CC BY
213
УДК 621.923.4
ТЕХНОЛОГИИ, ПОЗВОЛЯЮЩИЕ ПОВЫСИТЬ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ОБРАБОТКИ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ ФРЕЗЕРОВАНИЯ
А.Е. Мешкас, В.Ф. Макаров, В.В. Ширинкин
Данная работа направлена на представление основных проблем, возникающих при механической обработке (сверлении, разрезке, точении, фрезеровании) деталей из современных высокопрочных полимерных композиционных материалов, применяемых в машиностроении.
Ключевые слова: полимерные композиционные материалы, качество, сверление, гидроабразивная резка, разрезка, точение, фрезерование, дефекты, анизотропия свойств, волокна, режущий инструмент, стойкость инструмента.
Среди новых материалов в последнее время большое внимание уделяется широкому использованию композиционных материалов. Объемы использования ПКМ во всех странах увеличиваются. Производство композитов в США с 2000 - 2014 увеличивалось 35...40 % ежегодно и сегодня продолжается аналогичная динамика. Очень быстро увеличиваются темпы производства деталей из композитов в странах азиатско-тихоокеанского региона, таких как Индия, Китай, Тайвань, Вьетнам и др. Вышли в лидеры по производству композитов такие страны как Китай и Индия. Объем продаж композитов из этих стран только за 2013 год составил более $70 млрд., прогноз до 2023 года предусматривает рост на 4,6 % ежегодно [1]. Российский рынок производства композитов характеризуется преобладающей долей стекловолокна, она составляет около 130 тыс. тонн в год, причем 80% этого объема это импорт. Но имеются огромные перспективы по росту производства композитов и их применения. Например, в отечественных судах доля ПКМ составляет 0,1 % тогда как в мире этот показатель равен 68 %. В основном ПКМ в нашей стране используется в сегментах авиации, космоса и ядерной энергетики. Учитывая влияние западных санкций, перспективным является развитие производства отечественных материалов для создание ПКМ, а также внедрение современных производственных линий для изготовления изделий из ПКМ и их обработка, на финишных операциях.
Целью данной работы является выявление механизмов взаимодействия между режущим инструментом и материалами подвергающимся обработке. А так же изучение основных проблем механической обработки и пути их решения, возникающие при изготовлении узлов реверса перспективного двигателя ПД-14. Также сегодня идет замена звукопоглощающих конструкций из титана двигателя ПС-90 на звукопоглощающие конструкции из ПКМ.
Изучив подробнее используемые материалы на двигателе ПД-14. Более чем на 90 % узлы реверса двигателя ПД-14 изготавливаются из высокопрочных композиционных материалов, таких как препрег из углепластика ВКУ-29 ТУ 1-595-11-1352-2012, ВКУ-39 ТУ 1-595-11-1352-2012 и препрег из стеклопластика ВПС-48/7781 ТУ 1-595-10-1380-2013. Применение этих материалов обусловлено тем, что стеклопластиковые и углепла-стиковые ПКМ образованы комбинацией волокон (стеклянных или углеродных) и полимерной матрицы. Волокна легкие, жесткие и прочные, они обеспечивают наибольшую жесткость и прочность. Полимерная матрица связывает волокна вместе, таким образом, перераспределяет нагрузки армированных волокон, и обеспечивает защиту волокон от воздействия внешней среды. Примеры применяемых конструктивных решений представлены на рис. 1.
Рис. 1. Примеры конструкции композиционных материалов на основе стекловолокнитов и углерод-углеродных материалов
Известно, что композиционный материал представляет собой комбинацию из разнородных и нерастворимых друг в друге компонентов, соединяемых между собой в единое целое за счет адгезионного взаимодействия на границе их раздела. В зависимости от типа матрицы все многообразие композитов можно разделить на четыре группы полимерные (ПКМ), металлические (МКМ), керамические (ККМ) и углерод-углеродные (УУКМ). Наиболее прочными и хорошо освоенными являются композиционные материалы, армированные непрерывными стеклянными, арамидны-ми, углеродными, борными и металлическими волокнами (рис. 2) [2].
