Abstract and keywords
Abstract (English):
Investigation results on the impact of processing time and a cutting way upon wear a cutter made of different tool materials at the machining of polymeric composite blanks are shown. There are given recommendations on cutter plate geometry of a tool and the most efficient tool materials.

Keywords:
composites, blade treatment, tool material, chip formation, cutting modes, wear on clearance face, cutting forces
Text
Publication text (PDF): Read Download

Одним из перспективных направлений развития кораблестроения XXI в. является освоение различных полимерных композиционных материалов (ПКМ) для изготовления как отдельных деталей узлов и механизмов, так и корпусов различных судов.

    В настоящее время в судостроении и кораблестроении всё большее применение находят ПКМ, такие как стеклопластики, углепластики и др. Каждый из этих материалов занимает сегодня свою нишу применения в судостроении, однако, следует отметить, что эти ниши постоянно развиваются и увеличиваются.
              ПКМ обеспечивают в силовых конструкциях высокую эксплуатационную надежность и долговечность, что весьма актуально как в судостроении и авиации, так и в строительной индустрии (мостовые сооружения), энергетике и др. Высокотехнологичные ПКМ всё больше начинают замещать металл в различных областях промышленности.  По использованию и применению ПКМ, в настоящее время, судостроение занимает одно из ведущих мест.

  Композиционный материал – это конструкционный материал (пластик) армированный борными, углеродными, стеклянными волокнами, жгутами или тканями на их основе.
          Используемая матрица в ПКМ обеспечивает связь армирующего материала, а также передачу и распределение напряжения в его объеме. Армирующие наполнители (тонкие непрерывные волокна, нити, ткани, жгуты) несут на себе основные нагрузки, обеспечивают физико-механические характеристики материала: высокую прочность и жесткость в направлении ориентации волокон. Так, например, углепластики в шесть раз прочнее титана, при этом, в пять раз легче высокопрочной стали и в 1,5…2,0 раза легче алюминия. При этом они практически не подвержены коррозии.

Сегодня углепластики уже широко применяются не только для изготовления корпусов кораблей и обшивки самолетов-невидимок, но тормозных дисков, подшипников скольжения, деталей двигателей и турбин, различных корабельных надстройках, что позволяет значительно облегчить конструкцию, повысить теплоизоляцию наружных стенок и т.п.

    Как показывает практика, большинство деталей из ПКМ, полученных прессованием, не соответствует классу точности достаточному для машиностроения и судостроения. Необходимы отделочные операции в виде их лезвийной механической обработки.

    Обрабатываемость большинства ПКМ, значительно отличается от обработки металлов и вызывает определенные трудности. Теплопроводность ПКМ значительно ниже теплопроводности металлов. Поэтому, теплота, которая выделяется в процессе резания, концентрируется главным образом в инструменте, что отрицательно сказывается на его работоспособности (стойкости). Малая температура размягчения пластмасс (основы ПКМ) в условиях резания (температура в зоне обработки достигает 150 °С) часто является причиной образования задиров («разлохмачивания») на обработанной поверхности изделия.

В связи с изложенным можно сделать вывод, что для эффективности механической обработки ПКМ необходимо определить наиболее эффективный инструментальный материал, геометрию режущего инструмента и режимы резания.

Рассматривая механические свойства пластмасс, как конструкционный материал, можно условно подразделить их на три группы:
‒ пластмассы малой прочности (фенопласты, фенолиты, аминолиты и др.), имеющие предел прочности около 50 МПа;
‒ пластмассы средней прочности: слоистые пластики, изготовленные из бумаг (гетинакс), хлопчатобумажной ткани (текстолит) и древесно-слоистые пластики (ДСП). ДСП и текстолит по прочности близки к литым алюминиевым сплавам, а удельная прочность их выше;

‒ высокопрочные пластики, например ПКМ, состоящие из полимера, армированного стекло-волокном, углеволокном, углетканью, арамидом пр. Наиболее распространенными полимерам в этой группе являются фенолоформальдегидные, эпоксидные и полиэфирные смолы.

Свойства композиционных материалов зависят от состава компонентов, их сочетания, количественного соотношения и прочности связи между ними. На основе графитосодержащих материалов созданы различные по составу и свойствам ПКМ, которые получили название углепластики. Свойства некоторых, наиболее часто применяемых углепластиков приведены в табл. 1.

