Study of thermophysics during diamond drilling of fibreglass and carbon fibre-reinforced polymer composites

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

This paper examines thermophysics of the drilling process of polymeric composite materials, such as carbon-fibre-reinforced plastics (CFRP) and fibreglass by tubular diamond drill bits. Features of the COMSOL Multiphysics engineering software package were used. We employed Fourier heat equations, which express the intensity of heat gain by a mobile source in a moving coordinate system. The research was performed using the proprietary method of modelling spatial thermal action upon drilling polymer composite materials (fibreglass and carbon-fibre-reinforced plastics) in the COMSOL Multiphysics software environment. A tubular diamond drill bit with a diameter of 10 mm with two slots was chosen as a model cutting tool. Solid plates with a thickness of 5.5 mm made of layered fibrous polymer composite materials (fibreglass, carbon-fibre-reinforced plastic) were used as a preform. As a result of computer calculations, we obtained temperature fields of fibreglass and carbon-fibre-reinforced plastic during diamond drilling with a tubular tool. When studying the thermal behaviour of fibreglass and carbon-fibre-reinforced plastics, maximum temperature fields were located. The study revealed that the temperature reaches 413.6 and 448.7 K during CFRP and fibreglass drilling, respectively. It was shown that the distance of heat transfer from the edge of the hole into the preform was 6.42 and 6.40 mm for CFRP and fibreglass, respectively. A method of modelling the thermal effects when cutting polymer composite materials developed in the COMSOL Multiphysics environment allows complex analytical calculations of temperatures induced by drilling to be simplified. In addition, its use prevents overheating of a preform during drilling, allows assessing the depth of heat distribution inside the preform from the edge of the formed hole in different polymer composite materials. These measures increase the machining quality of polymer composite materials.