Рис. 2. Примеры структур стеклопластика
Особенности структуры и свойств, а также специфика композиционных материалов, как объекта обработки резанием выделяет их в особую группу труднообрабатываемых материалов, которая характеризуется
292
своими закономерностями протекания процесса резания [3]. Сегодня становится ясно, что невозможно напрямую эффективно использовать традиционные рекомендации и методы, изученные еще профессором Тиме И. А., применяемые при обработке резанием труднообрабатываемых сталей и сплавов [2].
При механической обработке (сверлении, обрезке, перфорации, точении и фрезеровании) деталей из углепластика и стеклопластика возникают дефекты, такие как отслоение и вырыв волокна. Из-за данных дефектов резко сокращаются силы, противодействующие усталостным напряжениям, что в целом снижает ресурс конструкции и увеличивает вероятность появления отказа оборудования. Среди дефектов, полученных в результате сверления, отслоение является основным. Как указывают Wong T.L. и др. [4], а также Stone R. и др. [5], в авиационной промышленности отказ деталей из-за расслоения, состоящих из углепластиков, обусловленных процессами сверления и фрезерования достигают до 60 %. Это, прежде всего, связано с обеспечением качества обработанной поверхности и точности размеров. Основные дефекты поверхности композиционного материала при воздействии режущего инструмента следующие: неравномерная шероховатость; большая волнистость; вырывы и сколы на торцах; расслоение волокна, ворсистость; трещины и царапины; отклонение формы и взаимного расположения поверхностей. Примеры возникающих дефектов при точении и сверлении представлены на рис. 3.
Рис. 3. Примеры дефектов изделий из ПКМ
Чтобы понять причины появления дефектов проведем сравнение процессов резания стали и композиционного материала. Для этого сравним изображения зоны резания металла и композита в виде корней стружек представленных на рис. 4.
Как видно из рис. 4, структура металла на глубине однородна. Впереди режущего клина видна зона пластической деформации - зона сжатия металла, затем зона сдвига элементов стружки и образование сплошной сливной стружки. Со стороны задней поверхности инструмента поверхность металла слегка пластически деформирована.
Рис. 4. Микрофотография корня стружки из стали 40Х (а) и схема деформации (б), полученная при анализе резания композиционного материала ВКУ-39
Сравнивая обработку ПКМ со стружкообразованием при резании металлов, можно и необходимо отметить, что во многом он несет в себе признаки образования элементной стружки и одновременно стружки надлома. Вместе с тем отдельные элементы и частицы удаляемого материала, как правило, остаются связанными между собой обрывками волокон наполнителя, т. е. стружка сходит в виде непрерывной ленты. Формированию стружки сопутствует образование мелких частиц материала и пыли являющейся высокотоксичной и губительной для узлов станка. По мере увеличения ширины площадки износа по задней поверхности инструмента связь между отдельными элементами стружки становится менее прочной. При достижении определенной степени износа стружка начинает распадаться на отдельные мелкие кусочки разной величины. Такой тип стружки характерен для точения, сверления и фрезерования деталей из ПКМ.
Анализ процесса деформации композиционного материала показывает, что в отличие от металла у композиционных материалов наблюдается следующие специфические факторы.
