Efecto de los parámetros del proceso de perforación sobre la resistencia al soporte de compuestos epoxi reforzados con malla de fibra de vidrio/aluminio

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 12143 (2023) Citar este artículo

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Detalles de métricas

El estudio actual intentó evaluar el impacto de los parámetros de perforación y la delaminación en la resistencia de soporte de mallas de alambre de GFRP (NG) puro y híbrido de GFRP/aluminio (Al) con dos configuraciones diferentes, primero con malla de Al en la superficie exterior de espécimen (AG) y el otro con malla Al en el núcleo del espécimen (GA). El procedimiento de perforación se lleva a cabo utilizando \(\varnothing\) una broca helicoidal de carburo de 6 mm con tres ángulos de punta diferentes (90°, 120° y 135°), así como tres velocidades y avances diferentes (1000, 2000 y 3000 rpm). y (20, 40 y 60 mm/min), respectivamente. Los análisis de Taguchi y ANOVA se utilizan para analizar la influencia de los parámetros de procesamiento. Los hallazgos mostraron que la muestra AG experimentó el menor daño por delaminación. La resistencia máxima al soporte se refiere a muestras NG, que es un 9,6% y un 8,7% más que las muestras AG y GA, respectivamente. El ángulo de la punta de perforación tiene el efecto principal sobre la resistencia al soporte tanto para muestras AG como GA, mientras que para NG la velocidad de avance es el efecto principal. El modelo de regresión desarrollado mostró un alto nivel de aptitud con un error de predicción promedio de menos del 3%.