About the authors

A. S. Dudarev

Perm National Research Polytechnic University

Author for correspondence.
Email: dudarev@pstu.ru

E. Kh. Gumarov

Perm National Research Polytechnic University

Email: eldar-gumarov1@mail.ru

References

  1. Мелентьев Р.Ю. Компьютерное моделирование теплового поля в элементарном объеме полимерных композиционных материалов // Проблемы машиностроения. 2014. Т. 17. № 2. С. 3–8.
  2. Дударев А.С., Свирщѐв В.И. Оценка температурного поля при алмазном сверлении полимерных композиционных материалов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2016. № 3. С. 188–194.
  3. Ismail S.O., Dhakal H.N., Dimla E., Beaugrand J., Popov I. Effects of drilling parameters and aspect ratios on delamination and surface roughness of lignocellulosic HFRP composite laminates // Journal of Applied Polymer Science. 2016. Vol. 133 P. 42879. https://doi.org/10.1002/app.42879
  4. Sadek A., Shi B., Meshreki M., Duquesne J., Attia M.H. Prediction and control of drilling-induced damage in fibrereinforced polymers using a new hybrid force and temperature modelling approach // CIRP Annals. 2015. Vol. 64. Iss. 1. P. 89–92. https://doi.org/10.1016/j.cirp.2015.04.074
  5. Куклин И.А., Дударев А.С., Подвинцев А.В. О расчете температурного поля при резании // Аэрокосмическая техника, высокие технологии и инновации: сб. науч. тр. XX Всерос. науч.-техн. конф. (г. Пермь, 19–20 ноября 2019). Пермь, 2019. Т. 2. С. 106–109.
  6. Davim J.P. Machining Composites Materials. London Hoboken: John Wiley & Sons, 2009. 262 p.
  7. Суслов А.Г. Качество поверхностного слоя деталей машин. М.: Изд-во «Машиностроение», 2000. 320 с.
  8. Усачев П.А., Нощенко А.Н. Расчет температурных полей зоны резания // Станки и инструмент. 1986. № 2. С. 23–24.
  9. Воронцов А.Л., Султанзаде Н.М., Албагачиев А.Ю., Савкин А.И. Разработка новой теории тепловых процессов резания. 4. Анализ основных теоретических исследований теплофизики резания. Часть 1 // Вестник машиностроения. 2010. № 4. С. 68–71.
  10. Воронцов А.Л., Султан-заде Н.М., Албагачиев А.Ю., Савкин А.И. Разработка новой теории тепловых процессов резания. 5. Анализ основных теоретических исследований теплофизики резания. Часть 1 // Вестник машиностроения. 2010. № 12. С. 65–72.
  11. Воронцов А.Л., Султан-заде Н.М., Албагачиев А.Ю., Савкин А.И. Разработка новой теории тепловых процессов резания. 5. Общий математический аппарат теплофизики резания. Часть 2 // Вестник машиностроения. 2011. № 1. С. 61–67.
  12. Воронцов А.Л., Султан-заде Н.М., Албагачиев А.Ю., Савкин А.И. Разработка новой теории тепловых процессов резания. 5. Общий математический аппарат теплофизики резания. Часть 3 // Вестник машиностроения. 2011. № 2. С. 74–79.
  13. Воронцов А.Л., Султан-заде Н.М., Албагачиев А.Ю., Савкин А.И. Разработка новой теории тепловых процессов резания. 6. Определение температурных полей и контактных температур при резании материалов. Часть 1 // Вестник машиностроения. 2011. № 3. С. 69–74.
  14. Воронцов А.Л., Султан-заде Н.М., Албагачиев А.Ю., Савкин А.И. Разработка новой теории тепловых процессов резания. 6. Определение температурных полей и контактных температур при резании материалов. Часть 3 // Вестник машиностроения. 2011. № 5. С. 63–71.
  15. Димов Ю.В., Подашев Д.Б. Температура резания при обработке эластичными абразивными кругами // Вестник машиностроения. 2020. № 8. С. 55–60. https://doi.org/10.36652/0042-4633-2020-8-55-60
  16. Заславский И.Я. Теплопроводность резца и температура в зоне резания // Вестник машиностроения. 2015. № 2. С. 70–73.
  17. Насонов Ф.А., Бухаров С.В. Исследование влияния целевого модифицирования эпоксидных матриц и углепластиков на их основе на температуру в зоне резания при образовании отверстий // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2018. Т. 22. № 10. С. 141–152 https://doi.org/10.21285/1814-3520-2018-10-141-152
  18. Еренков О.Ю., Ивахненко А.Г. Моделирование напряженно-деформированного состояния полимерного материала при резании с учетом взаимодействия трещин // Вестник машиностроения. 2007. № 5. С. 54–56.
  19. Гринек А.В., Рубанов В.Г., Калатозишвили И.В., Михайлов В.В. Исследование влияния скорости резания на температурно-силовое состояние в зоне обработки методом численного моделирования // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2016. № 8. С. 10–19. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2016-8-10-19
  20. Дударев А.С. Конструкции сверл и фрез для алмазно-абразивной обработки стеклопластиков и углепластиков // Известия Тульского государственного университета. 2012. № 1. С. 361–370.
  21. Сироткин О.С., Гришин В.И., Литвинов В.Б. Проектирование, расчет и технология соединений авиационной техники. М.: Изд-во «Машиностроение», 2006. 452 с.
  22. Якимов А.В., Слободяник П.Т., Усов А.В. Теплофизика механической обработки. Киев – Одесса: Изд-во «Лыбидь», 1991. 240 с.
  23. Баринов Д.Я., Майорова И.А., Мараховский П.С., Зуев А.В., Куцевич К.Е., Лукина Н.Ф. Математическое моделирование температурных полей при отверждении толстостенной плиты стеклопластика // Перспективные материалы. 2015. № 4. С. 5–14.
  24. Михайловский К.В., Просунцов П.В., Резник С.В. Разработка высокотеплопроводных полимерных композиционных материалов для космических конструкций // Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Серия: Машиностроение. 2012. № 9. С. 98–106.
  25. Phadnis V.A., Makhdum F., Roy A., Silberschmidt V.V. Drilling in carbon/epoxy composites: Experimental investigations and finite element implementation // Composites. Part A: Applied Science and Manufacturing. 2013. Vol. 47. P. 41–51. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2012.11.020

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).