1. Анизотропия свойств материалов, вследствие чего деформации не передаются через слоистую структуру и связующую смолу, а происходит разрушение структуры материала в виде продольных трещин и отделения мелких частиц пыли на передней поверхности инструмента вместо стружки. Рассмотрим подробней механизм передачи напряжений от матрицы к наполнителю в зависимости от его конфигурации. В простейшем варианте, когда полимер армирован однонаправленными непрерывными волокнами и подвергается растяжению в направлении их ориентации, деформация компонентов одинакова и возникающие в них напряжения пропорциональны модулю упругости волокон матрицы. Но такие варианты композиционных материалов редко встречаются. Используются волокна дискретные, с неоднородным распределением напряжений по длине волокна. Напряжение на концах волокна отсутствует, но возникают касательные напряжения на границе волокно-матрица, которые постепенно во-
влекают волокно в работу. Рост растягивающих напряжений в волокне продолжается до тех пор, пока они не достигнут среднего уровня напряжений, наблюдающихся в непрерывном волокне;
2. Высокая твердость и прочностные характеристики стекла и угле-волокна используемого в композиционных материалах препятствуют нормальному процессу резания, вызывают рост силы сопротивления резанию;
3. Высокая твердость наполнителя и его абразивное воздействие на режущий инструмент вызывают его повышенный износ.
4. Низкая теплопроводность композитов, которая существенно влияет на соотношение составляющих теплового баланса при резании в отличии от резания металла. При повышенных температурах, сопровождающих обработку резанием, вызывает нарушение устойчивости и разрушение химических связей молекулярных цепей полимера, появление при-жогов с образованием коксового слоя, выделением газообразных продуктов распада связующего и сопровождается при этом потемнением поверхности материала. Для ответственных узлов изделий ракетно-космической техники и др. это является недопустимым дефектом [6];
5. Высокие упругие свойства композиционных материалов, что вызывает повышенный износ инструмента по задней поверхности из-за интенсивных контактных явлений [7].
Для исследования процессов повышения эффективности лезвийной обработки использовали предложенную Ярославцевым В.М. [8] модель систематизации улучшения процессов резания. Нами были проведены совместно с кафедрой «ИТМ» ПНИПУ исследования проблем обработки ПКМ, были выбраны для изучения два направления: лезвийная обработка ПКМ [9], [10]; процесс обработки ПКМ на гидроабразивной и лазерной установке.
Была произведена резка образцов из ВКУ-29, ВКУ-39 и ВПС-33 на лазерной установке с охлаждения зоны резания азотом. Аналогично производилась резка на установке гидроабразивной резки. Необходимо отметить то, что при резке на установке гидроабразивной резки использовалось меньшее давление подачи воды, чем при резке металла, а так же был произведен слив воды из ванны. Были использованы добавки (присадки), оказывающие водоотталкивающие действие да детали.
При изучении полученных образцов было выявлено следующее:
При гидроабразивной резке.
полностью отсутствуют сколы, вырывы армирующего волокна и трещины на торцах, которые появляются при лезвийной обработке;
почти полностью исчезло выделение токсичных веществ сопутствующих процесс лезвийной обработки на станках токарной и фрезерной группы;
отсутствует износ режущего инструмента, происходит только равномерное использование расходных материалов;
отсутствуют оплавленные участки и подтеки связующего, обусловлено это в первую очередь низкой температурой в зоне резания;
шероховатость обработанной поверхности соответствует установленным требованиям (заявленных в КД );
возможность обрабатывать ПКМ с металлическими армирующими наполнителями (титан, циркон и т.д.);
при получении отверстий полностью исчез дефект отслоения и исчезла усадка стенок отверстий (является основным дефектом при сверлении ПКМ);
повысилась производительность процесса обработки в 1,5 раза, а трудоемкость в нормо-часах снизилась на 40 %;
выявились минусы - это возможность применения только ограниченной номенклатуры деталей по габаритам и форме;
отсутствует возможность открытия глухих, несквозных отверстий. При лазерной резке (с охлаждением азотом).
