CC BY
1
УДК 621.7 67.05
Б01: 10.24412/2071 -6168-2024-2-446-447
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ МАТРИЧНЫХ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ПОЛИМЕРНЫХ ЛАКОКРАСОЧНЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ
В.Б. Масягин, С.Б. Скобелев, Д.А. Ерофеев, Е.А. Ерофеев
В работе представлены два основных способа механической обработки матричного композитного материала на основе полимерной матрицы: метод лезвийной обработки - фрезерование, а также обработка методом шлифования. Учитывая рекомендации по обработке полимерных композитных материалов, определены рациональные режимы обработки и необходимые параметры (геометрия) режущего инструмента. Получены зависимости шероховатости поверхности от скорости резания при фрезеровании, а также высоты нароста от скорости резания. Предложены рекомендации по устранению дефекта несрезаемости армирующего материала при фрезеровании и шлифовании.
Ключевые слова: матричный композитный материал, фрезерование, шлифование, армирующий материал, несрезаемость, режимы обработки, наростообразование.
При механической обработке матричного композитного материала, полученного в работе [1], следует придерживаться определённых рекомендаций по назначению рациональных режимов, в частности при фрезеровании и абразивной обработке. Матричный композитный материал представляет собой материал, который подвержен плавлению при нагреве во время обработки. При медленном и долгом обрабатывании материал дольше сохраняет состояние твёрдого тела. С увеличением скорости резания при обработке снижается твердость материала, приобретается более вязкое и тягучее состояние. При этом затрудняется работа режущего инструмента, что приводит к образованию нароста в виде налипания вязкого срезаемого слоя.
Например, при раскрое матричного композитного материала с помощью циркуляционных и ленточных пил, маятниковой дисковой пилы или с помощью фрезерования 70 - 80% тепла уходит в стружку, поэтому возникают такие проблемы как плавление стружки в зоне контакта при распиле, а также налипание на инструмент и на обработанную поверхность [2].
В сравнении с обработкой металлов, где с увеличением твердости необходимо увеличивать частоту вращения шпинделя и уменьшать подачу, для обработки матричных композитных материалов, имеющих высокую вязкость, необходимо снижать частоту вращения шпинделя и подбирать подачу экспериментально в зависимости от оборудования [3].
При обработке матричных композитных материалов следует применять способы обработки, применяемые для обработки всех групп композитных материалов, а также цветных металлов (алюминиевые сплавы). При фиксации, закрепления материала в зажимах, струбцинах, тисках, трех кулачковых патронах следует применять прокладочный материал или учитывать дополнительный припуск на обработку во избежание повреждения материала [4].
Полученный в работе [1] матричный композитный материал обрабатывался с помощью фрезерования и шлифования. Производилась обработка торцевой поверхности и фрезерование плоскости с применением фасонной и концевой фрез. Обработка производилась на вертикально-фрезерном копировальном станке с пневматическим управлением, «GШGGO G-80».
Обработка полученного материала фрезерованием идентична методу обработки шлифованием, и представляет собой фрезерование встречное с упором в режущий инструмент, причем заготовка удерживается вручную на плоскости стола. Снимаемый припуск за один проход, определяется конфигурацией инструмента и твёрдостью обрабатываемого материала, и составляет от 1мм до полного снятия.
Обработка производилась по всему периметру детали, прижимы и упоры не использовались (рис. 1, а). В качестве режущего инструмента применялась фреза кромочная (классическая) диаметром 20 мм (рис. 1, б), материал режущей части - твёрдый сплав, параметры углов стандартные (базовые) для данного инструмента: у=5°, а=25°, (6=60°, угол резания 5=85°. Фрезерование боковой поверхности осуществлялось без упора в инструмент.
Рис. 1. Фрезерование боковой поверхности заготовки: а - процесс обработки; б - фреза кромочная профильная, 020 мм
446
Глубина резания составляла не более 1мм, количество проходов зависело от величины припуска на обработку. Частота вращение шпинделя составляла 18000об/мин, что является высокоскоростной обработкой.
Одним из основных параметров при обработке матричных композитных материалов являлся подбор оптимальной частоты вращения шпинделя. Исходя из параметров используемого оборудования, частота вращения шпинделя п, выбиралась из диапазона от 9000 об/мин до 18000 об/мин. С целью подбора оптимальной частоты вращения производилась обработка образцов при следующих значениях: 16000 об/мин, 14000 об/мин, 12000 об/мин, 9000 об/мин. Установлено, что оптимальными режимами обработки являются: частота вращения шпинделя п = 9000об/мин, скорость резания V = 565,2 м/мин, подача на зуб & = 0,31 мм, глубина резания Г = 1 - 2 мм. Число проходов зависит от величины припуска на обработку (не более 2 мм за один проход). Качество обработки поверхности на оптимальных режимах является вполне удовлетворительным.
