CC BY
378
УДК 621.91.02
А.С. Дударев, канд. техн. наук, доц., (342) 239-15-08, ktn80@mail.ru (Россия, Пермь, ПНИПУ)
КОНСТРУКЦИИ СВЕРЛ И ФРЕЗ ДЛЯ АЛМАЗНО-АБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКИ СТЕКЛОПЛАСТИКОВ И УГЛЕПЛАСТИКОВ
Приведены разработанные конструкции алмазного инструмента для сверления и фрезерования полимерных композиционных материалов
Ключевые слова: полимерный композиционный материал, алмазный инструмент, сверло, фреза, стеклопластик, углепластик.
Международный авиационно-космический салон МАКС в наукограде Жуковском (Московская область) - событие, проходящее раз в два года, дает исчерпывающее представление о приоритетах и достижениях предприятий отечественного и зарубежного авиационно-космического комплекса. МАКС-2011 подтвердил увеличение доли полимерных композиционных материалов (ПКМ) в конструкциях летательных аппаратов (двигатель, фюзеляж, хвостовое оперение и т.д.). Например, в новом турбореактивном двигателе ПД-14 разработки ОАО «Авиадвигатель» (г. Пермь) использование ПКМ планируется довести до 65 %. В самолете Boeing 787 Dreamliner объём ПКМ составляет 50 %, в Airbus A380 - 40 %, в перспективном российском истребителе 5-го поколения Т-50 объём составит 30 %.
В связи с тенденциями расширения применения ПКМ, развивается организация производства ПКМ: технологии, оборудование, инструменты и т.д.
Обработка резанием деталей из ПКМ имеет ряд особенностей:
1. Наличие сколов, разлохмачивания материала, преимущественно, в местах выхода инструмента по причине низкой адгезионной связи наполнителя со связующим.
2. Сложность получения высокого качества обработанной поверхности (необходимой шероховатости), из-за ярко выраженной анизотропии свойств, что требует индивидуального подбора режимов резания и видов инструмента.
3. Низкая теплопроводность материала, обуславливающая плохой отвод теплоты из зоны резания (инструмент поглощает 80-90 % тепла).
4. Абразивное воздействие твердого наполнителя приводит к интенсивному износу инструмента. Помимо абразивного присутствуют и другие виды износа - механический и водородный.
5. Деструкция полимерного связующего при резании. Под действием механических, тепловых нагрузок происходит химическое разрушение наполнителя.
6. Низкая производительность процесса, из-за невысоких скоростей резания, т. к. ограничено применение смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ), поскольку, ПКМ обладают свойствами влагопоглащения.
7. Усадка из-за упругих свойств ПКМ, наличия больших площадей контакта по задней поверхности инструмента.
8. Специфические требования техники безопасности, связанные с выделением летучих токсичных дисперсных частиц материала при резании.
В отечественной и зарубежной литературе практически отсутствуют систематизированные сведения о механической обработке ПКМ, однако для их производства требуется наличие различных конструкций инструмента, рекомендации по выбору режущих инструментов, оборудования и оптимальных режимов обработки.
В настоящее время на предприятиях, специализирующихся на производстве элементов ракетно-космической техники из ПКМ, такие виды механической обработки, как сверление и фрезерование производятся, чаще всего, лезвийным инструментом.
Так для образования отверстий в ПКМ применяют сверла из твердых сплавов с особой геометрией - с подрезающими режущими кромками. Такие сверла производят зарубежные ведущие компании «Sandvik», «Зесо» (Швеция), «Сепп» (Италия), и др. В Российской Федерации сверла с с подрезающими режущими кромками (цельные твердосплавные или оснащенные пластинами из сплавов ВК-6, ВК-8) производят в ограниченном количестве, чаще всего заводы не специализирующиеся на инструменте. Для образования пазов в ПКМ применяют фрезы - роутеры компаний «Сепп» (Италия), «Зесо» (Швеция). Роутеры представляют собой концевые монолитные фрезы с насечкой мельчайших зубьев на цилиндрической и торцевой части.