так же полностью отсутствуют сколы, вырывы армирующего волокна и трещины на торцах, которые появляются при лезвийной обработке;
уменьшилось незначительно выделение токсичных веществ сопутствующих процесс лезвийной обработки (выявилось необходимость применение дополнительной вентиляции);
отсутствует износ режущего инструмента, происходит равномерный износ расходных материалов (газ);
остаются оплавленные участки с подтеками связующего, обусловлено это высокой температуры в зоне резания (необходимо доработать систему охлаждения зоны резания);
шероховатость обработанной поверхности соответствует установленным требованиям;
возможность обрабатывать ПКМ с металлическими армирующими наполнителями;
при получении отверстий полностью исчез дефект отслоения (является основным при сверлении), но появились дефекты на выходе отверстия в виде наплыва (подтека) связующего;
повысилась производительность процесса обработки в 1,7 раза, трудоемкость в нормо-часах снизилась на 60 %;
возможность применение только ограниченную номенклатуру деталей по форме и габаритам;
так же отсутствует возможность открытия глухих отверстий (требуется отдельное изучение).
Соотнесем количество дефектов к количеству изготовленных деталей из препрега ВПС-33. Полученные данные представлены на рис. 5.
Таким образом, на основании полученных результатов можно сделать вывод, о том, что применение установок гидроабразивной и лазерной
резки позволяют повысить качество изготовления деталей из ПКМ (как ячеистых, так и слоистых), а так же повысить производительность в среднем в 1,5 раза.
Количество дефектов
а
1 у ш
1 А А 1 1 1 1 1
I
!□ Лезвийная обработка □Гидроабразивная □ Лазерная |
Рис. 5. Диаграмма соотношения количества дефектов и количества обработанных пятидесяти деталей из препрега ВПС-33
При гидроабразивной резке отсутствует термическая деструкция матрицы, возможность резки конструкций большой толщины. Остается опасность насыщения композита водой, требуется изучение гидрофобных присадок. При лазерной резке малая ширина реза, высокая скорость резки, обработка маложестких деталей. Минусы: Термическая деструкция матрицы, выделение токсичного дыма и пыли.
Важными задачами для решения остаются проблемы связанные с получением глухих отверстий, а также обработка объемных и крупно габаритных деталей. В данной работе рассмотрены и предложены пути и возможности повышения эффективности лезвийной обработки деталей из ПКМ.
Проводя изучение процесса механической обработки ПКМ, было выявлено то, что радиус режущей кромки для обработки деталей из препрега ВПС-33 (0,002...0,003 мм) может применяться в два раза больше, чем при обработке деталей из препрега ВКУ-29 (0,0007...0,001 мм). Влияние размера заднего угла не было выявлено, в среднем он составляет 15°. Скорость резания при обработке деталей из препрега ВПС-33 оптимально составляет 100 м/мин, а для обработки деталей из препрега ВКУ-29 оптимальной является скорость 150...500 м/мин. Величина подачи при обработке деталей из препрега ВПС-33 оптимально составляет 0,05...0,25 мм/об, а для обработки деталей из препрега ВКУ-29 оптимальной является подача 0,01...0,15 мм/об.
При сверлении деталей из ПКМ применяют скорости резания 100...200 м/мин при низких подачах в диапазоне 0,02...0,1 мм/об. А на входе и выходе сверла для устранения расслаивания необходимо снижать величину подачи.
Представленные выше методы обработки позволяют решить задачу повышения производительности при изготовлении изделий за счет применения новых конструкций режущего инструмента, подбора оптимальных режимов резания, изучения термодинамических явлений, что в конечном результате приведет к повышению эффективности, повышению качества и снижению себестоимости.
Полученный опыт при обработке изделий из ПКМ показал, что эффективность обработки можно значительно повысить, если при изготовлении ПКМ учитывать не только требуемые свойства получаемой конструкции, но также как полученный ПКМ будет обрабатываться.
Было выявлено то, что основным способом обработки ПКМ остается лезвийная механическая обработка, способы гидроабразивной резки эффективны, но на всегда подходят (как правило из-за габаритов изделий), а резка на плазменных и лазерных установках не всегда допустима из-за невысокой температуры плавления связующих смол что приводит к выделению токсичных веществ.
