Study of the Influence of Technological Parameters on the Strength of a Threaded Connection in Carbon Fiber Parts

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Composite materials are widely used in mechanical engineering and instrument making. Composites have a low specific gravity with high strength and wear resistance and are used in civil and military equipment. At the same time, the existing technologies for producing composites do not provide sufficient indicators of the parts accuracy; therefore, machining is still the main way to achieve the required quality. Despite the wide technological capabilities of blade processing, high abrasive properties and heterogeneity of the carbon fiber structure imposes a number of limitations and complicates the choice of processing parameters, especially in the manufacture of internal threads. In addition to the processing modes, the diameter of the pre-drilled hole has a significant effect on the quality of the threaded connection. Despite the studies already carried out in the field of machining of carbon fiber reinforced plastics, a number of questions have not received sufficient study. The purpose of the work is to obtain a relationship between the parameters of the hole and thread processing, as well as the diameter of the hole and the quality of the threaded connection to ensure the specified strength characteristics of the threaded connection. A method is proposed and the results of an experimental study of the strength of a threaded joint, consisting of a carbon fiber part with an internal thread and a structural steel screw, are provided in the axial direction with uniform indentation of the screw with the determination of the maximum fracture resistance force. Research methods: a full factorial experiment is conducted for threaded joints with diameters M6, M7 and M8 to identify the dependence of the strength of the threaded connection on such operating parameters as cutting speed and feed rate during drilling and cutting speed when threading. To control the maximum force of fracture resistance, characterizing the strength of the threaded connection, a universal electromechanical testing machine model Instron-3369 is used. Results and discussion. A comparative analysis of the test results shows that for samples with thread diameter M6, the maximum fracture resistance force is from 5.7 to 6.4 kN. But with a minimum supply of drilling in combination with a minimum speed of threading, the maximum load force does not exceed 3.8 kN. Similar results are obtained when testing samples with thread diameters M8 and M10.

About the authors

A. M. Markov

Email: andmarkov@inbox.ru
D.Sc. (Engineering), Professor, I.I. Polzunov Altai State Technical University, 46 Lenina avenue, Barnaul, Altai region, 656038, Russian Federation, andmarkov@inbox.ru

V. N. Nekrasov

Email: sla44@mail.ru
Ph.D. (Engineering), I.I. Polzunov Altai State Technical University, 46 Lenina avenue, Barnaul, Altai region, 656038, Russian Federation, sla44@mail.ru

A. M. Salman

Email: azharmansoor76@gmail.com
Ph.D. (Engineering), I.I. Polzunov Altai State Technical University, 46 Lenina avenue, Barnaul, Altai region, 656038, Russian Federationy, azharmansoor76@gmail.com

S. V. Gayst

Email: sergei_gaist@mail.ru
I.I. Polzunov Altai State Technical University, 46 Lenina avenue, Barnaul, Altai region, 656038, Russian Federation, sergei_gaist@mail.ru

J. Su

Email: 278507234@qq.com
I.I. Polzunov Altai State Technical University, 46 Lenina avenue, Barnaul, Altai region, 656038, Russian Federation, 278507234@qq.com

