В автомобилестроении растет спрос на углепластики. За счет своей уникальной структуры — волокон, соединенных смолой, — эти материалы сочетают в себе прочность и легкость. Они снижают вес деталей, что в дальнейшем уменьшает массу машины на 20–40%, расход топлива — на 5–10%, а кроме того, сокращает выбросы CO₂.
Однако каждая такая деталь требует обработки. Из-за отсутствия рекомендаций для углепластиков производители вынуждены применять стандарты обработки для металлов. В процессе трения обрабатывающего инструмента о материал он перегревается до 300–400 °C и повреждается — расслаивается и покрывается микротрещинами. Это приводит к скрытым дефектам и снижению надежности готовых изделий, а в особых случаях может привести даже к аварии.
Ученые из Пермского национального исследовательского политехнического университета изучили, как ведут себя углепластики при нагреве и при каких температурах начинается их разрушение. Чтобы определить точный температурный диапазон, специалисты нагревали образцы композитного материала и фиксировали, когда он начинает терять массу и менять свои свойства. Для этого использовали установку Пермского Политеха — стенд для исследования процессов резания. Он имеет датчики, которые в реальном времени дают обратную связь и помогают понять уровень нагрузки на инструмент, станок и заготовку. Это позволяет оптимизировать режимы, предотвратить поломку инструмента и деформацию детали.
«Для начала, чтобы определить, после какой именно температуры происходит разрушение материала, мы нагревали образец углепластика в окислительной среде. В результате выяснили, что процесс разрушения начинается уже с температуры 215 °C. В интервале 215–335 °C происходит окисление с потерей массы материала в 2%. При дальнейшем нагреве до 470 °C потери массы составляют 15%, а чем выше этот процент, тем больше разрушение связующего углеродного волокна», — прокомментировал Вадим Карманов, заведующий кафедрой «Инновационные технологии машиностроения» ПНИПУ, доктор технических наук.
По его словам, при механической обработке образца фрезой со скоростью 750 м/мин и подаче 0,1 мм на режущий инструмент температура в зоне резания превышала 260 °C, а при повышении скоростей до 1000–1200 м/мин она поднималась выше 350 °C. Температура росла не только из-за режимов обработки, но и из-за износа инструмента.
Результаты исследования показали, что перегрев выше 215 °C разрушает материал и для качественной обработки композитов нужно не только подбирать скорость и подачу инструмента, но и контролировать температуру резания. При этом рекомендуется снижать скорость резания, но увеличивать подачу.
Результаты исследования опубликованы в материалах Международной научно-практической конференции «Химия. Экология. Урбанистика». Полученные данные можно использовать для оптимизации процессов механической обработки в автомобилестроении, на предприятиях авиационно-космической отрасли — например, при изготовлении деталей для авиадвигателей или корпусов космических аппаратов. В будущем это поможет создавать более надежные изделия из композитных материалов, которые постепенно становятся основой промышленности.
Проект реализуется в рамках программы Минобрнауки России «Приоритет-2030» (национальный проект «Молодежь и дети»).
