CC BY
22УДК 621.914:629.76/78.023
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ, ПОЗВОЛЯЮЩИЕ ПОВЫСИТЬ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ФРЕЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ СОТОВЫХ ПАНЕЛЕЙ
А. М. Мельник*, В. В. Двирный
АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52
E-mail: [email protected]
Описаны основные трудности обработки резанием композиционных материалов (КМ), анализ современных технологий, преимущества и необходимость в дальнейших разработках в области проектирования и изготовления твердосплавных монолитных концевых фрез для механической обработки на современном высокопроизводительном оборудовании с числовым программным управлением (ЧПУ) сотовых панелей, используемых в конструкции многофункциональных космических аппаратов (КА).
Ключевые слова: режущий инструмент (РИ), твердосплавные монолитные концевые фрезы, сотовые панели с применением углепластиковых обшивок, роутер, эффективность.
MODERN TECHNOLOGIES THAT INCREASE THE EFFICIENCY OF MILLING
OF HONEYCOMB PANELS
A. M. Melnik*, V. V. Dvirniy
JSC Academician M. F. Reshetnev Information Satellite Systems 52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation *E-mail: [email protected]
This article describes main difficulties of cutting processing of composite materials (CM), analysis of modern technologies, advantages and necessity for further development in the field of design and manufacture of carbide monolithic end mills for machining using of honeycomb panels with carbon-fiber plates used in the multifunction spacecrafts (SC) design in conjunction with modern high-performance computer numerically controlled (CNC) equipment.
Keywords: machining tool (MT), carbide monolithic end mills, honeycomb panels with carbon-fiber plates, router, efficiency.
В технологии изготовления современных приборов полезной нагрузки используют конструкции на основе трехслойных композиционных сотовых конструкций. Они представляют собой отдельные функционально законченные блоки, имеющие незначительную массу, что позволяет распределить общую массу, а не концентрировать ее на небольшой монтажной плоскости конструкции. Данная конструкция повышает устойчивость КА к факторам космического пространства. После полимеризации сотовых панелей выполняется их механическая обработка: обработка по контуру, выполнение вырезов, сверление отверстий под закладные элементы и пр. Качество поверхности изделий, используемых в ракетно-космической технике, играет важную роль в обеспечении высоких эксплуатационных показателей, надежности и продолжительности жизненного цикла изделия [1].
Существуют исследования, описывающие неэффективность применения традиционных методов в области обработки резанием КМ. Данные материалы стоит отнести к труднообрабатываемым. При обработке резанием КМ необходимо учитывать следующие их особенности: ярко выраженная анизотропия свойств; сложность получения высокого качества
поверхностного слоя; высокая твердость углеродных волокон; низкая теплопроводность; абразивное воздействие углеродных волокон на РИ; высокие упругие свойства; особые требования техники безопасности ввиду выделения мельчайших частиц материала при резании. Данные свойства углепластиковых обшивок приводят к преждевременному затуплению и снижению стойкости РИ. Одновременно с этим, при обработке изношенным РИ происходит расслоение обрабатываемого материала, разлохмачивание перерезанных волокон, что приводит к ухудшению качества поверхностного слоя [2].
Основным способом обработки КМ является лезвийная механическая обработка. К инструменту для обработки изделий из сотовых конструкций предъявляются высокие требования. Учитывая сложную конструкцию фрез, разогретые смолы в зоне резания губительно сказываются, как на стойкости инструмента, так и на качестве обрабатываемой поверхности. Увеличение температур в зоне резания приводит к подгоранию материала и нарушению его свойств. В то же время, низкие скорости резания приводят к деформации детали и смещению контура обреза. Поэтому для этих работ используются высокопроизводительные станки с ЧПУ.
Решетневскуе чтения. 2018
В данном случае возникает потребность в технологической оснастке и инструменте. Чтобы максимально сохранить сплошность, избежать дефектов материала и снизить деструкцию полимерного связующего необходимо применение РИ со специальной геометрией. На данном этапе в АО «ИСС» опробована обработка отверстий и вырезов методом винтовой интерполяции в сотовых панелях с углепластиковыми обшивками при помощи фрез с разнонаправленными режущими кромками.
Данные фрезы (роутеры) (см. рисунок) изготавливаются из твердосплавной монолитной шлифованной заготовки на 5-координатных заточных станках с ЧПУ. Подобные станки располагают в специальных помещениях с поддержанием требуемых параметров микроклимата для обеспечения постоянной точности шлифования и оптимальной производительности. Функции адаптивного прецизионного шлифования позволяют создавать геометрию зубьев роутера в виде высокопроизводительных разнонаправленных режущих кромок (пирамидок). Кроме традиционных методов контроля фрез, параметры подобного инструмента проверяют при помощи контактно-измерительного щупа, измерительной видеосистемы с увеличением и контрольно-измерительных машин [3].
Резка на лазерных установках обладает теми же преимуществами отсутствия лезвийной обработки, высокой скоростью, а также позволяет обрабатывать детали с малой жесткостью. Однако, в процессе резания происходит оплавление связующего и выделение токсичных веществ. Лазерная резка также имеет ограничения по форме и габаритам изделий [5].
Выводы:
1. Представленные методы обработки позволяют решить задачу повышения эффективности при обработке сотовых конструкций за счет применения новых конструкций РИ, определения оптимальных режимов резания, исследования термодинамических процессов, что влечет за собой повышение качества и производительности труда и снижение себестоимости.