En los últimos años se ha visto un enorme crecimiento en el uso de materiales compuestos, particularmente en las industrias aeroespacial y de aviación. Esta aplicación se centró en la necesidad de materiales sustitutos del acero y aleaciones de aluminio que puedan aligerar el peso de la estructura1. De esta manera, se ha producido un compuesto híbrido que combina los beneficios de los compuestos reforzados con fibra y metal para crear un compuesto híbrido superior conocido como laminados de fibra metálica (FML). El metal más utilizado en este tipo de composites es el aluminio2. Las familias de FML se pueden dividir en muchos grupos según la fibra de refuerzo utilizada, como ARALL, CARALL y GLARE son abreviaturas de aramida, fibra de carbono y fibra de vidrio, respectivamente3. El beneficio clave de los FML sobre las aleaciones metálicas es una mejor resistencia al crecimiento de grietas durante fatiga porque la fibra y los polímeros alrededor del laminado metálico funcionan como un mecanismo de compresión de fuerza que previene la iniciación de grietas en el metal4. Las características adicionales incluyen la capacidad de fabricar formas complicadas utilizando varios procesos de producción de compuestos, posible reducción de peso y ahorro de costos de mantenimiento debido a la fuerte resistencia a la corrosión de los compuestos FML5,6. Cuando se emplean mallas de alambre metálico en lugar de una lámina, es posible construir estructuras más complicadas utilizando los mismos procesos de fabricación que para los compuestos reforzados con fibras. La capacidad de la malla metálica para flexionarse plásticamente puede ser deseable en caso de un impacto, ya que puede posponer el inicio de la fractura y actuar como un absorbente de energía adicional7, además de mejorar la unión y limitar los inconvenientes de la desunión porque mejora la interacción interfacial entre la resina y malla metálica que dificulta la destrucción de la unión entre capas compuestas8. La adición de malla de alambre de Al aumenta las tasas de alargamiento por tracción y flexión hasta en un 54% y 117%, respectivamente, y mejora la absorción de energía9. Estos compuestos híbridos combinan las mejores cualidades del metal y los FRP, proporcionando un rendimiento mecánico superior al de los laminados tradicionales. Por lo tanto, pueden emplearse en una variedad de aplicaciones prácticas y cruciales, incluidas las militares, de transporte, aeroespaciales, de piezas de submarinos y otras aplicaciones de barreras9,10. Estas estructuras se unen entre sí mediante conexiones mecánicas como remaches o pernos junto con otros métodos. Para ensamblar las estructuras, estas uniones requirieron realizar agujeros. La calidad del orificio, la tolerancia geométrica y el espesor del material tienen un impacto significativo en la resistencia de la junta. Sin embargo, el factor más importante es el proceso de creación del orificio o la calidad del orificio, lo que resulta en tensiones residuales significativas alrededor del límite del orificio y reduce la resistencia estructural. Además, la mala calidad de los agujeros representa el 60% de las piezas que se rechazan durante la fabricación11. La perforación del compuesto FML es una operación difícil ya que la broca penetra estructuras no uniformes que contienen fibras duras y abrasivas, así como la matriz que es sensible al calor, lo que hace que el proceso de perforación sea extremadamente problemático. Además, los gastos de perforación son elevados debido al frecuente reafilado de la broca debido a la importante erosión12. Aunque se han realizado numerosos estudios sobre la perforación de materiales compuestos con una variedad de métodos, incluidos orificios moldeados y perforados y técnicas innovadoras no tradicionales que incluyen láser y chorro de agua abrasivo, la perforación sigue siendo el método más común y simple para producir orificios en compuestos laminados13. La perforación convencional genera una variedad de problemas, que incluyen grietas internas y delaminación entre laminados, así como daños por calor, desgaste de herramientas y errores en las dimensiones de los orificios. Estos defectos comprometen la calidad del orificio perforado, lo que reduce la capacidad de la conexión atornillada para soportar cargas. Se han realizado varias investigaciones para examinar cómo los sujetadores mecánicos afectan la resistencia portante de los compuestos laminados. La iniciación de fallas que ocurre frecuentemente en las uniones estructurales como resultado de tensiones residuales, fatiga y degradación de las fibras provocadas por las operaciones de perforación sirve de inspiración para estos estudios14. La delaminación, que se define como la disociación de las capas laminadas que surge cuando la fuerza que actúa entre los laminados es mayor que la resistencia interlaminar del material, provoca la ruptura entre capas, generalmente se considera el principal daño a la perforación compuesta15. La delaminación es intrínseca a las piezas de ensamblaje o conexiones atornilladas porque reduce la resistencia del material para soportar cargas excesivas16. La delaminación por desprendimiento y expulsión, que es una delaminación inducida por perforación, se presenta tanto en la entrada como en la salida de los orificios17. Según Khashaba et al.18, la delaminación por expulsión es más grave que la delaminación por despegue. Controlar algunos aspectos importantes, como el material y la geometría de la herramienta de perforación, la velocidad de corte, la velocidad de avance y los mecanismos de respaldo, es la clave para minimizar la delaminación al perforar laminados compuestos. Estos parámetros afectan la calidad del pozo perforado y el proceso de perforación. Según un estudio de 19, la delaminación está directamente relacionada con la velocidad de avance. Los resultados demostrados por Sakthivel et al.20 indicaron que la velocidad de avance es la variable más importante en la perforación de compuestos de polímero de malla de acero inoxidable reforzado con fibra de vidrio. Estos hallazgos coincidieron con la investigación de Jenarthanan et al.21. Las velocidades bajas del husillo provocan menos daños; sin embargo, el uso de una velocidad alta con una velocidad de avance baja puede mitigar la delaminación22. El autor demostró el impacto de la elección de la geometría de la herramienta y las condiciones de operación en los daños inducidos por la perforación; indica que un ángulo de punta más pequeño23 y una velocidad de avance más baja se asociaron con agujeros que tenían menos delaminación según su investigación. Donde24,25 aclara, con un ángulo de punta menor la fuerza de empuje se reduce lo que explica el menor daño. La broca de carburo se considera la mejor alternativa para perforar compuestos que la broca HSS porque genera menos delaminación y desgaste26. Una perforación deficiente da como resultado una reducción de la resistencia del rodamiento y viceversa. Según 19, la velocidad de avance tiene un impacto importante en los rodamientos, ya que una velocidad de avance baja y una velocidad alta mejoran la resistencia del rodamiento. Las uniones sujetas mecánicamente generan diferentes tipos de modos de falla, incluidos tensión neta, corte, escisión y apoyo27; estos mecanismos de fractura son bastante complejos y están influenciados por varios factores, incluida la dimensión de la arandela y la fuerza de sujeción lateral. El método estadístico Taguchi es muy adecuado para problemas de optimización de ingeniería que requieren medir características de calidad de respuesta que se desvían de los estándares establecidos utilizando la relación S/N28,29.

Según el conocimiento de los autores, ninguna investigación se ha centrado en cómo las variables del proceso de perforación y la delaminación inducida afectan la resistencia de los compuestos FML que utilizan malla de alambre de Al como refuerzo en lugar de láminas o malla de alambre de acero inoxidable. En este trabajo, exploramos la perforación de varias estructuras de muestras, como fibra de vidrio pura (NG) y muestras que combinan malla de alambre de Al y fibra de vidrio en dos patrones diferentes, primero con una malla de Al en la capa exterior (AG) y la otra. segundo en el núcleo (GA). Las muestras se perforaron con diferentes parámetros de perforación (velocidad del husillo, velocidad de avance y ángulo de la punta de la broca). El objetivo del estudio actual es determinar el impacto de las condiciones de perforación, como la velocidad del husillo (N), la velocidad de avance (F) y el ángulo de la punta de perforación (Ɵ) sobre la delaminación y la resistencia al rodamiento. Se aplicaron análisis de Taguchi y ANOVA para evaluar y optimizar los parámetros operativos y su influencia en la resistencia de los rodamientos. Se realizó un análisis de regresión en relación con variables de diseño específicas para predecir el nivel ideal de parámetros del proceso y mejorar la resistencia del rodamiento.

