CC BY
61
УДК 621.95.025.7
ОБРАБОТКА ОТВЕРСТИЙ В СМЕШАННЫХ ПАКЕТАХ МЕТОДОМ ОРБИТАЛЬНОГО СВЕРЛЕНИЯ
© Н.С. Чащин1, Ю.Н. Иванов2
Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Представлена технология орбитального сверления отверстий с использованием ручной сверлильной машины Novator PM60. Даны описания технических возможностей машины, принципа ее работы, механизма фиксации машины во время работы. Приведены характеристики режущего инструмента. Проведены экспериментальные исследования по обработке отверстий в сплошной заготовке и в заготовке с предварительно просверленным отверстием. Измерены диаметры и исследованы шероховатости отверстий в каждом слое пакета «титановый сплав - полимерный композиционный материал - титановый сплав». Получены зависимости, отражающие влияние наработки инструмента на диаметр и шероховатость отверстий. Определено достижимое качество отверстий, размерная стойкость инструмента; найдены возможные сферы применения данного метода обработки. Даны рекомендации по применению технологии орбитального сверления при сборке авиационной техники. Ключевые слова: орбитальное сверление; смешанный пакет; полимерный композиционный материал; титановый сплав.
ORBITAL DRILLING OF HOLES IN MIXED PACKAGES N.S. Chashchin, Y.N. Ivanov
Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
An orbital hole drilling technology using a hand-drilling machine Novator PM60 is introduced. Technical capabilities of the machine, its operation principle are described as well as a machine holding mechanism when in operation. Cutting tool characteristics are given. Experimental studies have been conducted on drilling holes in a solid billet and a billet with pre-drilled holes. Hole diameters are measured and holes roughness are studied in each layer of the package "titanium alloy - polymer composite material - titanium alloy". The dependencies reflecting the impact of tool accumulated running time on hole diameters and roughness are obtained. Achievable quality of holes and dimensional stability of the tool are determined. Possible application fields for this machining technique are found and recommendations on the use of orbital drilling technology in the assembly of aircraft are provided. Keywords: orbital drilling; mixed packet; polymer composite material; titanium alloy.
Введение
В современном авиастроении важную роль играют легкие и прочные материалы из-за необходимости снижения веса самолета без потери эксплуатационных характеристик. Превосходные свойства полимерных композиционных материалов (ПКМ) и титановых сплавов способствуют все большему увеличению их доли в составе авиационной техники.
Одной из важнейших задач является получение надежных соединений ПКМ с металлическими сплавами (смешанные пакеты, пакеты). В подавляющем большинстве соединения выполняют путем установки соединительных элементов в полученные сверлением отверстия. Надежность этих соединений, прежде всего, зависит от качества отверстия, снижение которого может привести к высоким нагрузкам в соединении, что влечет за собой снижение ресурса или разрушение.
Сверление ПКМ совместно с титановыми сплавами является сложной задачей из-за конфликтующих
условий обработки. Работа в условиях агрегатно-сборочного производства, ограниченный доступ к отверстиям, большие габариты деталей делают возможным применение только ручного сверлильного оборудования. Обычно используется классический подход к обработке отверстий с выполнением операций сверления, зенкерования, развертывания [1-3]. В качестве альтернативы шведская фирма Novator предлагает новый подход к обработке отверстий. К вращению инструмента и осевой подаче добавляется орбитальное движение. Таким образом, инструмент во время работы движется по спирали и фрезерует отверстие. Такой подход реализован в ручных сверлильных машинах Novator PM60. Производитель данного оборудования заявляет ряд преимуществ по сравнению с классическим сверлением: возможность изменения режимов резания для разных слоев пакета в процессе работы, точная подстройка диаметра обрабатываемого отверстия и др.