При проведении визуального осмотра инструмента после 20 минут работы установлено, что фреза во время обработки подвергается изнашиванию в результате плавления стружки при работе на максимальных оборотах. Кроме того, на задней поверхности режущей части образовался фрагмент налипания в виде нароста (рис. 2, а). После 40 минут непрерывной работы произошло скалывание на режущей кромке (рис. 2, б) по причине возможных посторонних включений в состав композитного материала.
Рис. 2. Дефекты режущего инструмента после обработки: а - нарост; б - скалывание
Получена зависимость высоты нароста от времени на обработку. Установлено, что нарост возрастает при увеличении времени обработки до 12,5 минут и максимальный нарост составляет 500 мкм. В дальнейшем, скорость нароста образования снижается и нарост уменьшается с 500 мкм до 200 мкм после 20 минут работы инструмента (рис. 3).
600 | 500 Е, s ? 400 m S ™ 300 VO О g g 200 га z g 100 и ъ £û 0
9 у Время обработки {мин \ >
2,5 5 7,5 10 12,5 15 17,5 20
Матричный КМ 150 300 400 500 450 300 200
Рис. 3. Зависимость высоты нароста от времени на обработку (режимы обработки: частота вращения шпинделя n = 9000об/мин, скорость резания V = 565,2 м/мин, подача на зуб Sz = 0,31 мм, глубина резания t = 1 - 2
мм)
После обработки торцевой поверхности произведено измерение шероховатости с помощью прибора MarSurf PS1. Получена зависимость шероховатости от скорости резания (рис. 4).
Установлено, что минимальное значение шероховатости Ra 0,42 мкм достигается при скорости резания 753,6 м/мин.
Визуальный осмотр обработанной поверхности материала (рис. 5) показал, что поверхность ровная, гладкая, материал обрабатывается без сколов, вырывания, следы срезаемого слоя отсутствуют.
447
Рис. 4. Зависимость шероховатости от скорости резания
Рис. 5. Поверхность после обработки с частотой вращения шпинделя 9000 об/мин
Качество поверхности удовлетворительное - ребристость, скалывание по кромке отсутствуют. Однако, наблюдается повышенное сконцентрированное запыление при обработке. Поскольку материал имеет твёрдую маловязкую структуру, то обработка невозможна без мер защиты органов дыхания. Работа должна производиться только в цеховых условиях, снабжённых системой вентиляции и приточкой свежего воздуха.
При обработке плоскости (рис. 6) композитного материала использовались такие же режимы резания, как при торцевом фрезеровании.
Во время обработки плоскости концевыми фрезами образовалась проблема несрезаемости армированного материала (рис. 7, а). В следствии чего, было принято решение по изменению режимов резания - увеличению оборотов шпинделя с 9000 об/мин. до 18000 об/мин, а также уменьшению подачи. При уменьшении подачи длина несрезаемого слоя заметно уменьшилась, но это не привело к желаемому результату.
Решением проблемы стала смена режущего инструмента, согласно рекомендациям [5], на фрезу концевую z6 Р6М5 ГОСТ 17025 с цилиндрическим хвостовиком. Ось вращения концевой фрезы расположена под прямым углом к плоскости заглубления обрабатываемой поверхности. Основные режущие кромки расположены на боковой цилиндрической поверхности, в следствии чего процесс резания происходит по лини соприкосновения режущих кромок с плоскостью обрабатываемой поверхности.
• шш
' V
Рис. 6. Фрезерование плоскости без упора
448
На торце концевой фрезы также находятся режущие кромки, которые располагаются под углом к оси вращения инструмента. Эти режущие кромки выполняют вспомогательную функцию при обработке. Режущая поверхность концевой фрезы выполняется в виде спиральных и наклонных зубьев, угол наклона составляет в диапазоне 3045° [6].
За счет увеличения количества зубьев, а также за счет угла наклона режущей кромки относительно оси вращения инструмента удалось достичь желаемого результата (рис. 7, б) - армирующий материал подрезался полностью.
Рис. 7. Обработка армирующего материала: а - несрезаемость армирующего материала; б - поверхность с полностью срезанным армирующим материалом
Обработка шлифованием проводилась на станке фрезерного типа ФСШ-1А с подачей заготовки вручную с использованием шаблонов и упорного кольца для обработки поверхностей криволинейной конфигурации (рис. 8, а). Оснастка: головка (барабан) для фиксации абразивного материала 0120мм, высота - 150мм, посадочный диаметр 32 мм. Применяемый инструмент: абразивный гибкий материал (лента шлифовальная) для сухого шлифования. Зернистость абразива Р100, Р600, Р800. Скорость вращения шпинделя (шлифовальный барабан) выбрана минимальная -3000 об/мин в целях безопасности по причине разрыва шлифовальной ленты, при более высоких скоростях.
