CC BY
97
УДК 629.7
ЛАЗЕРНАЯ РЕЗКА ИЗДЕЛИЙ ИЗ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ
В. К. Щеглов, Д. С. Вершинин, Я. Я. Волкова, М. С. Руденко
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: vladimir-scheglov@mail.ru
Рассмотрены способы резки композиционных материалов, описываются недостатки и преимущества каждого метода. Описывается эксперимент для определения эффективности лазерной резки композиционных материалов.
Ключевые слова: композиционные материалы, механическая обработка, лазерная резка. LASER CUTTING PRODUCTION OF COMPOSITE MATERIALS V. K. Shcheglov, D. S. Vershmm, Y. Y. Volkova, M. S. Rudenko
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation Е-mail: vladimir-scheglov@mail.ru
We consider the methods of cutting composite materials in the article, describe the shortcomings and advantages of each method. We also describe an experiment to determine the efficiency of laser cutting of composite materials.Keywords: composite materials, machining, laser cutting.
Keywords: composite materials, machining, laser cutting.
В настоящее время конструкции моделей ракет содержат большое количество элементов, изготовленных из композиционных материалов, таких как углепластики и стеклопластики. Это вызвано прочностными характеристиками и снижением веса относительно использования других материалов. Наряду с преимуществами применения КМ в конструкциях моделей ракет существует и ряд недостатков. Одним из таких недостатков является сложность обеспечения точных размеров деталей, получаемых в процессе резки из листового КМ, а также обеспечения качественной кромки деталей. Поэтому возникает необходимость в обеспечении качества резки деталей из композиционных материалов.
Анализ показал, что резку листового КМ можно осуществлять с помощью следующих технологических процессов:
1. Операциями механической обработки при помощи вращательного режущего элемента - фрезерование, сверление.
Чаще всего резка деталей из листового материала осуществляется на фрезерных станках пальчикового типа, так как они просты в управлении и обладают высокой производительностью. Скорость резки составляет обычно не выше 5 м/с [2]. Недостатками данного метода являются:
1. Отсутствие требуемой точности реза. Фрезерный станок обладает большой погрешность при вырезании деталей (±0,5 мм).
2. Качество реза. Обрабатываемый край детали получается шероховатый со сколами и растрескиваниями, требуется дальнейшая доработка края детали и полировка.
3. Нагрев обрабатываемой поверхности, требующий дополнительного охлаждения (использование сжатого воздуха или смазывающе-охлаждающих жидкостей).
4. Расслоение материала при больших оборотах фрезы.
Главной причиной сложности механической обработки КМ является их низкая теплопроводность, которая не позволяет теплу распределятся по всему материалу, что приводит к быст-
Секция «Проектирование и производство летательньк аппаратов, космические исследования ...»
рому нагреву как места реза, так и самого режущего элемента. Резка фрезой слоистых КМ затрудняется тем, что компоненты КМ имеют разные характеристики.
2. Операциями механической обработки - отрезание на ножницах, вырубка.
Данный метод включает использование таких режущих инструментов, как ножницы или гильотина [2].
Достоинствами данного метода является:
1. Качественная кромка изделия.
2. Простота (из всех рассматриваемых методов самый простой и менее трудозатратный).
3. Дешевизна метода, данный метод намного дешевле прочих.
Однако данный метод имеет один большой недостаток - невозможность изготовления деталей сложных контуров, что не позволяет использовать его в постоянном производстве (возможно изготовление лишь простых деталей). Важным недостатком также является человеческий фактор, из-за которого невозможно изготовление нескольких одинаковых деталей.
3. Электрофизическими методами - лазерная, электроннолучевая резка.
Электрофизические методы обработки композиционных материалов основаны на использовании явлений, возникающих под действием электрического тока, для удаления материала или изменения формы заготовки. Лазерная резка осуществляется при помощи лазера высокой мощности. Сфокусированный лазерный луч обеспечивает высокую концентрацию энергии и позволяет разрезать материал [1].
К достоинствам данного метода можно отнести:
1. Высокая точность кромки.
2. Возможность обработки деталей со сложным профилем.
3. Малые зоны термического влияния.
4. Возможность выполнения резки и сверления на одном станке и без повторного крепления заготовки.
Недостатки:
1. Высокая стоимость лазерного оборудования.
2. Сложность оборудования, при недостаточном внимании приводящая к частым неисправностям.
Для определения возможности резки деталей из композиционных материалов в работе были проведены экспериментальные исследования. В качестве лазерного оборудования был использован лазерный станок КашасИП с газом С02 лазером мощностью 90 ватт.
В качестве экспериментального материала были использованы образцы - три пластины из стеклопластика с использованием отвердителя полиэтиленполиамина и стеклоткани толщиной 0,27 мм. Изготовлены пластины были методом ручной выкладки [3]. Первая пластина была изготовлена из двух слоев стеклоткани (толщина 0,65 мм), вторая из трех (толщина 0,95 мм), третья из четырех (толщина 1,25 мм).
Для того чтобы проверить эффективность резки наших композиционных материалов лазером, были проведены испытания на трех различных скоростях реза для каждой из пластин разной толщины. На основе результатов реза составлена таблица зависимости требуемой для разрезания мощности от скорости резки (см. таблицу).
Зависимость требуемой мощности лазера от толщины материала
Скорость резки Толщина пластины
2 слоя 3 слоя 4 слоя
5 мм/с 40 % 60 % 85 %
7 мм/с 50 % 75 % 90 %
9 мм/с 60 % 85 % 95 %
По таблице мы видим изменение мощности, необходимой для разрезания каждой пластины, в зависимости от толщины материалы и скорости лазера (см. рисунок).
Мощность
100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10%
2 слоя 3 слоя 4 слоя
Толщина пластины
5 мм/с > 7 мм/с > 9 мм/с
Зависимость мощности лазера от толщины КМ
После анализа теоретических сведений и проведения эксперимента стало ясно, что лазерное оборудование подходит для резки композиционных материалов (а именно - стеклопластика), обладает качествами, необходимыми для обработки КМ.
Среди КМ распространен углепластик - КМ на основе углеволокна и полимерных смол, по своим характеристикам он превосходит прочие композиционные материалы. При обработке углепластиков также встаёт вопрос о методах его обработки (в частности, резки). В будущем планируется провести серию экспериментов в этом направлении.
Библиографические ссылки
1. Новицки М. Лазеры в электронной технологии и обработке материалов : пер. с польск. Д. И. Юренкова. М. : Машиностроение, 1981. 152 с., ил.
2. Батаев А. А., Батаев В. А. Композиционные материалы: строение, получение, применение : учебник. Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2002. 384 с. Сер. Учебники НГТУ.
3. Борисова Е. М., Пряничников Р. А., Руденко М. С. Разработка технологии изготовления корпуса модели ракеты [Электронный ресурс] // Актуальные проблемы авиации и космонавтики : материалы XXIII Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. Дню космонавтики (10-14 апреля 2017 г., Красноярск) : в 3 т.
© Щеглов В. К., Вершинин Д. С., Волкова Я. Я., Руденко М. С., 2018