1Чащин Николай Сергеевич, аспирант, тел.: 89641293774, e-mail: rufle54007@mail.ru Chashchin Nikolai, Postgraduate, tel.: 89641293774, e-mail: rufle54007@mail.ru
2Иванов Юрий Николаевич, старший научный сотрудник научно-исследовательской части, тел.: 89086683438, e-mail: iv_yuriy@list.ru
Ivanov Yuri, Senior Researcher at the Research Department, tel.: 89086683438, e-mail: iv_yuriy@list.ru
Методика испытаний
Обрабатываемые материалы. В качестве образца для исследований был выбран смешанный трехслойный пакет следующего состава:
- 1-й слой - титановый сплав ВТ 6 ОСТ 1.90218-76 толщиной 6 мм;
- 2-й слой - углепластик на основе препрега Hex-ply M21/IMA194 толщиной 16 мм (объемная доля эпоксидной смолы 34%);
- 3-й слой - титановый сплав ВТ 6 ОСТ 1.90218-76 толщиной 6 мм.
Оборудование. Машина для орбитального сверления Novator PM60 (Швеция) - это орбитальная сверлильная установка, включающая в себя шпиндель, механизм радиального смещения, механизм эксцентрикового вращения, осевой механизм подачи. В качестве режущего инструмента используется фреза [4].
Машина для орбитального сверления работает в комплекте с дополнительным оборудованием. Комплекс для орбитального сверления (рис. 1) включает в себя следующие основные компоненты:
- машина для орбитального сверления Novator PM60;
- кондуктор;
- блок питания (обеспечивает машину электричеством, сжатым воздухом со смазкой для пневмодвига-теля, связью с управляющим компьютером, масляным туманом);
- управляющий компьютер;
- пылесос.
Вращение шпинделя машины осуществляется пневматическим двигателем. Частота вращения шпинделя фиксированная, смена шпинделя позволяет изменить частоту вращения (время переналадки 1 час), доступные частоты вращения 1600, 2300, 4500 об/мин. Эксцентриситет шпинделя, отвечающий за диаметр обрабатываемого отверстия, настраивается механически при помощи индикаторного приспособления. Орбитальное движение и осевая подача имеют электрический привод, они задаются в программе и могут изменяться командами управляющей программы. Это позволяет изменять скорость резания (в небольших диапазонах) и подачу в процессе обработки пакета из разнородных материалов [4].
Рис. 1. Комплекс для орбитального сверления
Для закрепления машины и ее ориентации в пространстве, как правило, используются накладные кон-
дукторы. Кондукторные втулки имеют особую конфигурацию (рис. 2). Для автоматизации процесса выбора программы обработки каждая кондукторная втулка может быть оснащена чипом. При установке сверлильной машины в кондуктор происходит считывание информации с чипа и выбор требуемой программы обработки.
Рис. 2. Кондукторная втулка с чипом
Закрепление сверлильной машины осуществляется специальным механизмом, который приводится в действие сжатым воздухом. Машина, установленная в кондукторе, может вращаться вдоль оси втулки и занимать любое угловое положение. После активации механизма зажима машина жестко фиксируется в кондукторе.
Режущий инструмент. При орбитальном сверлении в качестве режущего инструмента используются специальные фрезы. Диаметр фрезы выбирается в процентах от диаметра отверстия и обычно составляет 60-80%. При испытаниях использовалась фреза Sandvik Coromant (рис. 3). Она изготовлена из твердого сплава, имеет алмазное покрытие. Хвостовик фрезы цилиндрический, выполнен большего диаметра по сравнению с режущей частью. Это позволяет повысить жесткость инструментальной наладки и увеличить максимальный передаваемый крутящий момент.
Рис. 3. Фреза для орбитального сверления Эапвч'к ОоготаМ
Основные характеристики исследуемого инструмента приведены в табл. 1.
В шпинделе сверлильной машины фреза закрепляется при помощи термоусадочного патрона с хвостовиком HSK25. В патроне предусмотрен внутренний канал для подвода смазочно-охлаждающего технологического средства (СОТС) через инструмент.
Таблица 1
Характеристики фрезы для орбитального сверления
Характеристика Значение
Материал твердый сплав H10F
Износостойкое покрытие алмазное
Количество внутренних каналов 4
Количество зубьев 4
Диаметр хвостовика, мм 10
Диаметр режущей части, мм 8
Минимальный вылет из патрона, мм 51,5
Общая длина, мм 81,5
Длина режущей части, мм 7
Основные параметры обработки:
- обрабатываемый диаметр отверстий 13,8 Н9;
- охлаждение и смазка: воздух и СОТС Accu-Lube LB 5000 в виде масляного тумана по внутренним каналам инструмента, расход СОТС 0,3-0,5 г/мин;
- режимы резания приведены в табл. 2;
- длительность обработки исследуемого пакета при режимах резания, указанных в табл. 2, составляет 8,7 мин;
- отвод стружки и пыли с помощью системы аспирации через штатный патрубок сверлильной машины.
