CC BY
14БЕЗОПАСНОСТЬ КРИТИЧЕСКИ ВАЖНЫХ И ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПАСНЫХ ОБЪЕКТОВ
УДК 678.029.34
ВЗАИМОСВЯЗЬ РЕЖИМА МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ С ПРОЦЕССАМИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ДЕСТРУКЦИИ И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА ВЗРЫВОПОЖАРНУЮ ОПАСНОСТЬ
А.Ю. Андрюшкин, кандидат технических наук, доцент; С.А. Мещеряков.
Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова.
Е.Н. Кадочникова, кандидат технических наук, доцент. Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России
Показана взаимосвязь режима механической обработки полимерных композиционных материалов, в частности скорости резания, с процессами термической деструкции обрабатываемой заготовки, со стойкостью обрабатывающего инструмента, а также его влияние на взрывопожарную опасность образующейся при резании стружки. Приведены эмпирические зависимости скорости резания от параметров резания при точении, фрезеровании, сверлении полимерных композиционных материалов.
Ключевые слова: композиционный материал, резание, механическая обработка
RELATIONSHIP OF MACHINING MODE WITH THERMAL DESTRUCTION PROCESSES AND ITS EFFECT ON EXPLOSION AND FIRE HAZARD
A.Yu. Andryushkin; S.A. Meshcheryakov.
Baltic state technical university «VOENMEH» of D.F. Ustinov.
E.N. Kadochnikova.
Saint-Petersburg university of State fire service of EMERCOM of Russia
The interrelation between the mode of mechanical processing of polymer composite materials, in particular cutting speed with the processes of thermal destruction of the workpiece, the machine tool and its influence on the explosion hazard produced during the cutting of chips. Empirical dependences of the cutting speed on the cutting parameters during turning, milling, and drilling of polymer composite materials are given.
Keywords: composite material, cutting, mechanical processing
При производстве изделия из полимерных композиционных материалов (ПКМ) совмещены процессы его формообразования и формирования композиционного материала. Намотка, прессование, литье, экструзия и другие технологические методы дают высокую точность геометрических размеров изделия с высоким качеством поверхности. При этом сборка, стыковка, фиксация деталей и узлов из ПКМ в конструкции требует большого объема механической обработки: точение, фрезерование, сверление, разрезка, шлифование (зачистка), нарезание резьбы. Повышение качества и снижение себестоимости изготовляемых из ПКМ деталей, узлов обусловлено применяемыми при их производстве
технологическими методами. Механическая обработка резанием остается одним из основных технологических методов формообразования при производстве изделий из ПКМ со сложной конфигурацией поверхностей.
Повышение технологических параметров с целью увеличения производительности процесса механической обработки ПКМ приводит к росту опасности возникновения взрывов и пожаров из-за подъема температуры в зоне резания и образования мелкой стружки. Для большинства полимеров температура самовоспламенения аэровзвесей лежит в диапазоне 350-600 °С, аэрогелей - 250-500 °С, при нижнем концентрационном пределе распространения пламени 30-50 г/м3. Отметим, что в зоне резания при высокоскоростной обработке ПКМ температура может подниматься до 300-400 °С и выше [1, 2].
На технико-экономические показатели механической обработки существенно влияет стойкость режущего инструмента, то есть время работы между двумя переточками.
Таким образом, актуальна задача экспериментального определения технологических параметров механической обработки ПКМ, в частности скорости резания, обуславливающей температуру в зоне резания.
При обработке не содержащего абразивного наполнителя ПКМ могут быть применены инструменты из быстрорежущей стали, которые используют для обработки традиционных металлов и сплавов. При наличии в ПКМ абразивного наполнителя инструмент из быстрорежущей стали интенсивно изнашивается и имеет низкую стойкость. Высокую стойкость при обработке ПКМ резанием имеют твердые сплавы. Твердые сплавы разделяют на три группы:
- однокарбидные, содержащие только карбиды вольфрама (группа ВК);
- двухкарбидные, содержащие карбиды вольфрама и титана (группа ТК);
- трехкарбидные, содержащие карбиды вольфрама, титана, тантала (группа ТТК).