En este estudio, se prepararon tres muestras con 3 \(\pm\) 0,25 mm de espesor a partir de diez capas utilizando la técnica de colocación manual. El primer espécimen es vidrio limpio (NG) hecho de fibra de vidrio E tejida y los otros dos laminados compuestos híbridos consisten en fibra de vidrio E y malla de alambre de aluminio con patrones alternativos. Muestra AG en la que la malla de alambre de Al se coloca en las capas externas y muestra GA con malla de alambre de Al colocada en las capas centrales de la secuencia del espécimen como se muestra en la Fig. 1a. La matriz epoxi consta de la parte A Biresin® CR82 (resina) y la parte B CH80-6 (endurecedor) suministradas por Sika Industry30. Los detalles sobre las propiedades de la fibra de vidrio y el epoxi se enumeran en la Tabla 1. Luego, las muestras se cortaron en cupones con dimensiones de 135 × 36 × 3,0 \({\text{mm}}^{3}\) usando una fresadora CNC de acuerdo con ASTM D596131, figura 1b.

Especímenes fabricados; (a) secuencia de laminados de muestras NG, AG y GA, y (b) geometrías de la muestra de prueba.

El proceso de perforación de las tres muestras se implementó utilizando una fresadora CNC BMDX8060 que tiene velocidades de husillo de hasta 18.000 rpm. Los especímenes fueron perforados en condiciones de corte seco; con tres velocidades de husillo (1000, 2000 y 3000 rpm) y tres avances (20, 40 y 60 mm/min) utilizando tres brocas helicoidales de metal duro de 6 mm de diámetro con ángulos de punta de (90°, 120° y 135°). La Tabla 2 ilustra información sobre los materiales y la geometría de la perforación. Se utilizó una placa de respaldo de aluminio para mejorar la calidad del proceso de perforación32. La configuración del proceso de perforación se muestra en la Fig. 2.

La configuración experimental de; (a) el proceso de perforación CNC, y (b) la placa de respaldo.

El trabajo experimental se realizó según el arreglo ortogonal (OA) Taguchi L928, en el que se seleccionaron 3 factores con 3 niveles. La técnica Taguchi ayuda en la investigación del impacto de todos los parámetros del proceso en las respuestas al minimizar el número de pruebas y, por tanto, el costo de los experimentos. La técnica Taguchi requiere menos experimentos o datos para determinar la mejor condición de mecanizado. Por lo tanto, si la ejecución experimental requiere mucho tiempo y es costosa, se recomienda emplear el método Taguchi33. Los parámetros de perforación, como la velocidad del husillo, la velocidad de avance y el ángulo de la punta de perforación, se seleccionaron de acuerdo con publicaciones anteriores18,20,24,25, las limitaciones de la máquina CNC y las primeras pruebas en las que algunas de las variables del proceso de perforación se determinan mediante experimentación. . La Tabla 3 muestra los factores de los experimentos y sus niveles. Además, el diseño experimental L9-OA resultante se resume en la Tabla 4.

La delaminación (desprendimiento en la entrada del orificio y expulsión en la salida del orificio) se midió usando una cámara de alta resolución con un gran zoom óptico y luego se procesó la imagen usando el software CorelDraw para evaluar el diámetro máximo de la zona de delaminación dentro de una resolución de \({ 10}^{-3}\) mm. El daño por perforación se relacionó con la ecuación del factor de delaminación (Fd) presentada por Chen34 como se indica en la ecuación. (1).

donde \({D}_{MAX}\) es el diámetro máximo del área de delaminación y \({D}_{NOM}\) es el diámetro nominal del orificio (6 mm), como se ilustra en la Fig. 3 .

Imagen digital del espécimen perforado.

Las pruebas de rodamientos se realizaron según la norma ASTM D5961M31. Las muestras de soporte se cortaron de la lámina laminada producida en paralelo a la orientación de la fibra y el alambre. Luego se realizaron operaciones de perforación en las probetas para realizar un agujero de 6 mm. La muestra de prueba se cargó en el orificio mediante el uso de un pasador de acero y luego la aplicación normal de una fuerza de soporte a través de un sujetador ligeramente apretado que se somete a doble corte mediante un dispositivo como el que se muestra en la Fig. 4a. Se aplicó un par de sujeción de 10 Nm para apretar la conexión atornillada35. La carga del conjunto en tensión en la máquina de prueba produce la fuerza de apoyo.

prueba de rodamientos; (a) configuración experimental de la prueba de resistencia al rodamiento, y (b) modos de falla de un compuesto de unión fijado mecánicamente.

La prueba de rodamiento se llevó a cabo a temperatura ambiente en una máquina de prueba universal computarizada de un modelo (Máquina de prueba Jinan WDW 100 kN) con una velocidad del cabezal de 2 mm/min hasta que cayó la carga; la configuración de la máquina de prueba se muestra en la Fig. 4a. El valor de la resistencia al soporte se obtuvo como el promedio de cinco muestras ensayadas.