При решении задач по повышению эффективности обработки предприятиями совместно с кафедрой инновационных технологий машиностроения ПНИПУ были проведены исследования по таким направлениям, как: обработка ПКМ абразивным трением при сверлении; точение кожухов из ВПС-33 с технологическими заполнителями (парафин, пластмасса, вода).
Список литературы
1. Drilling of Fibre Reinforced Plastic Laminates / L.M.P. Durao, A.G. Magalhaes, A.T. Marques, A.M. Baptista, M. Figueiredo // Materials, Science Forum. 2008. V. 587-588. P. 706-710.
2. Комков М.А., Тарасов В. А. Технология намотки композиционных конструкций ракет и средств поражения: учеб. пособие. М.: Изд-во МГТУ им Н.Э. Баумана, 2011. 432 с.
3. Перепелкин К.Е. Армирующие волокна и волокнистые полимерные композиты. М.: Изд-во Научные основы и технологии, 2009. 658 с.
4. Wong T.L., Wu S.M., Croy G.M. An analysis of delamination in drilling composite materials. // 14 th National SAMPE technology conference. Atlanta, GA, USA, 1982.
5. Stone R., Krishnamurthy K. A neural network thrust force controller to minimize delamination during drilling of graphite-epoxy laminates // Int. J Mach Tools Manuf, 1996.
6. Ярославцев В.М. Высокоэффективные технологии обработки изделий из композиционных материалов/ учеб. пособие. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2012. С. 4-6.
7. Марков А.М. Технологические особенности механической обработки деталей из композиционных материалов // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2014. №7. С. 3-5.
8. Ярославцев В.М. Разработка методологии поиска новых методов обработки и ее практическая реализация // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2007. С. 56-70.
9. Макаров В.Ф., Мешкас А.Е., Ширинкин В.В. Исследование процессов механической обработки деталей авиационно-космической техники из новых композиционных материалов // Вестник ПНИПУ, 2015. С. 14-22.
10. Мешкас А.Е., Ширинкин В.В., Макаров В.Ф. Исследование современных процессов механической обработки деталей авиационно-космической техники из новых композиционных материалов // Новые технологии. Т. 2. Материалы XII Всероссийской конференции, посвященной 70-летию победы. М.:РАН, 2015. С. 65-73.
Мешкас Александр Евгеньевич, начальник производственно-диспетчерского отдела, аспирант, a-meshkasamail.ru, Россия, Пермь, АО «ПЗ «Машиностроитель»,
Макаров Владимир Федорович, д-р техн. наук, проф., академик РАЕ, зам. зав. кафедрой, makarovvapstu.ru, Россия, Пермь, Пермский национальный исследовательский политехнический университет,
Ширинкин Виталий Владимирович, асп., Россия, Пермь, начальник отдела управления качеством, АО «ПЗ «Машиностроитель»
TECHNOLOGY IMPROVES THE PROCESSING OF COMPOSITE MATERIALS
BY MILLING
A.E. Meshkas, V.F. Makarov, V. V. Shirinkin
This paper aims to present the main problems encountered when machining (drilling, cutting, milling) the details of the modern high-olimernyh composite materials used in mechanical engineering.
Key words: processing, polymer composites and rials quality, drilling, water jet cutting, cutting milling defects problem, anisotropy of the properties a cutting tool, tool life.
Meshkas Alexander Evgenevich, postgraduate, Head of Production and Dispatch Department, a-meshkasa mail. ru, Russia, Perm, JSC «PP» Mashinostroitel»»
Makarov Vladimir Fedorovich, doctor of technical sciences, professor, academician of RAE, Deputy head of Department, makarovva pstu. ru, Russia, Perm, Perm National Research Polytechnic University,
Shirinkin Vitaly Vladimirovich, Head of Quality Management, Russia, Perm, JSC «PP» Mashinostroitel»
