CC BY
102
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
УДК 679; 621.9
КАЧЕСТВО ПОВЕРХНОСТИ ЛИСТОВОГО СТЕКЛОТЕКСТОЛИТА ПОСЛЕ КОНТУРНОГО ФРЕЗЕРОВАНИЯ
В.Н. Лисицин, Н.Н. Трушин
Представлены результаты экспериментального исследования влияния скорости резания и подачи на качество обработанной поверхности при контурном фрезеровании заготовок печатных плат твёрдосплавными концевыми фрезами. Рассмотрены виды дефектов и причины их появления, образующихся после фрезерования слоистого композитного материала. Определены оптимальные значения подачи инструмента и скорости резания исходя из критерия требуемого качества обработанной поверхности.
Ключевые слова: контурное фрезерование, композиционные материалы, стеклотекстолит, качество поверхности.
Фрезерование композиционных материалов является сложным и недостаточно изученным процессом. Как показывает производственный опыт, непосредственный перенос традиционных режимов обработки металлических материалов на композиты невозможен из-за существенного отличия их физических и механических свойств. Композитные материалы обладают повышенной твердостью, что вызывает повышенный износ режущего инструмента.
Печатные платы для радиоэлектронной аппаратуры традиционно изготавливаются из фольгированного стеклотекстолита. К фрезерным операциям над заготовками печатных плат относятся фрезерование плоскостей, уступов, пазов, скосов, а также фасонных поверхностей. При фрезеровании стеклотекстолитов экономическая точность обработки находится в пределах IT 10-12 с получением шероховатости обработанной поверхности Ra=2,5... 6,3 мкм [1, 2].
По сравнению с точением и сверлением процесс фрезерования носит прерывистый характер. Вследствие этого вероятность скалывания обрабатываемого материала на кромках возрастает. Поэтому при выполнении фрезерных операций по обработке стеклотекстолитов необходимо соблюдать следующие рекомендации:
1) при закреплении заготовки необходимо обеспечивать ее плотное прижатие к установочным элементам приспособления или стола станка;
2) вследствие слоистой структуры с целью избегания расслаивания необходимо использовать попутную схему фрезерования;
3) обрабатываемый участок детали должен полностью прилегать к базовой (опорной) поверхности приспособления.
При фрезеровании стеклотекстолитов инструмент из быстрорежущей стали не используется в связи с его низкой стойкостью. Применяются фрезы, режущая часть которых выполнена из твердых сплавов вольфрамо-кобальтовой группы или синтетических алмазов [2].
Метод контурного фрезерования заготовок фасонных печатных плат из стеклотекстолитов является относительно недорогим и универсальным. Этот метод обработки оптимален для опытного, единичного и мелкосерийного производства.
Образцы стеклотекстолита, применяемого для изготовления печатных плат, приведены на рис. 1. Основными свойствами стеклотекстолита как конструкционного материала для печатных плат являются электроизоляционные свойства и эксплуатационная температура.
Рис. 1. Стеклотекстолит: а - фольгированный; б - без фольги
Основные требования к стеклотекстолиту при изготовлении специальной радиоэлектронной техники, работа которой предполагается в полевых условиях и в широком диапазоне температур, - механическая прочность и устойчивость к вибрациям и ударам. В связи с этим к эксплуатационным свойствам печатных плат специального назначения добавляются еще два: прочность на растяжение и прочность на сжатие.
Самыми распространенными инструментами для контурной обработки заготовок печатных плат являются монолитные твердосплавные фрезы типа "Ласточкин хвост" и "Кукуруза". На рис. 2 и 3 представлены
77
примеры фрез указанного типа. С целью поиска оптимальных режимов обработки осуществлялось экспериментальное фрезерование заготовок из стеклотекстолита на специальном станке Schmoll MX, оснащённом системой ЧПУ типа CNC-7 фирмы «Exellon» [4]. В той же работе [4] приведён текст управляющей программы для станка.
Для экспериментов по исследованию качества обрабатываемой поверхности стеклотекстолита были выбраны фрезы с винтовыми режущими кромками, снабженными стружколомающими и стружкоотводящими элементами. Надёжное удаление стружки из зоны резания очень важно для обеспечения качества обработанной поверхности и срока службы фрезы, при этом необходимо было проверить интенсивность отвода стружки, поскольку процесс фрезерования стеклотекстолита происходит без подачи смазочно-охлаждающей жидкости.
I
CBD Series
Рис. 2. Фреза типа CBD
i
RCD Series Рис. 3. Фреза типа RCF
В качестве обрабатываемого композиционного материала в экспериментах использовался фольгированный стеклотекстолит марки СТЭФ-1, широко используемый в отечественной промышленности для изготовления печатных плат. Стеклотекстолит СТЭФ-1 обладает следующими основными физико-механическими свойствами:
- стойкость к кратковременному нагреву 200 °С;
- разрушающее напряжение при изгибе перпендикулярно слоям по основе ткани - не менее 390 МПа;
- разрушающее напряжение при растяжении по основе ткани - не менее 320 МПа [3].