En compuestos de juntas fijadas mecánicamente, los modos de falla se pueden clasificar en cuatro tipos27: falla por tensión neta, corte, rodamiento o rotura que se indican en la Fig. 4b.

La determinación del esfuerzo de apoyo se realizó dividiendo la carga máxima de apoyo por el área de apoyo36, de acuerdo con la Ec. (2). Donde \({F}_{max}\) es la carga máxima aplicada, \({D}_{h}\) es el diámetro del orificio y t es el espesor de la muestra.

La deformación por carga de la muestra de prueba se calculó usando la ecuación. (3)31.

donde \({\varepsilon }_{br}\) es la deformación del rodamiento, \({\delta }_{d}\) es la deformación del orificio (mm), D es el diámetro del orificio (mm) y K es constante valor 1 para prueba de doble corte, 2 para prueba de corte simple.

La Tabla 5 resume las observaciones experimentales para cada configuración utilizada para estimar la influencia de varios parámetros de mecanizado en los factores de respuesta de perforación (factor de delaminación y resistencia al rodamiento) y determinar las condiciones óptimas de procesamiento para lograr la máxima calidad para cada respuesta.

En el presente estudio, la relación señal-ruido (S/N) se calculó utilizando la técnica "cuanto más pequeño, mejor"37 representada en la ecuación. (4) optimizar el parámetro de proceso elegido con el objetivo de minimizar el daño por delaminación.

donde n es el número total de observaciones, \({y}_{i}\) es el valor de respuesta e i varía de 0 a n.

Según el análisis de Taguchi enumerado en la Tabla 6 e indicado en la Fig. 5, las condiciones óptimas que dan como resultado una delaminación mínima por despegue para la muestra NG son una velocidad del husillo de 3000 rpm, una velocidad de avance de 20 mm/min y un ángulo de punta de 90°, mientras que la velocidad tiene el efecto principal en la delaminación del despegado. Además, la delaminación por despegado aumenta al aumentar el avance y el ángulo de la punta, mientras que disminuye al aumentar la velocidad del husillo, como se ve en la Fig. 5a. Para muestras AG, las condiciones óptimas son una velocidad de 1000 rpm con una velocidad de avance de 20 mm/min y un ángulo de punta de 90°. La Figura 5b también muestra que el ángulo de perforación, seguido de la velocidad de avance, tiene un impacto significativo en la delaminación por despegue, mientras que la velocidad del husillo tiene un efecto menor. La delaminación por despegado aumenta al aumentar la velocidad de avance, el ángulo de la punta y la velocidad del husillo hasta 2000 rpm y luego comienza a disminuir. Para la muestra GA, la velocidad de 2000 rpm con avance de 20 mm/min y un ángulo de punta de 120° produjo el menor daño. La velocidad de alimentación tiene un efecto importante en la delaminación del despegado, seguida de la velocidad y el ángulo de la punta, que tienen un impacto mínimo. La delaminación por despegado aumenta al aumentar la velocidad de avance y el ángulo de la punta y se reduce al aumentar la velocidad del husillo, como se ve en la Fig. 5c. En general, el aumento de la velocidad de avance y el ángulo de la punta de perforación aumentará la delaminación por despegue como resultado del aumento de la fuerza de empuje en la broca19. La muestra AG muestra la delaminación por desprendimiento más pequeña en comparación con las otras dos muestras.

Gráfico del efecto principal para las relaciones S/N de delaminación por desprendimiento para; (a) muestra NG, (b) muestra AG y (c) muestra GA.

A partir de los resultados de la relación S/N enumerados en la Tabla 7 y el gráfico del efecto principal para las relaciones S/N de la delaminación por expulsión que se muestra en la Fig. 6, las condiciones óptimas del proceso para minimizar el daño son una velocidad del husillo de 1000 rpm, una velocidad de avance de 20 mm/min y ángulo de punta de 90° para muestras NG y AG. Para GA, la mejor combinación es una velocidad de husillo de 2000 rpm con un avance de 40 mm/min y un ángulo de punta de 90°. El ángulo de la punta de perforación es de gran impacto tanto para muestras NG como AG. Mientras que para la muestra GA el parámetro con mayor efecto es la velocidad del husillo. La Figura 6a ilustra que aumentar la velocidad de alimentación, el ángulo de la punta y la velocidad del husillo hasta 2000 rpm aumenta la delaminación por expulsión en la muestra NG debido al aumento de la fuerza de empuje que existió durante la operación de perforación. Cuando las velocidades del husillo superan las 2000 rpm, la delaminación por expulsión comienza a reducirse. Esto puede estar relacionado con la facilidad para eliminar material a altas velocidades y proporcionar una superficie de corte suave, que es el mismo resultado obtenido por Khashaba y El-Keran19. La Figura 6b muestra que los valores más bajos de delaminación por expulsión en la muestra AG se obtienen con velocidades de husillo, velocidades de avance y ángulos de punta más bajos. Esto está asociado con una reducción en la fuerza de empuje de perforación. Para la muestra GA, la alta velocidad del husillo (3000 rpm), la velocidad de avance (60 mm/min) y el ángulo de la punta (135°) están relacionados con los valores más altos de delaminación por expulsión, como se muestra en la Fig. 6c, ya que estas condiciones aumentan. la fuerza de empuje de la herramienta de perforación, lo que a su vez aumenta los daños por delaminación. La delaminación por expulsión más pequeña se presenta en AG, seguida de GA y finalmente NG-muestra. La delaminación por expulsión es más significativa que la delaminación por despegue, ya que normalmente aumenta aproximadamente en un porcentaje promedio del 6%. En comparación con las muestras NG y GA, la muestra AG muestra una mejora relativa tanto en las delaminaciones por desprendimiento como por expulsión. Esto puede explicarse por la unión significativamente mejor entre la capa de malla de alambre de Al y las otras capas debajo de ella en la muestra AG en relación con la unión ligeramente más débil entre las dos capas de malla de alambre de Al adyacentes en la muestra GA. La Figura 7 muestra fotografías seleccionadas de delaminación en los lados de entrada y salida de algunos orificios perforados que ilustran el efecto de diferentes condiciones de mecanizado.