Таблица 2
Режимы резания фрезы для орбитального
Режим ВТ6 ПКМ Отвод
Скорость резания, м/мин 58 58 58
Подача на зуб, мм 0,05 0,1 0,1
Шаг спирали, мм 0,27 0,48 1
Орбитальная частота вращения, об/мин 11 21 21
Осевая подача, мм/мин 3 10 21
Экспериментальные работы
Основной задачей данного экспериментального исследования было определение достижимого качества отверстий, размерной стойкости инструмента и нахождение возможных сфер применения данного метода обработки.
Обработка всех отверстий, кроме последнего, велась в сплошном материале. Последнее отверстие было обработано в месте предварительно просверленного отверстия меньшего диаметра. При этом оси обрабатываемого и предварительно просверленного отверстий не совпадали (рис. 4).
Испытания продолжались до критического износа инструмента. Всего было обработано 39 отверстий. Визуальное состояние фрезы новой и в конце ее испытаний показано на рис. 5.
В конце испытаний был зафиксирован износ по задней поверхности равный 0,5 мм. Работа инструментом с износом более 0,3 мм сопровождалась зна-
чительными вибрациями и гулом. Наиболее выражен износ в торцовой части инструмента и в районе радиуса на торце. Форма режущих кромок зубьев значительно изменилась из-за износа.
Рис. 4. Схема обработки по предварительно просверленному отверстию
тс
Рис. 5. Новая фреза (слева), фреза после испытаний (справа)
Анализ результатов
Диаметры отверстий. Соответствие диаметра установленным допускам является одним из основных критериев качества отверстий. Диаметры исследуемых отверстий измерялись с использованием коорди-натно-измерительной машины (КИМ) Carl Zeiss CONTURA G2. В титановом сплаве диаметры измеряли в середине слоя, а в слое ПКМ диаметр каждого отверстия был измерен в 2-х сечениях (2 мм ниже верхней поверхности и 2 мм выше нижней поверхности). График, отражающий изменение диаметров отверстий по мере нарастания числа обработанных отверстий, показан на рис. 6.
Из графиков видно, что после 9-ти обработанных отверстий диаметры в титановых слоях выходят за пределы допуска. Это связано с тем, что по мере износа режущей кромки увеличиваются силы резания. Чем больше значение принимают силы резания, тем больше величина отжима инструмента от обрабатываемого материала. По мере увеличения количества обработанных отверстий их диаметр уменьшается.
5 5
S 2 ад гп
Г* £
0
«I
1 ■
I
о
1Л
о о
1Л
о о*
u-l гН Ö
гм о"
♦ ♦.Г" ■ *■ *-. ■ ■■1 ^Iij V1!] i «г-
г-* ■ ■ _
■ ■ ■
25
30
0 5 10 15 20
Количество отверстий
♦ 1-й слой (ВТб) * 2-й слой (ПКМ-вход)
• 2-й слой (ПКМ-выход) ■ 3-й слой (ВТ6) —Граница допуска (ф13,8Н9)
Рис. 6. Графики изменения диаметра отверстий в зависимости от наработки инструмента
35
40
Также из графиков видно, что диаметры отверстий в ПКМ больше диаметров отверстий в слоях титанового сплава, это объясняется тем, что силы резания в ПКМ значительно меньше, чем в титановом сплаве. Поэтому значение величины отжима меньше.
Силы резания, возникающие при обработке каждого слоя титанового сплава, примерно равны, но диаметры отверстий в первом слое титанового сплава имеют меньшее отклонение от требуемого значения. Это связано с тем, что длительность работы в этом слое значительно больше, излишний припуск снимается периферийными режущими кромками фрезы.
Форма отверстий. Конструкторской документа-
цией помимо точности отверстий могут нормироваться погрешности формы, например, отклонение от цилин-дричности.
