Санкт-Петербург, Россия
Санкт-Петербург, г. Санкт-Петербург и Ленинградская область, Россия
Приведены результаты исследований по влиянию времени обработки и пути резания на износ режущего инструмента из различных инструментальных материалов при обработке заготовок из полимерных композиционных материалов. Даны рекомендации по геометрии режущей части инструмента и наиболее эффективным инструментальным материалам.
композиционные материалы, лезвийная обработка, инструментальный материал, стружкообразование, режимы резания, износ по задней поверхности, силы резания
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.
1. Зубарев Ю.М., Приемышев, А.В., Заостровский, А.С. Особенности технологии механической обработки углепластиков // Наукоёмкие технологии в машиностроении. - 2016. - №5(71). - С. 30-33.
2. Зубарев, Ю.М., Приемышев, А.В. Инновационные технологии обработки полимерных композиционных материалов в машиностроении // Наукоемкие технологии в машиностроении. - 2017. - №8(74). - С. 36-46.
3. Механическая обработка композиционных материалов при сборке летательных аппаратов. - Сумы: Изд-во ИТД «Университетская книга», 2013. - 97 с.