Gráfico del efecto principal para las relaciones S/N de la delaminación por expulsión; (a) muestra NG, (b) muestra AG, (c) muestra GA.

Fotografías seleccionadas que ilustran el efecto de la velocidad de avance y la velocidad del husillo en la delaminación para un ángulo de punta de 90°.

La resistencia al soporte que se mide para cada combinación de experimentos es el promedio de cinco muestras de prueba para cada configuración. Los datos experimentales se observan y analizan mediante el análisis Taguchi para indicar el efecto principal de los parámetros sobre la resistencia del rodamiento y la respuesta de la relación (S/N) para detectar los parámetros óptimos del proceso. El análisis de varianza (ANOVA) se utiliza para indicar la influencia de los parámetros de mecanizado que afectan las respuestas de salida y para identificar qué parámetros son significativos20. Los análisis se implementaron utilizando el software Minitab 20. Se eligió el análisis de Taguchi37 para estudiar los datos experimentales; la ecuación de la característica "cuanto más grande, mejor" se presenta en la ecuación. (5).

donde n es el número total de observaciones, \({y}_{i}\) es el valor de respuesta e i varía de 0 a n.

El análisis de la relación S/N en la Tabla 8 y la Fig. 8a revela que los valores máximos de resistencia al soporte de los orificios perforados en muestras NG se obtuvieron a alta velocidad del husillo de 3000 rpm, velocidad de avance de 40 mm/min y el ángulo de punta más pequeño de 90°. . El gráfico del efecto principal de las medias en la Fig. 8b muestra que la resistencia del rodamiento tiende a aumentar al aumentar la velocidad del husillo. Además, la resistencia al rodamiento aumenta inicialmente con un aumento en la velocidad de avance, pero un aumento adicional más allá de 40 mm/min conduce a una reducción en la resistencia al rodamiento. Esto se debe al aumento de la fuerza de empuje, que afecta la delaminación y debilita la resistencia del material como lo describen Khashaba et al.19. El aumento del ángulo de la punta de perforación reduce la resistencia del soporte; esto está relacionado con un ángulo de punta pequeño que produce una fuerza de empuje baja y, por lo tanto, menos delaminación, lo que mejora la resistencia del material. El análisis ANOVA resumido en la Tabla 9 muestra que la velocidad de avance es el factor más significativo en la resistencia del rodamiento con una contribución del 66,60%, mientras que la velocidad del husillo y el ángulo de la punta tienen una ligera contribución del 9,74% y 5,85%, respectivamente. El gráfico de contorno que se muestra en las figuras 9a a c demuestra el efecto de interacción de las variables de mecanizado sobre la resistencia al soporte de la muestra NG. El efecto de la velocidad y la velocidad de avance en la Fig. 9a declara que la resistencia del rodamiento se puede maximizar para el rango de velocidad del husillo de 1500 a 3000 rpm y la velocidad de avance oscila entre 30 y 50 mm/min. La relación entre velocidad y ángulo de punta, Fig. 9b, demuestra que la resistencia del rodamiento es máxima a una velocidad superior a 2500 rpm y el ángulo de punta varía entre 90° y 120°. Mientras que la Fig. 9c, que muestra la relación entre la velocidad de avance y el ángulo de la punta, aclara que los valores máximos de resistencia al rodamiento se pueden obtener en rangos de avance entre 40 y 50 mm/min y un ángulo de la punta por debajo de 120°.

Gráfico de efectos principales de una muestra de NG; (a) relaciones S/N, y (b) medios para la resistencia al rodamiento.

Gráficos de contorno de resistencia al soporte para muestras NG; (a) velocidad versus avance, (b) velocidad versus ángulo de la punta de perforación y (c) avance versus ángulo de la punta de perforación.