Твердые сплавы, например, ВК8, ВК3М, Т5К12В, ТТ10К8Б, обладают высокой
прочностью до 2 000 МПа, рабочая температура составляет до 1 000 °С, что обеспечивает высокую стойкость инструмента. При резании ПКМ стойкость инструментов из твердых сплавов превосходит стойкость инструментов из быстрорежущих сталей (Р9, Р6М5, Р9, Р12) в десятки раз, при этом скорость резания может быть увеличена в несколько раз. Для механической обработки ПКМ перспективно оснащение режущего инструмента твердосплавными пластинками из поликристаллических сверхтвердых материалов, например, металлокерамических твердых сплавов.
Необходимо отметить, что для обработки ПКМ с волокнистым наполнителем необходим остро заточенный инструмент, обладающий хорошей теплоотдачей. Например, на стойкость резцов и качество обработанной поверхности существенно влияет главный задний угол, составляющий 20-30 передний угол - 10-20 угол в плане - 30-45 °, а также радиус при вершине резца не более 1 мм [3-6].
Определение скорости резания при различных способах механической обработки ПКМ. Основные параметры режима механической обработки входят в выражение по определению скорости резания. Эмпирическая зависимость скорости резания ПКМ [3-9]:
С
V =-, (1)
тт • гх • 8У • ви
где С, т, х, у, и - эмпирический коэффициент и показатели степени, зависящие от вида обрабатываемого материала, геометрии режущего инструмента, условий обработки; V - скорость резания, м/мин; Т - период стойкости инструмента, мин; I - глубина резания, мм; £ - подача, мм/об; В - ширина резания, мм.
Специфика выбора параметров режима резания при механической обработке ПКМ заключается в его существенной анизотропности, наличии высокопрочной арматуры, регулярно распределенной по объему полимерной матрицы. Глубина резания I выбирается с учетом припуска на обработку к. Максимальная глубина резания назначается равной
припуску при отсутствии ограничений на точность и шероховатость поверхности. В противном случае припуск снимается за два рабочих прохода: черновой ^=0,75 А и чистовой ^2=0,75 А. Величину подачи £ выбирают с учетом требований к шероховатости поверхности и условий отсутствия сколов и прижогов. Выбор ширины резания В ограничивается жесткостью инструмента, его конструкцией и допустимой мощностью станка.
Рассмотрим наиболее часто применяемые способы механической обработки ПКМ [3-9].
Токарная обработка
Для определения скорости резания при токарной обработке ПКМ применяют аналогичное выражению (1) соотношение, учитывающее подачу, глубину обработки и стойкость инструмента (табл. 1) [2-7]:
С
V
Тт ■ Iх ■ Бу
где V - скорость резания при токарной обработке, м/мин.
Таблица 1. Коэффициент и показатели степени, подставляемые в формулу для расчета скорости
резания V при токарной обработке
Обрабатываемый материал Марка инструментального материала С т X У
Оргстекло ВК8 147 0,38 0,33 0,45
Винипласт ВК8 630 0,74 0,37 0,58
Фторопласт 4 ВК8 3723 1,1 0,36 0,68
Фенопласт К-18-2 ВК6М 554 0,3 0,26 0,38
Волокнит ВК2 204 0,16 0,18 0,2
Гетинакс ВК6М 5640 0,8 0,55 0,55
Текстолит ВК8 2516 0,56 0,7 0,1
Стеклотекстолит ВК2 187 0,18 0,09 0,66
Стеклотекстолит ФН ВК2 476 0,18 0,02 0,09
Стеклопластик ВК8 152 0,49 0,38 0,37
Органопластик ВК8 357 0,31 0,05 0,18
Рекомендуемая стойкость резца Т для быстрорежущих сталей 15, 30, 45, 60, 90, 120 мин; твердых сплавов 60, 90, 120, 150, 180 мин; сверхтвердых материалов 360, 480, 540, 720, 1440 мин.