References

  1.  
  2. Степанов А.А. Обработка резанием высокопрочных композиционных полимерных материалов. – Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1987. – 176 с.
  3. Veazey D., Gomez E.D., Hsu T. Next generation high-performance carbon fiber thermoplastic composites based on polyaryletherketones // Journal of Applied Polymer Science. – 2017. – Vol. 134, iss. 6. – P. 44441. – doi: 10.1002/app.44441.
  4. Heo Y., Malakooti M.H., Sodano H.A. Self-healing polymers and composites for extreme environments // Journal of Materials Chemistry А. – 2016. – Vol. 4, iss. 44. – P. 17403–17411. – doi: 10.1039/C6TA06213J.
  5. Макаров В.Ф., Мешкас А.Е., Ширинкин В.В. Исследование проблем механической обработки современных высокопрочных композиционных материалов, используемых для производства деталей авиационной и ракетно-космической техники // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. – 2015. – Т. 17, № 2. – С. 30–41.
  6. Drilling of thick composite materials using a step gundrill / P. Rahme, Y. Landon, F. Lachaud, R. Piquet, P. Lagarrigue // Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. – 2017. – Vol. 103. – P. 304–313. – doi: 10.1016/j.compositesa.2017.10.016.
  7. Pihtili H., Canpolat N. Investigation of different reinforced composite materials for surface roughness and capacity of being drilled // Journal of Composite Materials. – 2009. – Vol. 43, iss. 19. – P. 2071–2080. – doi: 10.1177/0021998309340934.
  8. Жернаков В.С., Первушин Ю.С., Соловьев П.В. Исследование упругих характеристик углепластика с 3D структурой // Письма о материалах. – 2019. – Т. 9, вып. 2 (34). – С. 185–190. – doi: 10.22226/2410-3535-2019-2-185-190.
  9. Delamination prediction in orthogonal machining of carbon long fiber-reinforced polymer composites / C. Santiuste, A. Olmedo, X. Soldani, H. Miguélez // Journal of Reinforced Plastics and Composites. – 2012. – Vol. 31, iss. 13. – P. 875–885. – doi: 10.1177/0731684412444654.
  10. Chen W.C. Some experimental investigations in the drilling of carbon fiber reinforced composite laminations // International Journal of Machine Tools and Manufacture. – 1997. – Vol. 37, iss. 8. – P. 1097–1108. – doi: 10.1016/s0890-6955(96)00095-8.
  11. Карасов Т.А., Храмовских В.В., Жихарев В.С. Проблемы резания композитов с высокопрочными наполнителями // Механики XXI веку. – 2017. – № 16. – С. 93–97.
  12. Engineering method for the thermal mechanical erosion of C/C composite with the mesoscale ablation model / D. Deng, J. Yu, X. Yan, F. Huang, X. Luo // Polymers and polymer composites. – 2014. – Vol. 22, iss. 2. – P. 181–186. – doi: 10.1177/096739111402200215.
  13. Марков А.М., Макарова Н.А., Гайст С.В. Износ инструмента при фрезеровании стеклопластика // Наукоемкие технологии в машиностроении. – 2017. – № 4 (70). – С. 25–30. – doi: 10.12737/article_58ef809026b201.73125147.
  14. Рычков Д.А., Янюшкин А.С. Способ повышения эффективности производства изделий из полимерных композитов // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2016. – № 3 (72). – С. 23–30. – doi: 10.17212/1994-6309-2016-3-23-30.
  15. Экспериментальное исследование процесса формирования показателей качества при фрезеровании стеклопластика / С.В. Гайст, С.А. Катаева, А.М. Марков, П.О. Черданцев, Е.Ю. Лапенков // Вестник Брянского государственного технического университета. – 2016. – № 3 (51). – С. 129–136. – doi: 10.12737/22052.
  16. Рычков Д.А., Афанасенко П.В., Кириченко О.П. Специфика изнашивания режущего инструмента при обработке полимерных композиционных материалов // Механики XXI веку. – 2018. – № 17. – С. 135–139.
  17. Machining accuracy analysis for step multi-element varying-parameter vibration drilling of laminated composite materials / Z.J. Li, M.S. Hong, H. Su, Y.L. Wei // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2003. – Vol. 21, iss. 10–11. – P. 760–768. – doi: 10.1007/s00170-002-1391-2.
  18. Марков A.M., Лебедев П.В. Зависимость силовых характеристик процесса нарезания внутренней резьбы в деталях из высокопрочных полимерных композиционных материалов // Технология машиностроения. – 2014. – № 12. – С. 22–25.
  19. Кудряшов Е.А., Каменева Т.Е. Повышение работоспособности охватывающей фрезы с режущими элементами из композита при нарезании трапецеидальной резьбы с элементами разрыва // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2018. – Т. 20, № 1. – С. 33–43. – doi: 10.17212/1994-6309-2018-20.1-33-43.
  20. Davim J.P., Reis P. Study of delamination in drilling carbon ?ber-reinforced plastics (CFRP) using design experiments // Composite Structures. – 2003. – Vol. 59, iss. 4. – P. 481–487. – doi: 10.1016/S0263-8223(02)00257-X.
  21. Hocheng H., Tsao C.C. Comprehensive analysis of delamination in drilling of composite materials with various drill bits // Journal of Materials Processing Technology. – 2003. – Vol. 140, iss. 1–3. – P. 335–339. – doi: 10.1016/S0924-0136(03)00749-0.
  22. Sedlacek J., Slany M. Analysis of delamination in drilling of composite materials // Modern Machinery (MM) Science Journal. – 2010. – June. – P. 192–197. – doi: 10.17973/MMSJ.2010_06_201010.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».