Optimization of Milling Tool Geometry for CFRP/Nomex Honeycomb Sandwich Structures Based on Side-Milling Experiments

في عالم التصنيع الحديث، هناك توتر مستمر بين الحاجة إلى القوة مع خفة الوزن وصعوبة تشكيل تلك المواد. يلجأ المهندسون غالباً إلى الهياكل الساندوتشية (المتراكبة)، التي تجمع بين غلاف خارجي متين ورقيق ونواة خفيفة الوزن تشبه خلايا قرص العسل. وتعد هذه المواد أساسية في صناعات مثل الطيران والطاقة الجديدة، حيث يعد توفير الوزن أمراً حاسماً للكفاءة والأداء. ومع ذلك، فإن الميزات ذاتها التي تجعل هذه الهياكل قيمة للغاية — وهي مزيجها من طبقات ألياف الكربون الصلبة وخلايا قرص العسل الرقيقة التي تشبه الورق — تجعل من الصعب جداً قطعها. فعندما تحاول أداة القطعة قطع هذا المزيج غير المتساوي، فإنها غالباً ما تمزق اللب الرقيق أو تترك خلفها حوافاً مشرشرة وغير مكتملة. ويكمن التحدي في إيجاد أداة يمكنها التنقل في هذا المشهد المعقد دون إتلاف قطعة العمل أو التآكل بسرعة كبيرة.

وضع باحثون في جامعة شاندونغ نصب أعينهم حل هذا اللغز تحديداً عبر اختبار أداتي قطع مختلفتين على لوح مصنوع من البوليمر المقوى بألياف الكربون ونواة "نومكس" (Nomex) ذات شكل قرص العسل. لم يعتمدوا على المحاكاة الحاسوبية أو التخمينات النظرية؛ بل أجروا سلسلة من تجارب التفريز (milling) الواقعية، حيث قاموا بقطع المادة عند سرعات ومعدلات تغذية مختلفة. ومن خلال قياس القوى التي مارستها الأدوات، والحرارة المتولدة أثناء القطع، وجودة السطح النهائي، ومقدار التآكل في الأدوات نفسها، هدفوا إلى تحديد أي هندسة للأدوات تقدم أفضل توازن في الأداء. ركزت الدراسة على نوعين محددين من أدوات التفريز، كلاهما بقطر ستة مليمترات ولكن بأشكال وعدد حواف قطع مختلفين. تميزت إحدى الأداتين، والتي سُميت T1، بأخدود شبه منحرف لتفتيت الشظايا، بينما امتلكت الأداة الأخرى، T2، أخدوداً على شكل هلال وعددًا أكبر من حواف القطع.

وكشفت التجارب أن سلوك قوة القطع كان مرتبطاً ارتباطاً وثيقاً بهيكل قرص العسل نفسه. فبينما تتحرك الأداة عبر المادة، كانت القوة التي تواجهها ترتفع وتنخفض في نمط إيقاعي يطابق الخلايا السداسية لنواة قرص العسل. وحدثت أعلى مستويات القوة عندما تصطدم الأداة بالنقاط التي تلتقي فيها ثلاثة جدران خلوية، مما يخلق طفرة لحظية في المقاومة. وعندما تصل الأداة إلى هذه الوصلات، غالباً ما تضطر لقطع طبقتين من المادة في آن واحد، مما يتطلب طاقة أكبر. ومع ذلك، لاحظ الباحثون أنه عند اقتراب الأداة من هذه الوصلات، فإن الجدران الرقيقة قد تنثني بعيداً أو تتراجع بدلاً من أن تُقص بشكل نظيف. هذا التراجع الهيكلي يعني أن الأداة لا تضطر للدفع بقوة أكبر، مما يؤدي إلى انخفاض القوة، ولكنه يترك أيضاً خلفه قطعاً صغيرة غير مقطوعة من جدار قرص العسل مما يشوه السطح.

وعند مقارنة الأداتين، أظهرت النتائج ميزة واضحة للأداة ذات الأخدود الهلالي وعدد الحواف الأكثر، والمعروفة باسم T2، خاصة عند سرعات القطع المنخفضة. أنتجت هذه الأداة عمليات قطع أكثر سلاسة مع تقلب أقل في القوة، ويرجع ذلك على الأرجح إلى أن حوافها الإضافية سمحت لها بالاشتباك مع المادة بشكل أكثر استمرارية. وعند السرعات البطيئة، ولدت T2 قوى متوسطة أقل في جميع الاتجاهات وحافظت على عملية قطع أكثر استقراراً. ومع ذلك، مع زيادة سرعة القطع، تقلصت فجوة الأداء بين الأداتين، وأصبحت قواهما المتوسطة متطابقة تقريباً. ومن المثير للاهتمام أنه بينما كانت T2 أفضل في إدارة القوة، فقد أثبتت الأداة الأخرى، T1، تفوقها في إدارة الحرارة؛ حيث حافظت T1 على منطقة القطع أكثر برودة واستقراراً، مما يشير إلى أنها تبدد الحرارة بكفاءة أكبر، وهو أمر بالغ الأهمية لمنع تليّن الراتنج في المركب وتسببه في حدوث ضرر.

وعلى الرغم من ميزة T1 في التحكم في درجة الحرارة، إلا أن الصورة العامة رجحت كفة الأداة T2. أظهر الفحص المجهري للأدوات بعد التجارب أن T1 عانت من أضرار جسيمة، بما في ذلك حواف مشطوفة وتراكم كثيف لحطام ألياف الكربون الذي التصق بسطح القطع. في المقابل، أظهرت T2 تآكلاً طفيفاً جداً وتراكماً ضئيلاً للمواد. كما كانت جودة السطح التي أنتجتها T2 أفضل بشكل عام، مع ألياف أقل بروزاً وجدران قرصة عسل أكثر انتظاماً، رغم وجود حالات محددة كان فيها أداء T1 أفضل قليلاً. وخلصت الدراسة إلى أن الأداة T2، بهندستها المحددة، قدمت أفضل أداء إجمالي لعمليات تفريز هذه الهياكل الساندوتشية المعقدة؛ فقد وفرت عملية قطع أكثر استقراراً وتركت سطحاً أنظف، مما يجعلها الخيار المفضل لتصنيع هذه المواد عالية التقنية. وتوفر هذه النتائج دليلاً عملياً للمهندسين عند اختيار الأدوات، مؤكدة أن شكل وعدد حواف القطع يلعبان دوراً حاسماً في مدى جودة تشغيل هذه المواد الصعبة.