CC BY
33
а)
9/////>/////У/.
б)
Рис. 2. Термодатчик второго типа с указанием положения электропроводного чувствительного припоя: а - в исходном состоянии; б - после срабатывания датчика при повышении температуры
до значений выше сверхдопустимой
Нижний крепежный элемент 4 установлен в корпусе 1 на определенном расстоянии от его дна таким образом, чтобы электропроводный термочувствительный припой 5, обеспечивающий электрическую связь между нижним концом контакта 2 и корпусом в твердом состоянии, после расплавления и стекания под воздействием силы тяжести на дно корпуса создавал
надежный зазор между поверхностью расплава электропроводного чувствительного припоя и торцами контакта.
Разработанная схема термодатчика максимально учитывает сформулированные выше требования в части обеспечения высокого быстродействия, надежности, а также удобства монтажа и эксплуатации.
Библиографический список
1. Пат. 2031469 Российская Федерация, МПК 7Н01Н37/76. 2. Демин В.В. Лабораторный практикум по рудничной ав-Термовыключатель / Маловичко В.В.; Яковлев Л.Н.; Малеев томатике и телемеханике: учеб. пособие для горн. технику-В.С. №92015728/07; заявл. 31.12.1992; опубл. 20.03.1995. мов. М.: Недра, 1990. 212 с.
УДК 621.95.025.7
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕПЛОВОГО РАСШИРЕНИЯ ОБРАБАТЫВАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ СУХОМ СВЕРЛЕНИИ ОТВЕРСТИЙ В ПАКЕТАХ СТРУКТУРЫ «ПОЛИМЕРНЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ - ТИТАНОВЫЙ СПЛАВ»
© Ю.Н. Иванов1, А.П. Чапышев2, Е.Я. Каверзин3
1,2 Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83. 3Иркутский авиационный завод,
Филиал ОАО «Научно-производственная корпорация «Иркут», 664020, Россия, г. Иркутск, ул. Новаторов, 3.
Описано влияние теплового расширения обрабатываемых материалов на точность полученного сверлением отверстия в пакетах состава «полимерный композиционный материал - титановый сплав». Приведены результаты испытаний специализированного инструмента производства Иркутского авиационного завода - филиала ОАО «Научно-производственная корпорация «Иркут» (ИАЗ) для обработки смешанных пакетов. Даны рекомендации по повышению точности отверстий. Ил. 7. Табл. 1. Библиогр. 4 назв.
1Иванов Юрий Николаевич, аспирант, тел.: 89086683438, e-mail: [email protected] Ivanov Yuri, Postgraduate, tel.: 89086683438, e-mail: [email protected]
2Чапышев Александр Петрович, кандидат технических наук, доцент кафедры оборудования и автоматизации машиностроения, тел.: (3952) 405148, e-mail: [email protected]
Chapyshev Alexander, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Machinery and Automation of Mechanical Engineering, tel.: (3952) 405148, e-mail: [email protected]
3Каверзин Евгений Яковлевич, инженер-конструктор отдела механической обработки, тел.: (3952) 323079, e-mail: [email protected]
Kaverzin Evgeny, Design Engineer of the Department of Machining Work, tel.: (3952) 323079, e-mail: kaverzin.evg @ mail.ru
Ключевые слова: сверление; смешанный пакет; полимерный композиционный материал; титановый сплав; тепловое расширение; твердосплавное сверло.
EXPERIMENTAL STUDY OF THERMAL EXPANSION EFFECT OF MACHINED MATERIALS UNDER DRY DRILLING OF HOLES IN PACKAGES OF "POLYMERIC COMPOSITE MATERIAL-TITANIUM ALLOY" STRUCTURE Yu.N. Ivanov, A.P. Chapyshev, E.Ya. Kaverzin
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia. Irkutsk Aviation Plant,
Branch of JSC "Scientific and Production Corporation "Irkut", 3 Novatorov St., Irkutsk, 664020, Russia.
The article describes the effect of machined material thermal expansion on the accuracy of holes produced by drilling in the packages of "polymeric composite material - titanium alloy" composition. It provides the results of testing a specialized tool produced by Irkutsk aviation plant - the branch of JSC "Scientific and Production Corporation "Irkut" for the machining of mixed packages. Recommendations on the improvement of hole accuracy are given. 7 figures. 1 table. 4 sources.
Key words: drilling; mixed package; polymeric composite material; titanium alloy; thermal expansion; carbide drill.
На сегодняшний день в конструкции современных изделий авиационной техники существенно увеличена доля деталей и узлов из полимерных композиционных материалов (ПКМ), что позволяет существенно снизить вес деталей без потери эксплуатационных характеристик. ПКМ представляют собой широкий класс материалов, состоящих из армирующего наполнителя (на основе углеродных, стеклянных и других видов волокон) и полимерной матрицы. Важной задачей является получение надёжных соединений ПКМ с металлическими сплавами (смешанные пакеты, пакеты). В подавляющем большинстве соединения выполняют путём установки соединительных элементов в полученные сверлением отверстия.