Para la muestra AG, el análisis de la relación S/N enumerado en la Tabla 8 y el efecto principal de la respuesta S/N en la Fig. 10a indican que la resistencia del rodamiento es máxima a una velocidad del husillo de 2000 rpm, una velocidad de avance de 20 mm/min y 90°. -ángulo del punto. El análisis ANOVA enumerado en la Tabla 9 declara que el ángulo de la punta de perforación tiene un efecto principal en la resistencia del soporte con una contribución del 61,81%, seguido de la velocidad del husillo (20,01%) y un efecto insignificante de la velocidad de avance (7,89%). El gráfico de efecto principal de las medias que se muestra en la Fig. 10b demuestra que la resistencia al rodamiento disminuye al aumentar la velocidad de alimentación; esto ocurre debido al aumento de la fuerza de empuje y, por lo tanto, a la delaminación inducida18. Además, aumentar la velocidad del husillo aumenta la resistencia del rodamiento hasta 2000 rpm, después de lo cual disminuye. Esta tendencia podría atribuirse al aumento de la temperatura durante la perforación, como lo discutieron Khashaba et al.19, la alta temperatura generada reduce la fuerza de empuje y, por lo tanto, el factor de delaminación, lo que resulta en una mejor resistencia del soporte que la de la perforación a baja velocidad. Pero un aumento adicional de la temperatura por encima de la temperatura de transición \({T}_{g}\) de la fibra provoca daños térmicos y, por tanto, una reducción de la resistencia al soporte. El pequeño ángulo de punta de la broca (90°) mejora la capacidad de resistencia al soporte, ya que se ha descubierto que la perforación de muestras AG se mejora con un ángulo de punta bajo, una velocidad moderada del husillo y una velocidad de avance baja. Esto es consistente con los hallazgos de Sakthivel et al.20. El gráfico de contorno que se muestra en la Fig. 11a indica que la resistencia del rodamiento es máxima en rangos de velocidad entre 2000 y 2500 rpm y la velocidad de avance varía entre 40 y 60 mm/min. Como se muestra en la Fig. 11b, los valores máximos de resistencia al rodamiento se encuentran para velocidades del husillo entre 1500 y 2500 rpm y ángulos de punta de perforación inferiores a 110°, lo cual está de acuerdo con la influencia de la temperatura producida previamente ignorada. La Figura 11c establece que los valores máximos de rodamiento se obtienen con un ángulo de la punta de perforación inferior a 100° en el rango de avance general.

Gráfico de efectos principales de la resistencia al soporte para una muestra AG; (a) relaciones S/N, y (b) medias.

Gráficos de contorno de resistencia al soporte para muestras AG; (a) velocidad versus avance, (b) velocidad versus ángulo de la punta de perforación y (c) avance versus ángulo de la punta de perforación.

La Tabla 8 aclara la influencia de los parámetros del proceso en la resistencia del rodamiento. El ángulo de la punta de perforación tiene el mayor efecto sobre la resistencia del rodamiento, seguido de la velocidad del husillo y la velocidad de avance no tiene una influencia significativa. Estos resultados concuerdan bien con el análisis ANOVA enumerado en la Tabla 9. La Figura 12a muestra el gráfico de efectos principales para las relaciones S/N, lo que indica que los parámetros de mecanizado óptimos son una velocidad del husillo de 2000 rpm, una velocidad de avance de 40 mm/min y un ángulo de punta de 90°. . El gráfico de efectos principales para las medias que se muestra en la Fig. 12b declara que el aumento de la velocidad del husillo aumentará la resistencia del rodamiento hasta 2000 rpm más allá de este valor, la resistencia del rodamiento tiende a disminuir. La disminución del ángulo de la punta aumenta la resistencia del soporte, mientras que el aumento de la velocidad de avance aumentará ligeramente la resistencia del soporte, pero un mayor aumento reducirá la resistencia. Esto puede estar relacionado con que un ángulo pequeño de la punta de perforación, una velocidad y un avance moderados producen una delaminación mínima y, por lo tanto, mejoran la resistencia de los orificios perforados en la muestra GA. El gráfico de contorno en la Fig. 13a demuestra que los valores máximos de resistencia al rodamiento se ubican a una velocidad de avance inferior a 30 mm/min y una velocidad del husillo de 1000 a 2000 rpm, así como a una velocidad de avance de 40 a 50 mm/min y una velocidad de 2500 a 3000 rpm. La Figura 13b indica que utilizar una velocidad del husillo de 2000 a 3000 rpm y un ángulo de la punta de perforación inferior a 110° da como resultado valores máximos de resistencia al rodamiento. Mientras que la Fig. 13c declara que los valores máximos de rodamiento se obtienen en un ángulo de la punta de perforación entre 90° y 100° en el rango de velocidad de avance general.

Gráfico de efectos principales para muestra GA; (a) relaciones S/N, y (b) medios de resistencia al rodamiento.

