Θεωρητική και πειραματική μελέτη παραμέτρων κατεργαστικότητας ινωδών πολυμερών-σύνθετων υλικών

Abstract

This present work is studying the treatment of fiber reinforced polymer composites, design of experiments techniques, regression modeling, statistical analysis and calculation of the cutting forces with theoretical and empirical methods. The fiber reinforced plastics (FRPs) are new composite materials rapidly introduced in the manufacturing of industrial structures. The objective of this study is to investigate the machinability of a glass fiber reinforced polyamide PA66-GF30, during machining in main conventional processes and develop predictive models with good correlation and prediction ability.In accordance with the current literature, the theoretical values of cutting forces were calculated through the fundamental mathematical and empirical models, determined to the GFRP’s characteristics. Further, the impact of cutting conditions on response cutting variables when machining in conventional processes were experimentally investigated, collecting measurements with suitable instruments. Applying factorial design and Analysis of Variance (ANOVA) to the experimental data, predictive models are developed for cutting forces and surface roughness parameters, in relative to cutting speed and feed rate, during turning, milling and drilling. The experimental models compared with the theoretical and empirical equations on the consistency with the experimental values, and found that have better correlation.The excellent correlation that the predictive models exhibiting in most cases, allows including them to industrial data bases, and regard direct applicability to the three main conventional machining, in relevant ranges of values for the cutting conditions, permitting to optimize the applications.

Η παρούσα διατριβή πραγματεύεται την κατεργασία σύνθετων πολυμερών υλικών ενισχυμένων με ίνες (fiber-reinforced polymer composites), τον πειραματικό σχεδιασμό, τη στοχαστική μοντελοποίηση, τη στατιστική συμπερασματολογία και την επίλυση θεωρητικών και εμπειρικών μοντέλων υπολογισμού χαρακτηριστικών της κοπής. Τα συγκεκριμένα υλικά, καταλαμβάνουν ολοένα και μεγαλύτερο μέρος στην παραγωγή προϊόντων υψηλής και εξειδικευμένης τεχνολογίας. Στόχος είναι ο έλεγχος της συμπεριφοράς του ενισχυμένου με ίνες υάλου πολυαμιδίου PA66-GF30 κατά την κατεργασία του με συμβατικές μεθόδους και η κατασκευή αξιόπιστων μοντέλων υπολογισμού των χαρακτηριστικών της κοπής, με τη δυνατότητα της μελλοντικής πρόβλεψης των τιμών τους.Βάσει της υπάρχουσας βιβλιογραφίας, κατασκευάζονται και επιλύονται τα θεωρητικά και εμπειρικά μοντέλα των δυνάμεων κοπής, προσαρμόζοντάς τα στα χαρακτηριστικά του συγκεκριμένου ενισχυμένου πολυμερούς. Στη συνέχεια εξετάζονται βασικές παράμετροι κατεργαστικότητας στις συμβατικές κατεργασίες, ως προς τη επίδρασή τους σε μετρούμενα μεγέθη, πραγματοποιώντας ανάλογα πειράματα και συλλέγοντας δεδομένα από κατάλληλα μετρητικά όργανα. Συγκεκριμένα, με τη χρήση του παραγοντικού σχεδιασμού πειραμάτων (factorial design) και της ανάλυσης διακύμανσης (ANOVA) πραγματοποιείται η στοχαστική μοντελοποίηση των δυνάμεων κοπής και των παραμέτρων της τραχύτητας επιφανείας, ως προς την πρόωση και την ταχύτητα κοπής στις συμβατικές κατεργασίες, την τόρνευση, το φραιζάρισμα και τη διάτρηση. Τέλος, τα στοχαστικά μοντέλα συγκρίθηκαν με τα αντίστοιχα θεωρητικά και εμπειρικά ως προς το βαθμό συσχέτισής τους με πραγματικά δεδομένα, από όπου διαπιστώνεται ότι υπερισχύουν.Η εξαιρετικά υψηλή συσχέτιση που επιτυγχάνουν στις περισσότερες περιπτώσεις τα καταρτισμένα στοχαστικά μοντέλα επιτρέπει την εισαγωγή τους σε βιομηχανικές τράπεζες δεδομένων (data bases), που θα αποδίδουν τις παραμέτρους κατεργαστικότητας του συγκεκριμένου υλικού στις τρεις σημαντικότερες συμβατικές κατεργασίες και σε συγκεκριμένο εύρος μεταβολής των συνθηκών κοπής, με στόχο τη βελτιστοποίηση της παραγωγικής διαδικασίας.