Типичными дефектами после фрезерной обработки печатных плат являются образование кратера при первом касании инструмента заготовки; повреждение токопроводящего слоя прижимным механизмом и рабочей частью стола (что является критичным при производстве радиоэлектронной аппаратуры); разлохмачивание и растрескивание стеклотекстолита. С целью уменьшения вероятности проявления указанных дефектов был использован пакет из нескольких слоев, представленный на рис. 4. Материал верхней и нижней прокладок - стеклотекстолит СТЭФ-1 толщиной 1 мм, материал заготовки - фольгированный стеклотекстолит СТЭФ-1 толщиной 1 мм.
Рис. 4. Схема контурного фрезерования стеклотекстолита: 1 - фреза; 2 - верхняя прокладка; 3 - обрабатываемая заготовка;
4 - нижняя прокладка; 5 - стол станка
Необходимость использования нижней прокладки в приспособлении обусловлена обеспечением гарантированного зазора между инструментом и столом станка. Необходимый отвод тепла из зоны резания происходит с помощью двух воздушных потоков. Первый воздушный поток создает вращение шпинделя, второй воздушный поток создает механизм отвода мелкой стружки. Слой фольги обеспечивает при этом дополнительное рассеивание тепла с поверхности стеклотекстолита.
При фрезеровании стеклотекстолита необходим выбор оптимальной скорости подачи: при слишком малой подаче отдельные режущие кромки не смогут достаточно глубоко проникнуть в обрабатываемый материал, и вместо резания происходит заглаживание материала. При этом возникают перегрев материала в зоне обработки и образование пленки нагара на режущих кромках. При слишком большой величине подачи имеет место резкое снижение стойкости и увеличивается вероятность поломки фрезы. Основные виды дефектов торцевых поверхностей при обработке листового стеклотекстолита представлены в табл. 1.
С целью уменьшения износа режущих кромок фрезы и предотвращения растрескивания материала в начале контура необходимо просверлить отверстие сверлом, равным диаметру фрезы. В некоторых случаях используют нижнюю прокладку в пакете с заранее отфрезерованным пазом, что способствует лучшему отводу стружки и охлаждению инструмента.
Таблица 1
Виды дефектов поверхностей после фрезерования
Наименование дефекта
Образование прижогов
Вырыв волокон
Заглаживание
Растрескивание
Качество фрезеруемой поверхности зависит и от направления фрезерования. Рекомендуется наружные контуры фрезеровать, обходя заготовку против часовой стрелки, а внутренние контуры ("окна") - по часовой стрелке.
В работе [5] показано, что слоистые пластики, армированные стекловолокном, асбоволокном и углеродными волокнами, рекомендуется обрабатывать фрезами с твердосплавными пластинами при скоростях резания от 125 до 300 м/мин и подачах от 0,1 до 0,3 мм/зуб.
В работе [1] режимы резания рекомендуется устанавливать в соответствии с требуемым качеством и производительностью в следующих пределах: подача на зуб - от 0,15 до 0,17 мм/зуб, скорость резания - от 45 до 48 м/мин и глубина резания - от 0,3 до 0,6 мм.
Для использования рекомендуемых режимов обработки в управляющей программе станка и создания таблицы с результатами эксперимента расчёт частоты вращения шпинделя станка и минутной подачи инструмента производился по известным формулам:
п = 1000V/лО, (1)
где п - частота вращения шпинделя, мин-1; V - скорость резания, м/мин; О - диаметр фрезы, мм;
= Б.хп, (2)
где Бт - подача, м/мин; - подача, мм/зуб; г - число зубьев фрезы.
В табл. 2 приведены режимы резания при контурной обработке листового стеклотекстолита концевой фрезой диаметром 2,5 мм. Толщина обрабатываемого пакета составляла 3 мм. В этой же таблице приведены результаты измерения износа режущей части фрезы после каждого пробного прохода. В одном из проходов произошла поломка фрезы вследствие чрезмерной скорости подачи.
Таблица 2
Режимы резания в экспериментальных проходах
Номер эксперимента Обороты шпинделя, тыс. 1/мин Подача фрезы, м/мин Время обработки, мин Износ инструмента, мкм
1 6 2,04 1 40
2 15 3 5 34
3 20 3 5 31
4 25 6 5 33
5 30 3 5 40
6 35 16 1 50
7 38 22,8 1 поломка фрезы
8 30 2,04 10 4
9 30 1,4 10 2
10 30 1 10 4
11 30 1,4 46 10
В ходе экспериментов наблюдалось, что при малых скоростях резания происходят вырывание волокон из материала и быстрый износ режущей части инструмента; при слишком высоких происходит заглаживание обрабатываемой поверхности стеклотекстолита. При низкой подаче происходит также заглаживание поверхности и неизбежно увеличивается время обработки, при увеличении подачи происходит поломка инструмента.
В табл. 3 отображены возможные проявления дефектов при соответствующих режимах и вероятность их появления. Вероятность появления определена опытным путем. При этом вероятность появления растрескивания материала есть всегда и равняется примерно 1 % при соблюдении всех необходимых рекомендаций, описанных выше. Во избежание растрескивания необходимо плавно выходить в точку начала движения инструмента. При этом все равно существует вероятность растрескивания из-за некачественного склеивания слоев материала.