Исследованиями, проведёнными рядом авторов [1-3], установлено существенное отличие механизма резания лезвийным инструментом ПКМ и металлических материалов. Если при обработке металлических сплавов процесс является результатом пластических деформаций, то в случае ПКМ имеют место только упругие деформации [3].
Несмотря на достаточную изученность механизмов резания вышеуказанных материалов, при их сов
местной обработке в пакете имеет место ряд существенных технических проблем.
Пластические деформации, наряду с трением, являются причиной повышенного тепловыделения в области контакта режущего инструмента и металлической части пакета. Высокая адсорбционная способность ПКМ не позволяет использовать в процессе сверления смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ). Специфика же выполнения процесса сборки пакетов в большинстве случаев требует совместной обработки отверстий под соединительные элементы. При обработке без СОЖ титановой части пакета температура в зоне резания может достигать 1000°С. Разогретая до высокой температуры стружка при движении по стружечным канавкам сверла может повреждать стенки отверстия в ПКМ из-за наличия в нём полимерной составляющей.
Достаточно широкий диапазон контактных температур, несомненно, оказывает влияние и на точность обработанного отверстия.
Механизм влияния теплового поля при сверлении металла на геометрию обработанного отверстия показан на рис. 1.
а) б) в) г)
Рис. 1. Механизм теплового расширения при сверлении: а - общий вид; б - локальное температурное расширение стенок отверстия; в - срезание припуска со стенок отверстия; г - возвращение в исходное состояние (остывание), сопровождающееся увеличением диаметра
Повышенная температура очага пластической деформации приводит к расширению прилегающей к обрабатываемому отверстию области. Расширение этой области приводит к уменьшению диаметра обработанного отверстия на величину 2Л (рис. 1,6). Происходит увеличение реакции стенок отверстия на заднюю поверхность вспомогательной режущей кромки инструмента. Возрастающие вследствие этого силы трения по вспомогательной задней поверхности приводят к появлению дополнительных источников тепла. Если величины 2Л достаточно для стружкообразова-ния, то данная часть обрабатываемого материала будет срезана со стенок отверстия вспомогательными режущими кромками (рис. 1,е).
После окончания обработки все детали пакета остывают до температуры окружающей среды. Снижение температуры приводит к термическим деформациям 2Л1 обрабатываемого материала в направлении, противоположном направлению деформации в фазе 1. При этом происходит увеличение диаметра обработанного отверстия.
Величина температурной деформации Л1 сопоставима с уменьшением диаметра отверстия при нагреве Л, поскольку остывание обрабатываемого материала по завершению обработки происходит до исходной температуры.
Величина температурной деформации Л вычисляется по формуле
Л=МаЛ,
где Л{ - прирост температуры относительно температуры окружающей среды, а - коэффициент линейного расширения, 1/°^ Л - глубина температурного воздействия.
Для металлической части пакета структуры «ПКМ - титановый сплав» в диапазоне температур 100-200°С величина коэффициента линейного расширения в 18 раз выше аналогичного коэффициента для ПКМ [4]. Таким образом, вышеуказанный механизм теплового влияния на геометрию отверстий в ПКМ-части пакета должен проявляться в наименьшей степени. Кроме того, учитывая, что температура существенно зависит от скорости резания, влияние режима обработки также очевидно.
Для исследования влияния теплового поля на точность отверстий при сверлении пакетов был проведен натурный эксперимент на тестовом трёхслойном образце - пакете структуры «титановый сплав ВТ20 (8 мм) - углепластик на основе препрега HexPly (19 мм) - титановый сплав ВТ20 (8 мм)» (рис. 2).
Рис. 2. Исследуемый смешанный пакет
При проведении эксперимента был испытан комплект свёрл с диаметром рабочей части 9,5 h8 мм, с радиальным биением режущей части не более 0,01 мм из твёрдого сплава группы К40 специальной геометрии главной режущей кромки, спроектированный и изготовленный ИАЗ (рис. 3).
В данный комплект входили сверла с двойной заточкой режущей кромки (угол при вершине 90° и 50°), с тройной заточкой режущей кромки (угол при вершине 90°, 70° и 50°), с параболической заточкой режущей кромки двух типов, а также с заточкой по радиусу.
В качестве технологического оборудования был использован обрабатывающий центр Breton Xceeder 1200 RT HD с системой отвода пылевидных отходов из рабочей зоны. Режущий инструмент был закреплен в цанговом патроне с вылетом 50 мм.