Gráficos de contorno de resistencia al soporte para muestras GA; (a) velocidad versus avance, (b) velocidad versus ángulo de la punta de perforación y (c) avance versus ángulo de la punta de perforación.

Se puede ver en la relación entre la resistencia al soporte y la delaminación en la Fig. 14 que la resistencia al soporte aumentó significativamente en las muestras de prueba con daños mínimos por delaminación. En la Fig. 14a, los valores máximos de resistencia al soporte, para la muestra NG, se relacionaron con los experimentos 9, 8, 2 y 1, donde la delaminación tuvo valores pequeños, excepto el experimento 5, en el que la resistencia al soporte fue excepcionalmente alta. El mismo comportamiento se puede observar en la Fig. 14b, c para muestras AG y GA, respectivamente, donde las muestras con daños significativos por delaminación tienden a debilitar las estructuras al concentrar demasiada tensión en el borde del orificio y aumentar el riesgo de agrietamiento rápido de la matriz38.

Relación entre resistencia al rodamiento y daño por delaminación para; (a) muestra NG, (b) muestra AG y (c) muestra GA.

De la comparación de las resistencias de carga promedio de las tres muestras que se muestran en la Fig. 15, se puede indicar que la muestra NG tiene la resistencia de carga más alta en comparación con las muestras AG y GA en porcentajes promedio de 9,6% y 8,7%, respectivamente. Esto está relacionado con la mayor resistencia a la tracción intrínseca de la fibra de vidrio (muestras NG) en comparación con la resistencia intrínseca relativamente menor del aluminio (muestras AG y GA). La resistencia de soporte promedio para las muestras AG y GA es casi idéntica, pero la muestra AG presenta menos daño por delaminación durante el proceso de perforación, lo que mejora la resistencia de soporte de las muestras con orificios perforados. Según la comparación indicada anteriormente, la muestra AG da como resultado una mejora tanto en la delaminación por despegue como por expulsión, lo que mejora la resistencia al soporte. Este resultado se muestra evidentemente en las Figs. 14 y 15 y claramente observado en las fotografías de la Fig. 7.

El valor promedio de la resistencia al soporte para diferentes muestras para cada configuración experimental.

Las curvas de tensión-deformación del soporte y los modos de falla que se muestran en la Fig. 16 demuestran que la falla por corte es el tipo de falla más frecuente debido a una distancia corta desde el borde e/d = 3. En el caso de muestras NG y GA, las curvas de tensión-deformación y los modos de falla se muestran en la Fig. 16. Nuestro modo de falla existe en todas las pruebas de rodamientos. La falla por corte generalmente es causada por fallas por corte y compresión de la matriz y la fibra39, en las cuales la alta tensión de corte formada en el plano de corte no pudo ser liberada por la distancia del borde libre40. En el caso de una muestra de AG, se pueden observar experimentalmente tres mecanismos de falla diferentes, incluidos el corte, la escisión y la falla por tensión neta. El modo de mezcla de escisión es el fallo que más existe en las muestras AG. La falla por escisión se produce por la concentración de la carga en la punta del orificio y la presión de soporte del sujetador. En la muestra AG, el modo de falla por corte se destaca por la alta resistencia al soporte como en los experimentos 1 y 6.

Comparación de las curvas de tensión-deformación de los soportes de las muestras de prueba y las morfologías del modo de falla observadas para cada experimento; (a) exp no. 1, (b) exp no. 2, (c) exp no. 3, (d) exp no. 4, (e) exp no. 5, (f) exp no. 6, (g) exp no. 7, (h) exp. no. 8, y (i) exp no. 9.

Luego se alcanzaron los niveles de las combinaciones de variables de perforación que arrojaron el mejor rendimiento. Fue necesaria una prueba de confirmación para validar la condición optimizada al utilizar la técnica de Taguchi41. Las respuestas predichas se pueden determinar usando la ecuación. (6)

donde, \({y}_{opt}\) es el valor óptimo estimado del factor de delaminación y la resistencia al rodamiento, respectivamente. (\({N}_{opt}\), \({F}_{opt}\) y \({\theta }_{opt}\)) representan el valor medio de cada variable en la condición óptima para cada respuesta se representa en la Tabla 10. \({y}_{m}\) Indica el valor medio total de cada respuesta que se obtiene del estudio experimental enumerado en la Tabla 5. La Tabla 11 muestra los resultados de los experimentos de confirmación. Los valores experimentales y estimados son bastante similares. Los niveles de error deben ser inferiores al 20% para que el análisis se considere confiable42. Se observa que varias configuraciones de parámetros óptimos no coinciden con ninguna prueba experimental en la Tabla 5. Usando el mismo procedimiento descrito en la sección "Proceso de perforación", se perforaron cuatro especímenes de prueba según los parámetros óptimos alcanzados por Taguchi. Según la sección "Evaluación de las respuestas", la evaluación del factor de delaminación y la prueba de resistencia al rodamiento se realizaron cinco veces y se determinó el valor promedio.