Вышеперечисленным инструментом возможно обеспечить получение отверстий, пазов 11...12 квалитета точности, с шероховатостью = 20.63 мкм. Дальнейшее повышение точности (9.10 квалитет точности) и качества поверхности (Я^ = 10.20 мкм), а также повышение производительности обработки ПКМ возможно лишь при применении алмазного инструмента.
Использование алмазного инструмента для обработки ПКМ позволит повысить производительность обработки и срок службы инструмента. В то же время алмазное сверление и фрезерование представляет собой абразивную обработку и, поэтому следует ожидать и повышения качества поверхности деталей из ПКМ.
При механической обработке влияние связующего ПКМ сказывается в первую очередь на ограничении интенсивности обработки по температуре в зоне резания. С этой точки зрения наилучшим инструментальным материалом является алмаз. Обладая самой высокой твердостью, алмаз
имеет коэффициент трения по ПКМ значительно меньший, а коэффициент теплопроводности больший, чем у твердых сплавов.
Многие исследователи [5, 8] приходят к выводу, что алмазное сверление и фрезерование ПКМ (таких как стеклопластиков, углепластиков) повышает производительность труда, уменьшает расход режущего инструмента и улучшает качество обработки. Однако, не смотря на эти очевидные преимущества процесс алмазного сверления и фрезерования в производственных условиях широкого применения пока не получил. Основными причинами этого являются отсутствие научно обоснованных рекомендаций по проектированию алмазных сверл, фрез и назначению режимов резания и отсутствие высокоскоростного оборудования. В то же время появление таких ПКМ, как углепластики и их композиции с абразивными частицами угля, находящиеся в обрабатываемом материале, делает практически невозможным обработку твердосплавным инструментом. В связи с этим большинство разновидностей углепластика необходимо обрабатывать алмазно-абразивным инструментом.
Из источников [2, 3, 7] известны конструкции алмазного инструмента (сверла, фрезы) для обработки хрупких материалов, таких как керамика, кварц, стекло и др. Но природа разрушения таких материалов иная, чем у ПКМ, поэтому известные конструкции алмазного инструмента не подходят для их обработки. По этой же причине алмазные кольцевые полые сверла, применяемые в строительстве для обработки отверстий в железобетоне не подходят для обработки ПКМ.
В результате проведенных научно-технических и патентных исследований [5, 6] изучен технический уровень, выявлены основные тенденции развития объектов разработки, отобраны для применения в конструкторско-технологических разработках прогрессивные технические решения и определены лучшие базовые образцы.
На базе выявленных прогрессивных технических решений и установленных лучших базовых образцов автором разработаны новые конструкции алмазных инструментов (сверла, фрезы), приведенные в табл. 1 и табл. 2.
Для обрабатываемых ПКМ: стеклопластиков, углепластиков на основе препрегов, на рабочие поверхности инструмента следует наносить алмазный слой на никелевой связке, метод изготовления - гальваностегия. Порошок алмазный синтетический по ГОСТ 9206-80.
Характеристики зернистости зависят от обрабатываемых диаметров. Выбор величины зернистости является противоречивым: с одной стороны, чтобы обеспечить высокую производительность необходимо назначать крупную зернистость, а с другой, для удовлетворительного качества обработанных поверхностей ПКМ, наоборот, как можно меньшую зернистость. Причем алмазный инструмент, с мелкой зернистостью - засаливается, и быстро выходит из работоспособного состояния.