Фрезерная обработка
На основе выражения (1) для фрезерованной обработки в зависимости от материала инструмента применяют выражения по определению скорости резания (табл. 2): - из быстрорежущей стали [3-8]:
С ■ в034
V = 1 •
уД34 ^0,42 0,13 '
- из твердого сплава [3-8]:
v- 2 ■
C2 ■ D005
j, 0,5 ^ 0,19 0,13 ' - из поликристаллических сверхтвердых материалов (ПСТМ) [3-8]:
v
C3 ■ Dz
Tm ■ tx ■ Sy ■ Bu
где Ci, С2, С3, z, m, x, y, u - эмпирические коэффициенты и показатели степени, зависящие от вида обрабатываемого материала, геометрии режущего инструмента, условий обработки; v - скорость резания при фрезерной обработке, м/мин; D - диаметр фрезы, мм.
В зависимости от условий работы и марки инструментального материала для стандартных фрез установлены зависимости по определению периода стойкости.
Для удобства расчетов числа замен и расхода инструментов на практике применяются следующие значения периода стойкости:
- быстрорежущие фрезы - Т=60, 120, 180, 240 мин;
- твердосплавные фрезы - Т=240, 300, 420, 480 мин;
- фрезы, оснащенные резцами из ПСТМ - Т=480, 720, 060, 1200, 1400, 1680 мин.
Таблица 2. Коэффициенты и показатели степени, подставляемые в формулу для расчета
скорости резания v при фрезерной обработке
Марка обрабатываемого материала Ci С2 С3 т x У u z
Гетинакс 3,24 90 6,81012 3,01 0,48 0,55 0,47 1
Текстолит 4,04 1148 6,11012 2,8 0,47 0,53 0,5 1
Стеклотекстолит 2,61 56,8 5,81012 3,3 0,53 0,5 0,43 1
Конструкционный стеклопластик 4,3 81,5 8,31010 2,6 0,16 0,7 0,8 1
Асбоцемент 1 2,43 7,11010 2,1 0,34 0,46 0,3 1
Углепластики 3,52 8,35 6,5108 3,1 0,41 0,4 0,38 1
Органопластики 1 2,74 6,871012 2,7 0,38 0,53 0,41 1
Боропластики 1 0,75 3,5^ 108 3,4 0,51 0,65 0,44 1
Сверление отверстий
На основе выражения (1) при сверлении отверстий скорость резания определяют по формуле (табл. 3) [3-9]:
C ■ d
v =
к
Tm ■ sy
где V - скорость резания при сверлении, м/мин; С, к, т, у - эмпирический коэффициент и показатели степени, зависящие от вида обрабатываемого материала, геометрии режущего инструмента, условий обработки; ё - диаметр сверла, мм.
Таблица 3. Коэффициент и показатели степени, подставляемые в формулу для расчета скорости
резания V при сверлении отверстий
Обрабатываемый материал Марка инструментального материала С к т У
Гетинакс Р6М5 (ВК8) 51 (2220) 1,26 (1,2) 1,15 (0,78) 0,46 (0,43)
Текстолит Р6М5 (ВК8) 64 (2770) 1,26 (1,2) 1,15 (0,78) 0,46 (0,43)
Волокнит Р6М5 (ВК8) 39,5 (296) 0,82 (0,71) 0,83 (0,60) 0,27 (0,26)
Стеклотекстолит Р6М5 (ВК8) 10,4 (125) 0,60 (1,16) 0,66 (1,24) 0,34 (0,98)
Стеклопластик Р6М5 (ВК8) 12,6 (10,6) 0,14 (1,30) 0,60 (0,08) 0,28 (0,93)
Пресс-материал Р6М5 (ВК8) 17,2 (208) 0,59 (0,71) 0,64 (0,60) 0,26 (0,26)
Фенопласт Р6М5 (ВК8) 21,5 (125) 0,79 (0,71) 0,87 (0,60) 0,32 (0,26)
Асбестоцемент Р6М5 (ВК8) 34,0 (900) 0,46 (1,20) 0,46 (1,05) 0,20 (0,38)
Боропластик ВК8 0,59 0,76 0,58 0,38
Рекомендуемые значения стойкости T сверл:
- для быстрорежущих сталей - 5, 10, 20, 60, 80, 120 мин;
- для твердых сплавов - 45, 60, 90, 120, 150, 180 мин;
- для сверхтвердых материалов - 180, 240, 280, 360, 480, 540 мин.
