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

In de wereld van de moderne productie bestaat er een constante spanning tussen de behoefte aan lichtgewicht sterkte en de moeilijkheid om die materialen te vormen. Ingenieurs wenden zich vaak tot sandwichstructuren, die een dunne, taaie buitenkant combineren met een lichtgewicht, honingraatachtige kern. Deze materialen zijn essentieel voor industrieën zoals de luchtvaart en nieuwe energie, waar gewichtsbesparing cruciaal is voor efficiëntie en prestaties. De eigenschappen die deze structuren echter zo waardevol maken — hun mix van stijve koolstofvezellagen en delicate, papierachtige honingraatcellen — maken ze echter ook berucht moeilijk om te snijden. Wanneer een werktuig probeert door deze ongelijkmatige mix te snijden, scheurt het vaak de delicate kern kapot of laat het gekartelde, onafgewerkte randen achter. De uitdaging ligt in het vinden van een gereedschap dat dit complexe landschap kan navigeren zonder het werkstuk te beschadigen of te snel te slijten.

Onderzoekers aan de Universiteit van Shandong zetten zich in om dit specifieke puzzelstuk op te lossen door twee verschillende snijgereedschappen te testen op een paneel gemaakt van koolstofvezelversterkt polymeer en een Nomex-honingraatkern. Ze vertrouwden niet op computersimulaties of theoretische gissingen; in plaats daarvan voerden ze een reeks real-world freesexperimenten uit, waarbij ze door het materiaal sneden bij verschillende snelheden en voedingssnelheden. Door de krachten te meten die op de gereedschappen werden uitgeoefend, de warmte die tijdens het snijden werd gegenereerd, de kwaliteit van het afgewerkte oppervlak en de mate van slijtage aan de gereedschappen zelf, wilden ze bepalen welk gereedschapgeometrie de beste balans in prestaties bood. De studie richtte zich op twee specifieke soorten freesgereedschappen, beide zes millimeter in diameter maar met verschillende vormen en een verschillend aantal snijkanten. Eén gereedschap, aangeduid als T1, had een trapeziumvormige groef om chips te breken, terwijl het andere, T2, een sikkelvormige groef en meer snijkanten had.

De experimenten toonden aan dat het gedrag van de snijkracht nauw verbonden was met de structuur van de honingraat zelf. Terwijl het gereedschap door het materiaal bewoog, steeg en daalde de kracht die het tegenkwam in een ritmisch patroon dat overeenkwam met de zeshoekige cellen van de honingraatkern. De hoogste krachten traden op wanneer het gereedschap de punten raakte waar drie celwanden samenkwamen, wat een momentane piek in weerstand veroorzaakte. Wanneer het gereedschap deze knooppunten bereikte, moest het vaak door twee lagen materiaal tegelijk snijden, wat meer vermogen vereiste. De onderzoekers observeerden echter dat wanneer het gereedschap deze knooppunten naderde, de delicate wanden soms wegbuigden of terugtrokken in plaats van netjes afgesneden te worden. Dit structurele terugtrekken betekende dat het gereedschap niet zo hard hoefde te duwen, waardoor de kracht daalde, maar het liet ook kleine, ongesneden fragmenten van de honingraatwand achter die het oppervlak verruïneerden.

Bij het vergelijken van de twee gereedschappen toonden de resultaten een duidelijk voordeel voor het gereedschap met de sikkelvormige groef en meer snijkanten, bekend als T2, met name bij lagere snijsnelheden. Dit gereedschap produceerde gladdere sneden met minder fluctuatie in kracht, waarschijnlijk omdat de extra snijkanten het mogelijk maakten om meer continu met het materiaal in contact te komen. Bij lagere snelheden genereerde T2 lagere gemiddelde krachten in alle richtingen en behield het een stabieler snijproces. Echter, naarmate de snijsnelheid toenam, verkleinde de prestatiekloof tussen de twee gereedschappen en werden hun gemiddelde krachten bijna identiek. Interessant genoeg, terwijl T2 beter was in het beheersen van de kracht, bleek het andere gereedschap, T1, superieur in het beheersen van de warmte. T1 hield de snijzone koeler en stabieler, wat suggereert dat het warmte efficiënter afvoerde, wat cruciaal is om te voorkomen dat de hars in het composiet zachter wordt en schade veroorzaakt.

Ondanks het voordeel van T1 in temperatuurbeheersing, bevoordeelde het algemene beeld het T2-gereedschap. Microscopisch onderzoek van de gereedschappen na de experimenten toonde aan dat T1 aanzienlijke schade opliep, inclusief afgebroken randen en een zware ophoping van koolstofvezelafval die aan het snijoppervlak bleef plakken. In contrast hiermee vertoonde T2 slechts minimale slijtage en zeer weinig materiaalhechting. De oppervlaktekwaliteit geproduceerd door T2 was ook over het algere een betere, met minder blootliggende vezels en meer regelmatige honingraatwanden, hoewel er specifieke condities waren waarin T1 iets beter presteerde. De studie concludeerde dat het T2-gereedschap, met zijn specifieke geometrie, de beste algehele prestaties bood. Het bood een stabieler snijproces en liet een schoner oppervlak achter, wat het de voorkeurskeuze maakt voor het frezen van deze hoogwaardige materialen. De bevindingen bieden een praktische gids voor ingenieurs bij het selecteren van gereedschappen, waarmee wordt bevestigd dat de vorm en het aantal snijkanten een beslissende rol spelen in hoe goed deze moeilijke materialen bewerkt kunnen worden.