Таблица 3
Возможные дефекты при фрезеровании и вероятность их появления
№ п/п Обороты шпинделя, тыс. 1/мин Подача фрезы, м/мин Вид дефекта Вероятность появления дефекта, %
1 6 2,04 Заглавживание 20
2 15 3 Прижоги 24
3 20 3 Прижоги 31
4 25 6 Заглавживание 48
5 30 3 Прижоги 42
6 35 16 Вырывание волокон 50
7 38 22,8 Вырывание волокон 73
8 30 2,04 Нет 4
9 30 1,4 Нет 2
10 30 1 Нет 4
11 30 1,4 Нет 10
Изучение износа фрез по результатам экспериментальной обработки осуществлялось на лазерном измерительном оборудовании фирмы DMG MORI, оснащённом программным обеспечением Microsoft vision VIO. На рис. 5 и 6 представлены копии экранов, показывающие процесс измерения изношенной режущей части фрезы после фрезерования стеклотекстолита при скорости подачи 1,4 м/мин и частоте вращения шпинделя 30000 1/мин.
На рис. 5 видно, что режущие кромки фрезы имеют сколы; выявлен также неоднородный износ режущей части, обусловленный неоднородностью обрабатываемого материала.
Рис. 5. Визуализация изношенной режущей части фрезы
82
На рис. 6 видно, что минимальный износ режущей части фрезы составил 10 мкм, при этом износ режущей части на первом и четвертом зубе несколько больше, чем у третьего и четвертого, которые непосредственно обрабатывали заготовку.
ОНО МОП! НктМчММ _* • И»- Помш» . X
Функции измерения х о 2 .438 мм www.dmgmort.com
4 Сигма г 140 • 555 мм Спим ОМС635У -г
Максимальные значения Адаптер 2 ВТ40 -г
-
^ Измерит, окно макс [Л Измерит, окно авт. "О; Отраженный свет-ВКЛ Печатать
Настройки
Я>ЫН Принтер гтмкето*
Яишал.1в Вго№»г 01-570
Формат ыиоде Принтер протоколе
тш - РгееРОР
ВаНиН
Отраженной свет Чувствительность камеры
Постпроцессор Н»стройки 3 Каиерл Проходящий свет
Сохранить изображение
5оНига1С ЧЬД2.ЬЬ ^М^-КйВ'СОШТбК X -0,1*0 -1.1И £139.064 -МП
Рис. 6. Замер износа режущей части фрезы
В результате проведённых исследований было установлено, что для цельной твёрдосплавной фрезы типа СББ с четырьмя зубьями и диаметром 2,5 мм при толщине обрабатываемого пакета 3 мм оптимальная скорость резания при подаче 1,4 м/мин составляет 235,5 м/мин. Установленные режимы резания обеспечивают необходимое и достаточное качество поверхности с шероховатостью Яа=40 мкм. Согласно ОСТ 3-1291-82 максимальное значение шероховатости Яа должно быть в пределах от 25 до 50 мкм [6].
Список литературы
1. Лобанов Д.В., Янюшкин А.С., Рычков Д.А. Технологические методы изготовления и выбора режущего инструмента для фрезерования композиционных материалов на полимерной основе // Вестник ЮУрГУ. Сер. "Машиностроение". 2015. Т. 15. № 1. С. 35 - 46.
2. Журавлева Т. А. Технологическое обеспечение качества гидроабразивного резания стеклотекстолитов за счет управления параметрами прошивки: дис. ... канд. техн. наук. Орел, 2015. 171 с.
83
3. ГОСТ 12652-74. Стеклотекстолит электротехнический листовой. Технические условия. М.: ИПК Изд-во стандартов, ФГУП "СТАНДАРТИНФОРМ", 2008. 14 с.
4. Лисицин В.Н., Трушин Н.Н., Мешков И.В. Экспериментальное исследование режимов резания при обработке стеклотекстолита // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2017. Вып. 8. Ч. 2. С. 180 - 189.
5. Корягин С.И., Пименов И.В., Худяков В.К. Способы обработки материалов: учеб. пособие. Калининград, Калининград. ун-т, 2000. 204 с.
6. ОСТ 3-1291-82. Конструкторские нормы. Шероховатость поверхности. Указания по выбору. М., 1983.
Лисицин Владимир Николаевич, асп., itmytrue ainbox.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Трушин Николай Николаевич, д-р техн. наук, проф., trunikolaj@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
THE SURFACE QUALITY OF SHEET GLASS FIBER AFTER MIIIING
V.N. Lisitsin, N.N. Trushin
This paper presents the results of experimental research of influence of cutting speed and feed on surface finish after contour milling by carbide mills the fiberglass workpiece for PCB. The types of surface defects are considered. In paper presents the optimal values offeed and cutting speed based on the criterion of the required quality of the machined surface.
Key words: contour milling, composite materials, glass fiber, surface quality.
Lisitsin Vladimir Nikolaevich, postgraduate, itmytriieainbox.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Trushin Nikolay Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, truniko-laj@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University