Таким образом, можно сделать следующий вывод, о том, что режим механической обработки (точение, сверление, фрезерование) в целом и, в частности скорость резания, определяют температуру в зоне резания, которая обуславливает процессы термической деструкции обрабатываемой заготовки, стойкость обрабатывающего инструмента, влияет на взрывопожарную опасность образующейся при резании стружки.
Литература
1. Структура и свойства композиционных материалов / К.И. Портной [и др.]. М.: Машиностроение, 1979. 255 с.
2. Берлин А.А., Гаращенко А.Н., Кульков А.А. Способы и средства обеспечения требуемых показателей пожаробезопасности конструкций из полимерных композитов (обзор) // Пожаровзрывобезопасность. 2019. № 2. С. 9-30.
3. Степанов А.А. Обработка резанием высокопрочных композиционных полимерных материалов. Л.: Машиностроение, 1987. 176 с.
4. Штучный В.П. Механическая обработка пластмасс: справочник. 2-е изд. перераб. и доп. М.: Машиностроение ,1979. 255 с.
5. Общемашиностроительные нормативы режимов резания, норм износа и расхода резцов, сверл и фрез при обработке неметаллических конструкционных материалов (пластмасс). М.: НИИмаш, 1982. 145 с.
6. Братухин А.Г., Боголюбов В.С., Сироткин О.С. Технология производства изделий и интегральных конструкций из композиционных материалов в машиностроении. М.: Готика, 2003. 516 с.
7. Руднев А.В., Королев А.А. Обработка резанием стеклопластиков. М.: Машиностроение, 1969. 120 с.
8. Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов. М.: Машиностроение, 1975. 344 с.
9. Андрюшкин А.Ю., Галинская О.О. Образование и обработка отверстий в производстве летательных аппаратов. СПб.: БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова, 2010. 61 с.
References
1. Struktura i svojstva kompozicionnyh materialov / K.I. Portnoj [i dr.]. M.: Mashinostroenie, 1979. 255 s.
2. Berlin A.A., Garashchenko A.N., Kul'kov A.A. Sposoby i sredstva obespecheniya trebuemyh pokazatelej pozharobezopasnosti konstrukcij iz polimernyh kompozitov (obzor) // Pozharovzryvobezopasnost'. 2019. № 2. S. 9-30.
3. Stepanov A.A. Obrabotka rezaniem vysokoprochnyh kompozicionnyh polimernyh materialov. L.: Mashinostroenie, 1987. 176 s.
4. Shtuchnyj V.P. Mekhanicheskaya obrabotka plastmass: spravochnik. 2-e izd. pererab. i dop. M.: Mashinostroenie ,1979. 255 s.
5. Obshchemashinostroitel'nye normativy rezhimov rezaniya, norm iznosa i raskhoda rezcov, sverl i frez pri obrabotke nemetallicheskih konstrukcionnyh materialov (plastmass). M.: NIImash, 1982. 145 s.
6. Bratuhin A.G., Bogolyubov V.S., Sirotkin O.S. Tekhnologiya proizvodstva izdelij i integral'nyh konstrukcij iz kompozicionnyh materialov v mashinostroenii. M.: Gotika, 2003. 516 s.
7. Rudnev A.V., Korolev A.A. Obrabotka rezaniem stekloplastikov. M.: Mashinostroenie, 1969. 120 s.
8. Bobrov V.F. Osnovy teorii rezaniya metallov. M.: Mashinostroenie, 1975. 344 s.
9. Andryushkin A.Yu., Galinskaya O.O. Obrazovanie i obrabotka otverstij v proizvodstve letatel'nyh apparatov. SPb.: BGTU «VOENMEKH» im. D.F. Ustinova, 2010. 61 s.