Для получения данных о форме отверстий были проведены измерения их диаметров на координатно-измерительной машине (КИМ) с шагом 1 мм в осевом направлении. Графики, отражающие изменение диаметров по глубине отверстий, показан на рис. 7.
По результатам измерений замечено, что в слое ПКМ диаметр по глубине отверстия практически не изменяется. По мере увеличения износа диаметр отверстий уменьшается из-за отжима инструмента.
2 4 6 8 10121416 18 2022 24 2628
Координата ■ осевом каправл«ики. мм -Отв№1 — Отв. N° 6
-Отв. N911 --Отв. N8 16
-Отв. N8 21 -»-Отв. № 26
-Отв № 31 -в-Отв. N8 36
-Граница допуск« (Ф13.8Н9)
Рис. 7. Графики изменения диаметра по глубине отверстия
Отверстия в титановом слое, напротив, имеют конусность. По мере износа инструмента величина конусности увеличивается. В третьем слое (титановый сплав) диаметр отверстия на входе больше, чем на выходе. Это объясняется отжимом инструмента, который возрастает по мере увеличения глубины обработки. В первом слое (титановый сплав) диаметр отверстия на входе меньше, чем на выходе. Это объясняется тем, что после перехода от титанового сплава к ПКМ силы резания снижаются, отжим уменьшается, режущие зубья фрезы «подрезают» отверстие в титановом сплаве и увеличивают его диаметр.
Начиная с 6-го отверстия в третьем слое (титановый сплав) наблюдается выход значений диаметра за границу поля допуска. Данную проблему можно частично решить увеличением величины перебега фрезы на 2-3 мм, но это приведет к увеличению машинного времени.
Отверстие № 39 было обработано в месте предварительно просверленного отверстия со смещением. При таком расположении отверстий существует риск возникновения овальности. Для контроля качества отверстия были проведены измерения некруглости в каждом слое смешанного пакета на КИМ. Данные сравнивались с аналогичными измерениями предыдущих отверстий обработанных в сплошном материале.
Сходство значений некруглости и диаметра во всех отверстиях говорит о том, что наличие предварительно просверленного отверстия со смещением не оказывает значительного влияния на качество окончательного отверстия.
Таким образом, метод орбитального сверления можно использовать при необходимости исправления оси отверстий и при обработке отверстий по предварительно просверленным отверстиям.
Шероховатость отверстий. Соответствие шероховатости установленным допускам также является
одним из основных критериев качества отверстий. Обычно к элементам из титанового сплава предъявляются требование к шероховатости не грубее Ra 1,6; для ПКМ максимальное значение шероховатости составляет Ra 5,0-6,3. Шероховатость отверстий в титановом сплаве измерялась контактным методом при помощи прибора Taylor Hobson Form Talysurf ¡200. Измерение шероховатости в ПКМ производилось оптическим методом при помощи интерференционного микроскопа Bruker Contour GT-K1, образцы перед измерением подвергались разрезке.
Графики, отражающие изменение шероховатости стенок по мере нарастания числа обработанных отверстий, показаны на рис. 8.
Из приведенных графиков можно оценить тенденцию изменения шероховатости в разных слоях.
В слоях титанового сплава шероховатость улучшается при увеличении количества обработанных отверстий. Это связано с тем, что скругленные в результате износа режущие кромки выглаживают поверхность отверстия. В диапазоне с 11-го по 21-е отверстие обнаружено ухудшение шероховатости отверстий, вероятно, это связано с возникновением нароста на режущей кромке. Также стоит отметить, что во всех отверстиях в титановом сплаве наблюдаются спиральные риски глубиной от 5 до 15 мкм. Причиной образования рисок является выход инструмента из отверстия.
Закономерности в изменении шероховатости в слое из ПКМ, с увеличением количества обработанных отверстий, не наблюдается. Большинство значений шероховатости лежат в пределах от 3 до 6 Ra. После 30-ти отверстий обнаруживаются единичные выбросы за границу предельных значений шероховатости, это может быть связано со значительным нагревом обрабатываемого материала и термодеструкцией полимерной матрицы.