Обработку выполняли без охлаждения до достижения износа по задней поверхности более 0,1 мм. Варьируемыми параметрами в ходе испытаний были скорость резания и подача на оборот. Состояние свёрл по завершению обработки показано в таблице.
А
а)
б)
в)
г)
д)
Рис. 3. Инструмент из твердого сплава производства Иркутского авиационного завода: а - с двойной заточкой; б - с тройной заточкой; в - с параболической заточкой типа 00; г - с параболической заточкой типа 01;
д - с заточкой по радиусу
Результаты испытаний
Тип сверла Число обработанных отверстий Скорость резания V, м/мин Подача 1 мм/об Состояние инструмента в конце обработки
С двойной заточкой (рис. 3,а) 1 5,97 0,075 Скол 0,7 мм, следы перегрева и плавления полимерной матрицы
С тройной заточкой (рис. 3,6) 2 5,97 0,1 Следы перегрева и плавления полимерной матрицы
С тройной заточкой (рис. 3,6) 1 10,45 0,04 Скол 0,5 мм, следы перегрева и плавления полимерной матрицы ¡р
С тройной заточкой (рис. 3,6) 2 10,74 0,05 Следы перегрева и плавления полимерной матрицы
С параболической заточкой типа 00 (рис. 3,е) 32 5,97 0,05 Износ 0,1 мм, небольшие следы плавления полимерной матрицы
С параболической заточкой типа 00 (рис. 3,е) 42 5,97 0,075 Износ 0,1 мм, скол 0,15 мм, следы плавления полимерной матрицы
С параболической заточкой типа 00 (рис. 3,е) 30 8,06 0,075 Износ 0,1 мм, скол 0,4 мм, следы перегрева и плавления полимерной матрицы
С параболической заточкой типа 00 (рис. 3,е) 9 10,74 0,05 Износ 0,1 м и плав м, скол 0,4 мм, следы ления полимерной мг Vш перегрева трицы
С параболической заточкой типа 01 (рис. 3,г) 52 5,97 0,075 Износ 0,1 мм, следы плавления полимерной матрицы
С параболической заточкой типа 01 (рис. 3,г) 41 8,06 0,075 Изно с 0,1 мм, следы плавл полимерной матрицы ения
С заточкой по радиусу (рис. 3,6) 1 5,97 0,05 Инструмент разрушен, следы перегрева
С заточкой по радиусу (рис. 3,6) 1 5,97 0,075 Инструме нт разрушен, следы перегрева
По завершению обработки выполнены измерения обработанных отверстий согласно схеме, показанной на рис. 4.
На рис. 5 и 6 приведены отклонения диаметра обработанных отверстий (среднее значение) от номинального размера сверла (диаметр 9,5 мм) для геометрий свёрл, характеризуемых наибольшей стойкостью (параболическая заточка).
Точность диаметра отверстия в смешанном пакете определяется точностью диаметров в каждом слое. При построении линии тренда на диаграммах диаметров четко прослеживается различие диаметров отверстий в разных слоях. Диаметр отверстия в слое ПКМ, у которого коэффициент теплового расширения близок к нулю, превышает номинальный диаметр сверла в среднем на 5 мкм. Диаметр в верхнем слое титанового сплава больше номинального диаметра сверла на 1030 мкм, что объясняется тепловым расширением и срезанием дополнительного припуска. Диаметр в нижнем слое титанового сплава больше номинального диаметра сверла на 30-50 мкм. Это объясняется увеличением нагрева из-за ухудшенных условий отвода
стружки. Изменение диаметра отверстия в зависимости от количества обработанных отверстий не прослеживается.
Рис. 4. Схема измерения обработанного отверстия
1=11-ВТ20 ^И2-ПКМ ^И3-ВТ20
Линия тренда (1-ВТ20)~~~ Линия тренда (2-ПКМ)-Линия тренда (3-ВТ20)
Рис. 5. Отклонения диаметра отверстий от D=9,5 мм (сверло с параболической заточкой типа 00, скорость резания 5,97 м/мин, подача 0,075 мм/об)
1=11-ВТ20 ^М 2-ПКМ ^3-ВТ20
Линия тренда (1-ВТ20)---Линия тренда (2-ПКМ)-Линия тренда (3-ВТ20)
Рис. 6. Отклонения диаметра отверстий от D=9,5 мм (сверло с параболической заточкой типа 01, скорость резания 5,97 м/мин, подача 0,075 мм/об)
Диаграммы для свёрл с параболической заточкой шем интервале, чем для сверла типа 01. Различие
типа 00 (см. рис. 5) и типа 01 (см рис. 6) имеют харак- этих свёрл заключается в разной форме параболы,
терные отличия. Значения диаметров отверстий в образующей режущую кромку сверла (рис. 7). разных слоях для сверла типа 00 разбросаны в боль-
ТИП
ТИП
Рис. 7. Типы сверл с параболической заточкой
Показанный на рис. 1 механизм теплового расширения объясняет увеличенный разброс диаметров отверстий в разных слоях, обработанных сверлом типа 00. Окончательный диаметр отверстия образует вспомогательная режущая кромка сверла (ленточка). У сверла типа 01 расстояние между поперечной кромкой, где температура при сверлении достигает максимума, и началом ленточки, которая образует окончательный размер отверстия, практически в два раза больше, чем у сверла типа 00. Таким образом, для сверла типа 01 обрабатываемый материал в зоне ленточки подвергается меньшему температурному воздействию, следовательно увеличение диаметра за счет локального теплового расширения металла у стенок отверстия проявляется в меньшей степени. Также стоит отметить, что длина режущей кромки сверла типа 01 (см. рис. 7) больше толщины титановой части исследуемого пакета. Когда ленточка вступает в работу, поперечная кромка уже не работает, а значит, и источника интенсивного нагрева нет.