Таблица 1
Конструкции алмазных сверл
№
п/п
Название, чертеж
Параметры
Назначение
1
Сверло подковообразное □
Б=1...3 мм. Зернистость 100/80
Сверление отверстий диаметрами от 1 до 3 мм
Сверло трубчатое
и 1_)
у
1 /
11 0
Б=4...12 мм; с, е - ширина и глубина двух пазов; f - длина слоя. Зернистость 125/100
Сверление отверстий диаметрами от 4 до 12 мм
Сверло кольцевое
Б=14...20 мм; с - глубина расположения отв.; d6; Ь - ширина паза; d2, d3, d4, d7 - размер конструктивных элементов. Зернистость 160/125
Сверление отверстий диаметрами от 14 до 20 мм
Сверло кольцевое
Б=22...34 мм; с - глубина отв.; d2; Ь - ширина паза; d3, d4, d6 - размеры конструктивных элементов. Зернистость 200/160.
Сверление отверстий диаметрами от 22 34 мм
Сверло корончатое
Б=36...145 мм; d - внутренний диаметр. Зернистость 200/160.
Сверление отверстий от 36 до 165 мм
2
3
4
5
Зернистость инструмента можно подбирать эмпирически, отмечая удовлетворительные показатели качества обработки ПКМ, другим способом выбора зернистости является математическое моделирование процесса алмазного сверления и фрезерования. Но второй способ требует громоздких вычислений, построенных на теории вероятности, поэтому, зернистость выбрана исходя из предварительных опытов обработки ПКМ. От величины зернистости зависит толщина алмазоносного слоя. В литературе [8], приведена формула для определения толщины слоя. Толщину слоя надо учитывать при проектировании алмазного инструмента для определенного номинального размера.
Конструкции алмазных фрез
Таблица 2
№
п/п
Название, чертеж
Параметры
Назначе-
ние
1
Фреза концевая
0=3.20 мм,
h=4__15 мм;
ё1=3_6 мм. Зернистость 160/125.
Обработка шириной от 3 до 20 мм
Фреза концевая
Э=22_30 мм, L=120 мм; 11=40 мм. Зернистость 160/125.
Обработка шириной от 22 до 30 мм
Фреза концевая
0=34_40 мм, L=160 мм; 11=45 мм. Зернистость 160/125.
Обработка шириной от 34 до 40 мм
Фреза пазовая
п=3 _10 мм Зернистость 315/200.
Обработка пазов шириной от 2 до 10 мм. Разрезка листов ПКМ.
2
3
4
Конструкцией инструмента может быть предусмотрена сплошная и прерывистая рабочая поверхность. Сплошная рабочая поверхность инструмента обеспечивает более низкую шероховатость обработанной поверхности ПКМ, но при этом наблюдается высокая теплонапряженность процесса в зоне контакта инструмента с деталью. Применение прерывистой рабочей поверхности позволяет снизить нагрев, улучшить условия удаления шлама, предотвратить засаливаемость, т.е. повысить работоспособность инструмента. Особенностью конструкций разработанного алмазного инструмента является наличие пазов или иных конструктивных элементов для закладки твердых смазок. Число пазов и ширина выбрано с учетом
объема диспергируемого шлама.
Сверла алмазные. В табл. 1 под номером 1, приведена конструкция сверла алмазного подковообразного, с различными диаметрами от 1 до 3 мм. Подковообразные сверла являются одной из конструкций полых сверл малых диаметров [3]. Они удобны в эксплуатации и технологичны в изготовлении (нанесение алмазного слоя методом гальваностегии).
Алмазное подковообразное сверло представляет собой цилиндрический стержень, на его рабочую часть - цилиндрическую и торцевую поверхности нанесен алмазоносный слой. С торца рабочей части инструмента выполнен продольный паз, глубина которого превышает радиус сверла (длина паза принимается не менее 2-4 диаметров сверла). За счёт паза устраняется «нулевая» точка. При сверлении такими сверлами, образуется керн из ПКМ, диаметр которого соответствует ширине паза. Чтобы керн не застревал, выполнен паз с развалом на угол в 14.26°, что на 10.15° больше чем у базового образца, приведенного в [3]. Паз в торцевой части имеет форму подковы (радиус при вершине выбирается в зависимости от наружного диаметра сверла) и служит, в первую очередь, для вывода шлама ПКМ. Преимуществом конструкции является наличие открытой полости на режущей части подковообразных сверл, в отличие от закрытой полости у кольцевых сверл - за счет этого создается возможность для потенциально возможного использования смазочно-охлаждающих технологических сред (СОТС) в виде твердых смазок.