2. Основным способом для получения вырезов и отверстий в трехслойных сотовых панелях остается лезвийная механическая обработка.
3. Изготовление твердосплавных монолитных концевых фрез в условиях подготовки производства ОА «ИСС» соответствует высокому технологическому уровню современных машиностроительных производств.
шт
Фреза-роутер
Роутеры, изготовленные в АО «ИСС», показали положительные результаты при обработке отверстий в трехслойных сотовых панелях с углепластиковыми обшивками. Качество поверхностного слоя отверстий, обработанных роутером собственного изготовления, было сопоставимо качеству обработанных отверстий аналогичным инструментом иностранных фирм. На качество обработанного поверхностного слоя и стойкость фрез влияет также наличие на РИ износостойкого покрытия. Что повышает эффективность использования инструмента за счет интенсификации режимов резания [4].
Альтернативными вариантами изготовления сквозных вырезов в обшивках и рёбрах по производительности являются гидроабразивная и лазерная резка, для которых не требуется твердосплавный РИ. Как правило из-за габаритов изделий гидроабразивная резка не всегда подходит. Однако в данном случае не происходит скалывание и вырыв армирующего волокна, как при лезвийной обработке. Процесс выделения токсичных веществ и пыли также отсутствует. Температура в зоне резания при гидроабразивной резке низкая, что способствует отсутствию оплавлений. При гидроабразивной резке необходимо применение водоотталкивающих присадок, присутствует опасность насыщения композита водой.
Библиографические ссылки
1. Халиманович В. И., Синьковский Ф. К., Ише-нина Н. Н. Сотовые конструкции для космических аппаратов связи и навигации: опыт проектирования и изготовления // Эффективность сотовых конструкций в изделиях авиационно-космической техники : сб. материалов III Междунар. науч.-практ. конф. (27-29 мая 2009, г. Днепропетровск) / Укр. НИИ технологии машиностроения. Днепропетровск, 2009. С. 161-171.
2. Буланов И. М., Воробей В. В. Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов : учебник для вузов. М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 1998. 516 с.
3. Мельник А. М., Кочеткова С. С. Инновации в области изготовления режущего инструмента для фрезерной обработки сотовых панелей // Решетнёв-ские чтения : материалы XXI Междунар. науч. конф. (08-11 ноября 2017, г. Красноярск) : в 2 ч. / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова ; СибГУ им. М. Ф. Решетнёва. Красноярск, 2017. С. 636-638.
4. Гордовенко М. А., Михнёв М. М. Исследование повышения стойкости монолитных твердосплавных концевых фрез производства АО «ИСС» с износостойким покрытием // Решетневские чтения : материалы XXI Междунар. науч. конф. (08-11 ноября 2017, г. Красноярск) : в 2 ч. / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова ; СибГУ им. М. Ф. Решетнева. Красноярск, 2017. С. 485-487.
5. Мешкас А. Е., Макаров В. Ф., Ширинкин В.В. Технологии, позволяющие повысить эффективность обработки композиционных материалов методом фрезерования // Известия ТулГУ. Технические науки. 2016. Вып. 8. Ч. 2. С. 291-299.
References
1. Khalimanovich V. I. et al. [Communication and navigation satellite honeycomb panels. Experience in desing and manufacturing]. Effektivnost sotovykh kon-struktsii v izdeliyakh aviatsionno-kosmicheskoi tekhniki [Efficiency of aircraft/spacecraft honeycomb structures]. 3rd international workshop package, Dnepropetrovsk, May, 27-29, 2009. Ukr. NII tekhnologii mashinostroe-niya. Dnepropetrovsk, 2009. P. 161-171.
2. Bulanov I. M., Vorobej V. V. Tehnologija raketnyh i ajerokosmicheskih konstrukcij iz kompozicionnyh mate-rialov [Technology of rocket and aerospace designs from composite materials] : Ucheb. dlja vuzov. M. : Izd-vo MGTU im. N. Je. Baumana, 1998. 516 p.
3. Melnik A. M., Kochetkova S. S. [Innovations in the field of manufacture of a machining tool for milling of honeycomb panels]. Мaterialy XXI Mezhdunar. nauch. konf. "Reshetnevskie chteniya" [Materials XXI Intern.
Scientific. Conf "Reshetnev reading"]. Krasnoyarsk, 2017. P. 636-638 (In Russ.)
4. Gordovenko M. A., Mihnev M. M. [Research of increasing tool life of the solid carbide end mills with wear-resistance coating manufactured by JSC «ISS»]. Мaterialy XXI Mezhdunar. nauch. konf. "Reshetnevskie chteniya" [Materials XXI Intern. Scientific. Conf "Reshetnev reading"]. Krasnoyarsk, 2017. P. 485-487 (In Russ.)
5. Meshkas A. E., Makarov V. F., Shirinkin V. V. Tekhnologii pozvolyayushchie povysit ehffektivnost obrabotki kompozicionnyh materialov metodom frezero-vaniya [Technology improves the processing of composite materials by milling]. Izvestiya TulGU. Tehnicheskie nauki. 2016. Vyp. 8. Ch. 2. P. 291-299.
© Мельник А. М., Двирный В. В., 2018