По результатам испытаний можно дать несколько
рекомендаций по повышению качества отверстий в пакетах состава титановый сплав - ПКМ:
- предпочтительно использовать параболическую заточку режущей кромки, что обеспечивает наилучший баланс стойкости, качества и производительности;
- удлиненная параболическая заточка типа 01 (см. рис. 7), при прочих равных условиях обеспечивает получение отверстий на 20-30% точнее;
- свёрла, у которых длина режущей кромки больше толщины титановой части пакета, дополнительно повышают точность отверстий.
Представленная в рамках данной статьи работа проводится при финансовой поддержке Правительства Российской Федерации (Минобрнауки России) в рамках комплексного проекта «Автоматизация и повышение эффективности процессов изготовления и подготовки производства изделий авиатехники нового поколения на базе Научно-производственной корпорации «Иркут» с научным сопровождением Иркутского государственного технического университета», шифр 2012-218-03-120.
Библиографический список
1. Штучный Б.П. Обработка резанием пластмасс. М.: Машиностроение, 1974. 144 с.
2. Степанов А.А. Некоторые вопросы механики резания высокопрочных композиционных материалов // Перспективы развития резания конструкционных материалов. М.: ЦН НТО машпрома, 1980. С. 254-255.
3. Степанов А.А. Обработка резанием высокопрочных композиционных полимерных материалов. Л.: Машиностроение, 1987. 176 с.
4. Арзамасов Б.Н. Конструкционные материалы: справочник / Б.Н. Арзамасов, В.А. Брострем, Н.А. Буше [и др.]; под общ. ред. Б.Н. Арзамасова. М.: Машиностроение, 1990. 688 с.
УДК 620.178.322.2
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ НА ЦИКЛИЧЕСКУЮ ДОЛГОВЕЧНОСТЬ НИКЕЛЕВОГО СПЛАВА
© Е.Ю. Матвеева1, О.Н. Мерзлякова2
ОАО «Авиадвигатель»,
614990, Россия, г. Пермь, ГСП, Комсомольский проспект, 93.
Приведены результаты экспериментального исследования влияния технологических остаточных напряжений на малоцикловую усталость (МЦУ) образцов из никелевого сплава при температуре 20°С. Получены численные значения коэффициентов регрессии кривой МЦУ по средним и минимальным значениям числа циклов до разрушения. Установлено, что технологические остаточные напряжения оказывают большее влияние на циклическую долговечность при снижении размаха деформации в цикле. Ил. 2. Библиогр. 4 назв.
Ключевые слова: никелевый сплав; технологические остаточные напряжения; образцы; МЦУ.
EXPERIMENTAL RESEARCH OF TECHNOLOGICAL RESIDUAL STRESS EFFECT ON NICKEL ALLOY CYCLIC DURABILITY
E.Yu. Matveeva, O.N. Merzlyakova
«Aviadvigatel» JSC,
93 Komsomolsky pr., Perm, Official Municipal Post, 614990, Russia.
The article presents the results of an experimental research of the influence of technological residual stresses on nickel alloy LCF samples at the temperature of 20°C. The numerical values of LCF regression curve coefficients by average
1Матвеева Елена Юрьевна, начальник испытательной лаборатории прочности материалов и деталей авиационных двигателей, тел.: (342) 2409786, доб. 31008, e-mail: [email protected]
Matveeva Elena, Head of Aero-Engine Components and Materials Structural Testing Laboratory, tel.: (342) 2409786, extension 31008, e-mail: [email protected]
2Мерзлякова Ольга Николаевна, инженер испытательной лаборатории прочности материалов и деталей авиационных двигателей, тел.: (342) 2409786, доб. 31008, e-mail: [email protected]
Merzlyakova Olga, Engineer of Aero-Engine Components and Materials Structural Testing Laboratory, tel.: (342) 24097-86, extension 31008, e-mail: [email protected]