1-й слой (ВТ6) 3-й слой (ВТб) —Допуск для ПКМ (йаб.З) Рис. 8. Графикит изменения шероховатости отверстий в зависимости от наработки инструмента
Заключение
Твердосплавный инструмент с алмазным покрытием потенциально должен иметь высокую размерную стойкость. Фактически размерная стойкость инструмента при испытаниях не превысила и 10-ти отверстий (отверстие 0 13,8 Н9). При снижении требований к точности до 1Т 10 размерная стойкость инструмента увеличится до 16 отверстий. При 1Т 11 - до 23 отверстий. Причинами такой низкой размерной стойкости являются высокие силы резания при обработке титанового сплава и низкая жесткость инструмента. По мере износа инструмента и роста сил резания возрастает величина отжима от обрабатываемой поверхности, диаметры отверстий соответственно уменьшаются. Повышение стабильности диаметров отверстий может быть достигнуто путем использования инструмента большего диаметра, обладающего большей жесткостью.
Для обработки пакетов, содержащих титановые сплавы, предпочтение следует отдавать классическому сверлению с использованием ручных сверлильных машин с автоматической подачей (СМАП), так как в этом случае сила резания направлена вдоль оси инструмента и не оказывает значительного влияния на точность отверстий.
Шероховатость отверстий в титановом сплаве в ряде отверстий превышает значение Ра 1,6. Основной причиной этого является наличие в отверстиях спиральных рисок, образованных при выходе инструмента из отверстия. Образование нароста также негативным образом повлияло на качество поверхности.
Значения шероховатости отверстий в ПКМ в большинстве случаев не превышают Ра 6,3; среднее значение Ра 4,5. При сверлении с использованием классических СМАП шероховатость немного лучше, среднее значение составляет Ра 3,5 [1].
С учетом проведенных исследований можно сделать вывод о том, что для обработки титанового сплава орбитальным сверлением необходимо выбирать инструмент максимально возможного диаметра (80% диаметра отверстия) и с минимальным вылетом. При
таком условии размерная стойкость инструмента должна значительно возрасти, а шероховатость обработанных поверхностей улучшиться.
Метод орбитального сверления может иметь преимущества по сравнению с классическим сверлением в следующих случаях:
1. Обработка ПКМ, в том числе в составе пакетов, в которых предусмотрен выход инструмента из ПКМ. В этом случае обеспечиваются минимальные отслоения ПКМ в месте выхода инструмента.
2. Обработка отверстий одного диаметра и одним инструментом в пакетах сильно отличающегося состава. Программная установка подачи для каждого слоя пакета позволяет добиться оптимального соотношения трудоемкость/качество.
3. Обработка серий отверстий разного диаметра одним режущим инструментом. Снижение номенклатуры используемого инструмента способствует уменьшению затрат на инструментообеспечение. Перенастройка на другой диаметр занимает 15-20 мин.
4. Работа в нежестких технологических системах. Например, использование орбитальной установки в качестве рабочего органа робота будет сопровождаться меньшими деформациями технологической системы.
5. Исправление оси отверстия. Метод орбитального сверления не склонен к повторению оси предварительно просверленного отверстия.
Представленная в рамках данной статьи работа проводится при финансовой поддержке Правительства Российской Федерации (Минобрнауки России) в рамах 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.
Статья поступила 29.08.2015 г.
1. Иванов Ю.Н. Сверление отверстий в смешанных пакетах // Известия Самарского научного центра РАН. 2014. Т. 16. № 1 (5). С. 1402-1406.
2. Иванов Ю.Н., Чапышев А.П., Каверзин Е.Я. Экспериментальное исследование влияния теплового расширения обрабатываемых материалов при сухом сверлении отверстий в пакетах структуры «полимерный композиционный материал - титановый сплав» // Вестник ИрГТУ. 2013. № 10 (81).
ский список
С. 36-42.
3. Пикалов А.А. Особенности разделки отверстий в смешанных пакетах КМ-Ti-Al // Известия Самарского научного центра РАН. 2012. Т. 14. № 4 (2). С. 669-676.
4. Whinnem E., Lipczynski G., Eriksson I. Development of Orbital Drilling for the Boeing 787 // SAE Int. J. Aerosp. 2009. № 1(1). Р. 811-816.
