exteriores de la carrocería, palas de rotor de helicópteros que consisten en pilas de CFRP/Al, etc. La mayoría de las aplicaciones mencionadas aquí requieren maquinado o perforación de las pilas de metal compuesto híbrido con la precisión requerida. En el pasado, ha habido varios intentos de perforar pilas híbridas como CFRP/Ti y CFRP/Al a través de la perforación convencional en una sola operación. Sin embargo, la mayoría de estos estudios han informado sobre dificultades asociadas con la operación de perforación, que incluyen una vida útil reducida de la herramienta, daños severos y deslaminación de las capas de CFRP y obstrucción de los canales de perforación. Estas dificultades se pueden atribuir a la pobre maquinabilidad de los componentes apilados y las diferencias en las propiedades a lo largo del espesor de las pilas. De manera similar, los estudios realizados sobre la perforación de laminados de fibra de metal (FML) que consisten en pilas de láminas de aluminio y polímero reforzado con fibra de vidrio (GFRP) han informado daños y delaminación inducidos por la perforación. Ha habido informes de mecanizado de pilas de metal compuesto híbrido utilizando procesos de mecanizado no tradicionales, como el mecanizado por chorro de agua abrasivo (AWJM), el mecanizado ultrasónico rotatorio (RUM) y el mecanizado por descarga eléctrica (EDM). Los estudios sobre la perforación de pilas de CFRP/Ti a través del proceso RUM sugirieron una vida útil más larga de la herramienta y una mejor calidad superficial en RUM en comparación con la perforación convencional. Los estudios sobre el proceso AWJM y el proceso EDM informaron limitaciones en el mecanizado de pilas compuestas híbridas.