Использование подковообразных сверл с трубчатым корпусом открывает перспективы сверления сверхглубоких отверстий малых диаметров с соотношением длины к диаметру до 1000.
В табл. 1 под номером 2, приведена конструкция сверла алмазного кольцевого, с различными диаметрами от 4 до 12 мм.
Сверло алмазное кольцевое диаметром от 4 до 12 мм с корпусом трубчатой формы. На торцевой и цилиндрической рабочих поверхностях корпуса нанесен алмазоносный слой, длиной достаточной для формообразования отверстия. Основным преимуществом такой конструкции является наличие полости, как в рабочей части, так и в корпусе инструмента, благодаря чему сверло совершает минимальную работу резания. При обработке в середине отверстия образуется керн, диаметр которого равен внутреннему диаметру сверла.
Работающее сверло можно представить как кольцевой круг, вышлифовывающий отверстие своей торцовой поверхностью. Весьма важным фактором, определяющим эффективность работы алмазного сверла, является макрогеометрия и соотношения алмазоносной рабочей части сверла.
В процессе сверления торцовая поверхность алмазоносного слоя сверла выполняет основную работу резания. Цилиндрические поверхности являются калибрующими. Размеры алмазоносного слоя выбирают исходя
из нескольких условий. Увеличение высоты (/) и ширины (Ь) алмазоносного слоя влияет на повышение износостойкости инструмента. Вместе с тем, при уменьшении ширины алмазоносного слоя снижаются осевые нагрузки, объем диспергируемого материала, легче отводится шлам из зоны резания, уменьшаются энергетические затраты, повышается качество обработки ПКМ.
Ширина режущей кромки является важным фактором, влияющим на производительность. Методом прессования или гальваностегии невозможно получить инструмент с малой шириной режущей кромки, поэтому исследования в этой области не проводились, хотя существовало объективное предположение, что уменьшение ширины кромки должно увеличить производительность обработки. Кроме того, согласно патенту на полезную модель РФ № 93715, выполнение фасок с острыми углами (20°-30°-40°) уменьшает образование сколов. Однако, известные методы нанесения алмазного слоя (прессование, гальваностегии) не позволяют наносить с удовлетворительной прочностью алмазный слой, зерна не удерживаются на узкой грани. Поэтому в объекте разработки было принято решение не занижать ширину (Ь).
С целью повышения надежности инструмента и для удаления разрушенной основы алмазного слоя инструмента, шлама ПКМ в торцовой части режущего инструмента выполнены пазы. На сверлах от 4 до 12 мм выполнено два паза шириной по 1.1,2 мм.
В табл. 1 под номером 3, приведена конструкция сверла алмазного кольцевого, с различными диаметрами от 14 до 20 мм.
С целью технологичности изготовления, повышения работоспособности и, надежности инструмента за счет снятия концентрации напряжений, возникающих при обработке и для удаления разрушенной основы алмазного слоя инструмента, шлама ПКМ в торцовой части режущего инструмента выполнены пазы с основанием в форме окружности. На сверлах от 14 до 20 мм выполнено три паза шириной по 1,5____1,6 мм.
Конструкция кольцевых сверл для диаметров от 14 до 20 мм содержит четыре отверстия (диаметрами 6...8 мм), ориентированные в радиальном направлении, для облегчения удаления керна ПКМ из инструмента. Остальное описание конструкции аналогичное № 2 (см. табл. 1).
В табл. 1 под номером 4, приведена конструкция сверла алмазного кольцевого, с различными диаметрами от 22 до 34 мм.