Se utilizó un análisis de regresión para modelar la correlación entre los parámetros de perforación y los factores de respuesta43. El modelo múltiple que se utilizó para pronosticar cómo el factor de respuesta se vería afectado por los ajustes de mecanizado viene dado por la ecuación. (7).

donde Y es la respuesta, B son los factores de ponderación reales y X son las variables independientes.

La ecuación final que describe la interacción de las cuatro variables en el estudio viene dada por la ecuación. (8).

donde \({\sigma }_{bearing}\) es la fuerza de respuesta del rodamiento, \(N\) es la velocidad del husillo, \(F\) es la velocidad de avance y \(\uptheta\) es el ángulo de la punta de perforación. Al sustituir valores en la ecuación de regresión y resolver las ecuaciones, se pueden determinar los valores de a, b1, b2 y b344. Las ecuaciones (9) y (10) se utilizan para determinar la precisión del modelo de acuerdo con el error porcentual absoluto medio (MAPE) y la precisión de predicción (PA) como se indica:

donde n es el número de experimentos, \(\text{Exp}.\text{value}\) es el valor experimental y \(\text{Pred}.\text{value}\) es el valor predicho.

Las ecuaciones de regresión de la respuesta del rodamiento se enumeran en la Tabla 12. Los datos calculados y el error medio se enumeran en la Tabla 13 para muestras NG, AG y GA, respectivamente. De los resultados de la Tabla 13 se encontró que las ecuaciones de regresión pueden proporcionar una concordancia notable entre los datos experimentales y los resultados previstos. La validación de los resultados experimentales y previstos para la respuesta de resistencia al soporte de las muestras se muestra en la Fig. 17.

Validación de valores experimentales y previstos de resistencia del rodamiento para; (a) muestra NG, (b) muestra AG, (c) muestra GA.

En este trabajo se investigó la perforación CNC de especímenes de malla de alambre GFRE puro y híbrido GFRE/Al para determinar la influencia de los parámetros de perforación y la delaminación inducida en la resistencia al soporte de los especímenes probados. La optimización y la influencia de los parámetros de perforación se realizaron utilizando análisis de Taguchi y ANOVA. Los resultados de este estudio se describen a continuación:

Los valores máximos de resistencia al soporte de los orificios perforados se obtuvieron en un ángulo de punta de 90°, velocidad de avance (F) = 40 mm/min para muestras NG y GA y F = 20 mm/min para muestras AG, y velocidad del husillo (N ) = 2000 rpm para muestras AG y GA y N = 3000 rpm para muestras NG.

En el caso de las muestras NG, la velocidad de avance tiene el efecto principal sobre la resistencia al soporte con una contribución del 66,60%, mientras que para las muestras AG y GA, el ángulo de la punta de perforación es el parámetro más influyente con una contribución del 61,81% y 73,16%, respectivamente.

La resistencia al soporte de la muestra se vio significativamente afectada por la delaminación inducida del agujero perforado. La resistencia al soporte disminuyó al aumentar el factor de delaminación.

La delaminación más baja que existe en la muestra de AG aumenta su resistencia al soporte, que era casi equivalente a la resistencia al soporte promedio de GA.

Para muestras NG y GA, el modo de falla por corte existe en todas las muestras. Mientras que para las muestras de AG, se pueden observar experimentalmente tres mecanismos de falla, que incluyen corte, escisión y tensión neta. El modo de mezcla de escisión es el modo de falla más observado.

Agregar malla de Al a las capas exteriores (muestra AG) mejora la calidad de la perforación y mejora la capacidad de carga, lo que revela que puede emplearse en aplicaciones avanzadas como los sectores aeroespacial y automotriz.

Se descubrió que las ecuaciones de regresión pueden proporcionar una concordancia notable entre los datos experimentales y los resultados previstos.

Los conjuntos de datos utilizados y analizados durante el presente estudio están disponibles a través de solicitud razonable del autor correspondiente.

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Amr Seif, A. Fathy y AA Megahed

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A. Fathy

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Todos los autores han contribuido por igual al trabajo. AMS contribuyó a la concepción, diseño, preparación de materiales, recopilación y análisis de datos del estudio. AFM contribuyó a la concepción, diseño, preparación de materiales, recopilación y análisis de datos del estudio. AAM contribuyó a la concepción, diseño, preparación de materiales, recopilación y análisis de datos del estudio.

Correspondencia a Amr Seif.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Seif, A., Fathy, A. & Megahed, AA Efecto de los parámetros del proceso de perforación sobre la resistencia al soporte de compuestos epoxi reforzados con malla de aluminio y fibra de vidrio. Representante científico 13, 12143 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-39097-3

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Recibido: 29 de abril de 2023

Aceptado: 20 de julio de 2023

Publicado: 26 de julio de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-39097-3

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