Табл. 1

Механическая обработка пластмасс, в частности получение высокой точности и требуемого качества поверхности (малой высоты шероховатости), затрудняется вследствие неоднородности материала, неодинаковой твердости их основных частей (смолы и наполнителя). При работе резцами с относительно большим радиусом округления режущей кромки, что имеет место при резании ПКМ твердых сплавов и, особенно, твердых сплавов с покрытиями, таких как TiN и др., а так же с алмазоподобными покрытиями, точность и качество обработки не всегда отвечают заданным требованиям, вследствие упругой деформации ПКМ и явления «разлохмачивания» на обработанной поверхности, а также значительным износом по задней поверхности режущего инструмента.

Процесс структурообразования при обработке ПКМ наиболее зависит от ориентации волокна и значения переднего угла резания, а также материала волокна и материала матрицы. Угол ориентации волокна определяется по направлению движения часовой стрелки с учётом направления резания.

Износ резцов из различных инструментальных материалов при токарной обработке ПКМ приведен в табл. 2.

Табл. 2

Как показали выполненные исследования, основными механизмами износа при лезвийной обработке ПКМ являются абразивное истирание и выкрашивание режущей кромки. При обработке углепластиков со скоростью резания до 200 м/мин зафиксирована температура 200…280 °С, а при обработке стеклопластиков с той же скоростью резания зафиксирована температура до 400 °С. Это позволяет исключить возможность доминирования химического износа, хотя полностью его исключить нельзя.

Влияние времени обработки и скорости резания на износ режущего инструмента, оснащенного различными инструментальными материалами, приведено в табл. 3 и 4, а в зависимости от пути резания ‒ в табл. 5.

Табл. 3

Табл. 4

Табл. 5

Наиболее рациональной скоростью резания при обработке ПКМ инструментом  из твёрдого сплава с алмазоподобным покрытием является скорость v = 100…120 м/мин. При увеличении скорости свыше 150 м/мин возрастают составляющие силы резания и температура в зоне обработки, что приводит к интенсивному отслаиванию алмазоподобного покрытия и резкому увеличению износа инструмента.

Как известно, срок службы инструмента (по Тейлору) зависит от скорости резания:

v · T n  = C,

 где  v – скорость резания, м/мин; T – срок службы инструмента, в мин; n и С – эмпирические константы.

Значения эмпирических констант n и C для различных пар инструмент – заготовка при токарной обработке приведены в табл. 6.

Табл. 6

Рекомендуемые геометрические параметры режущей части резцов, применяемых для обработки углепластиков, приведены в табл. 7.

Табл. 7

 

Как показали результаты выполненных исследований, наиболее эффективными при обработке ПКМ являются инструменты, оснащенные АСПК (алмаз синтетический) и КНБ (кубический нитрид бора).

Допустимые величины износа резцов из АСПК и КНБ при обработке углепластиков, при начальном радиусе округления режущей кромки ρ = 2…3 мкм, составляют:

для АСПК:
‒ черновая обработка hз = 0,1…0,2 мм; Rz = 40…10 мкм;
‒ чистовая обработка
hз = 0,08…0,1 мм; Ra =0,8…1,4мкм.

для КНБ (эльбор-Р и эльбор-РМ):
‒ черновая  обработка hз = 0,15…0,3 мм; Rz = 10…40 мкм;   

‒ чистовая  обработка hз = 0,06…0,1 мм; Ra = 0,8…1,2 мкм.

Выводы

На основании приведенных данных можно сделать следующие выводы:
1. При предварительной обработке ПКМ можно использовать инструменты из твердого сплава с покрытиями типа
TiN и другими, хотя эффективность обработки и не является оптимальной.

2. Применение твердосплавного инструмента с алмазподобным покрытием ещё менее эффективно, вследствие его высокой стоимости и недостаточной стойкости из-за отслаивания покрытия.

3. Наиболее эффективным является использование режущего инструмента, оснащенного алмазом (АСПК) или кубическим нитридом бора (КНБ) как на черновых, так и на чистовых операциях.

 

References

1. Zubarev Yu.M., Priyomyshev A.V., Zaostrovsky, A.S. Technology peculiarities in carbon plastic machining // Science Intensive Technologies in Mechanical Engineering. - 2016. - No. 5(71). - pp. 30-33.

2. Zubarev, Yu.M., Priyomyshev, A.V. Innovation tech-nologies of polymeric composites in mechanical engineering // Science Intensive Technologies in Mechanical Engineering. - 2017. - No. 8(74). - pp. 36-46.

3. Composite Machining at Aircraft Assembly. - Sumy: ITD “University Book” Publishing House, 2013. - pp. 97.

Login or Create
* Forgot password?