Сверло алмазное кольцевое имеет ступенчатый корпус с кольцевой рабочей частью с нанесенным на ее кольцевую и торцевую поверхности алмазоносным слоем.
С целью повышения надежности инструмента и для удаления разрушенной основы алмазного слоя инструмента, шлама ПКМ в объекте разработки выполнены пазы в торцовой части режущего инструмента. На сверлах от 22 до 34 мм выполнено четыре паза шириной по 1,6_____2,5 мм.
Конструкция кольцевых сверл для диаметров от 22 до 34 мм содержит три отверстия (диаметрами 3...6 мм) в осевом направлении, от торца инструмента, для облегчения удаления керна ПКМ из инструмента.
В табл. 1 под номером 5, приведена конструкция сверла алмазного кольцевого, с различными диаметрами от 36 до 165 мм.
Принципиальное различие конструкции в том, что корпус инструмента разборный. На оправку могут надеваться трепанирующие головки (16 различных головок выполнены с различными диаметрами от 36 до 165 мм), головки закрепляются гайкой. Трепанирующие головки представляют собой коронки с алмазосодержащим слоем. Кроме этого, инструмент содержит штырь, для придания направления и исключения увода оси сверла. Перед работой таким инструментом, необходимо предварительно в ПКМ открывать отверстие диаметром равным диаметру штыря 10 мм.
С целью повышения надежности инструмента и для удаления разрушенной основы алмазного слоя инструмента, шлама ПКМ в объекте разработки выполнены пазы в торцовой части трепанирующих головок. Количество пазов зависит от диаметра сверла, на сверлах от 36 до 165 мм выполнено различное количество пазов шириной 2,5...4 мм.
Для облегчения удаления керна ПКМ из инструмента конструкция кольцевых сверл для диаметров от 36 до 165 мм содержит отверстия (диаметрами 16.35 мм) в осевом направлении, от торца инструмента.
Фрезы алмазные. Конструкции разработанных концевых алмазных фрез (см. табл. 2) являются универсальными, они позволяют прорезать глухие пазы и сверлить отверстия, а также производить контурную обработку изделий из ПКМ.
В табл. 2 под номером 1, приведена конструкция фрезы для образования пазов шириной от 3 до 20 мм.
Фреза состоит из хвостовика цилиндрической формы, рабочей части, представляющей собой цилиндр с четырьмя канавками на торцевой части и четырьмя канавками на цилиндрической боковой поверхности. Глубина и ширина канавок подбирается из условия вывода шлама ПКМ и зависит от ширины обрабатываемого паза. На рабочую часть фрезы нанесен алмазоносный слой методом гальваностегии. Зернистость алмазоносного слоя указана в конструкторской документации, устанавливается в зависимости от требуемого уровня шероховатости обрабатываемой поверхности ПКМ.
В табл. 2 под номерами 2, 3 приведены конструкции фрез для образования пазов шириной от 22 до 40 мм, а также фрезами можно производить контурную обработку изделий из ПКМ.
Фрезы для пазов, шириной от 22 до 40 мм, сборной конструкции -состоят из корпуса оправки и насадки, что позволяет взаимозаменять их. Корпус выполнен с насадной частью (носком) в форме конуса, а с другой стороны корпуса - хвостовик, выполнен в виде цилиндра. Носовая часть
корпуса имеет форму конуса для обеспечения точного центрирования насадки, на конце корпуса выполнен резьбовой элемент. Поверхность конуса шлифована. Насадка представляет собой цилиндр с полой внутренней полостью. Внутри насадки имеется ответная конусная и резьбовая поверхности. На рабочей части насадки выполнено четыре канавки на торцевой части и четыре канавки на цилиндрической поверхности. Глубина и ширина канавок зависит от ширины обрабатываемого паза, то есть зависит от объемов эвакуации диспергированного шлама ПКМ. Кроме этого, в торцевой части насадки выполнены четыре сквозные отверстия. В корпусе оправки открыто сквозное отверстие. Такая конструкция фрезы - со сквозными внутренними каналами - позволяет откачивать пылевую и угольную взвесь, образующиеся при обработке ПКМ.
В табл. 2 под номером 4, приведена конструкция фрезы для образования пазов шириной от 2 до 10 мм и предназначена для разрезки листового материала ПКМ. Фреза состоит из хвостовика цилиндрической формы, рабочей части, представляющей собой цилиндр с четырьмя канавками на цилиндрической боковой поверхности. Глубина и ширина канавок подбирается из условия вывода шлама ПКМ и мало зависит от ширины обрабатываемого паза.
На рабочую часть алмазного инструмента нанесен алмазоносный слой, методом гальваностегии. Зернистость алмазоносного слоя указана в конструкторской документации, устанавливается в зависимости от требуемого уровня шероховатости обрабатываемой поверхности ПКМ.
Объекты разработки - новые конструкции инструментов вышли на новый технический уровень по сравнению с наилучшими освоенными в промышленности аналогами и решают технические задачи:
- улучшение качества обработанной поверхности ПКМ (доведение показателя шероховатости до К^=10...20 мкм);
- отсутствие дефектов (заусенцев, сколов, расслоений и др.);
- повышение срока службы инструмента в 1,5 раза.
Следует отметить, что применение созданного алмазного инструмента требует специального оборудования, так как скорости резания, обеспечиваемые станками, обычно применяемыми для обработки лезвийным инструментом стеклопластиков, при работе алмазным инструментом оказываются слишком низкими.
На ряд конструктивных решений, возникших при проектировании алмазного инструмента для ПКМ, поданы заявки на полезные модели РФ.
Работа выполнена в рамках сотрудничества ФГУП НПО «Техно-маш» (г. Москва), ОАО «Пермский завод «Машиностроитель» (г. Пермь) и Пермского Национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) (г. Пермь) по Федеральной космической программе России на 2006-2015 годы (ФКПР-2015).
369
Список литературы
1. Абразивная и алмазная обработка материалов: справочник / под. ред. А.Н. Резникова. М.: Машиностроение, 1977. 391 с.
2. Алмазный инструмент: отраслевой каталог ВНИИалмаз. Сост. Н.А. Колчеманов, Ю.И. Андропов и др. М.: ВНИИТЭМР. 1989. 144 с.
3. Балыков А.В., Цесарский А.А. Алмазное сверление деталей из труднообрабатываемых неметаллических материалов. М.: Машиностроение, 1980. 64 с.
4. Дударев А.С. Особенности конструкций инструмента для алмазно-абразивной обработки полимерных композиционных материалов. Новые и нетрадиционные технологии в ресурсо- и энергосбережении: материалы научно-техн. конф., 19-22.09.2011 г. Одесса - Киев: АТМ Украины, 2011. 222 с.
5. Инструменты из сверхтвердых материалов/Под. ред. Н.В. Новикова. М.: Машиностроение, 2005. 555 с.
6. Каталог ЗАО «Полтавский алмазный инструмент». Полтава, 2010.
98 с.
7. Основы проектирования и технология изготовления абразивного и алмазного инструмента / под ред. В.Н. Бакуля. М.: Машиностроение, 1975. 296 с.
8. Степанов А.А. Обработка резанием высокопрочных композиционных полимерных материалов. Л.: Машиностроение, 1987. 176 с.
A.S. Dudarev
DESIGNS OF DRILLS AND MILLS FOR DIAMOND PROCESSINGS OF POLYMERIC COMPOSITE MATERIALS
The developed designs of the diamond tool for drilling and milling of polymeric composite materials are given.
Key words: polymeric composite material, diamond tool, drill, mill, fibreglass, coal
plastic.
Получено 20.01.2012