Рис. 8. Абразивная обработка матричного композитного материала: а - основные движения при обработке;
б - несрезаемость армирующего материала
Поверхность обработанного образца материала, в частности, фоновый материал матрицы, после шлифования приобретает гладкую, ровную структуру: царапины, сколы, выбоины, следы срезания отсутствуют в следствии снижения зернистости абразивного материала (Р100 - Р800). Стружка, образующаяся в процессе обработки, представляет собой дисперсию в виде мелкой пыли [7, 8].
Однако, армирующее наполнение в виде полимерной сетки не обрабатывается шлифованием, приобретая при этом ярко выраженную несрезаемость, обнаруживаемую при визуальном осмотре (рис. 8, б). Одним из путей устранения выявленного дефекта может являться уменьшение подачи заготовки.
Выводы по результатам работы:
1. Исследуемый матричный композитный материал не ограничен в лезвийной обработке, легко подвергается воздействию режущего инструмента. Основные способы обработки — это сверление, фрезерование, точение, шлифование.
2. Установлено, что оптимальными режимами обработки при фрезеровании являются: частота вращения шпинделя п = 9000об/мин, скорость резания V = 565,2 м/мин, подача на зуб & = 0,31 мм, глубина резания Г = 1 - 2 мм. Минимальное значение шероховатости Яа 0,42 мкм достигается при скорости резания 753,6 м/мин.
3. При обработке плоскости фрезерованием для устранения дефекта несрезаемости армирующего материала необходимо увеличить частоту вращения шпинделя до 18000 об/мин и применять фрезу концевую z6 Р6М5 ГОСТ 17025-71 с цилиндрическим хвостовиком.
4. При обработке матричного композитного материала шлифованием оптимальной частотой вращения шпинделя является 3000 об/мин. Для устранения дефекта несрезаемости армирующего материала рекомендуется уменьшение ручной подачи заготовки.
Список литературы
1. Ерофеев Д.А., Чуприн В.В., Аверичев И.Л., Ерофеев Е.А. Получение композитного материала на основе лакокрасочных составляющих // Приоритетные направления развития науки и образования: сборник статей XV Международной научно-практической конференции. Пенза: «Наука и Просвещение» (ИП Гуляев Г.Ю.), 2020. С. 30-38.
2. Кербер М.Л. Полимерные композиционные материалы. Структура. Свойства. Технологии. СПб.: Профессия, 2008. 560 с.
3. Баранчиков В.И., Тарапанов А.С., Харламов Г.А. Обработка специальных материалов в машиностроении: Справочник. Библиотека технолога. М.: Машиностроение, 2002. 264 с.
4. Янюшкин А.С., Рычков Д.А., Лобанов Д.В., Ткаченко Е.В., Ткаченко Н.А. Особенности фрезерования полимерных композиционных материалов // Системы. Методы. Технологии. 2013. № 2. С. 88 - 90.
5. Гапонкин В.А. Обработка резанием. Металлорежущий инструмент и станки. М.: Машиностроение,
1990. 448с.
6. Лобанов Д.В., Яшюшкин А.С. Подготовка режущего инструмента для обработки композиционных материалов: Монография. Братск. Братский университет 2011. 192 с.
7. Абразивные материалы, плоское шлифование. [Электронный ресурс] URL: https://abramat.ru/ploskoeshlifovanie (дата обращения: 13.06.2021).
8. Попов С.А., Малевский Н.П., Терещенко Л.М. Алмазно-абразивная обработка металлов и твердых сплавов. М.: Машиностроение, 1977. 263 с.
Масягин Василий Борисович, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Ро^ия, Омск, Омский государственный технический университет,
Скобелев Станислав Борисович, канд. техн. наук, доцент, skobelew@rambler. ru, Россия, Омск, Омский государственный технический университет,
Ерофеев Евгений Александрович, аспирант, [email protected], Россия, Омск, Омский государственный технический университет,
Ерофеев Денис Александрович, аспирант, denis.erofeev. [email protected], Россия, Омск, Омский государственный технический университет
DETERMINATION OF RATIONAL MODES FOR MECHANICAL PROCESSING OF MATRIX COMPOSITE MATERIALS BASED ON POLYMER PAINT COMPONENTS
V.B. Masyagin, S.B. Skobelev, D.A. Erofeev, E.A. Erofeev
The paper presents two main methods ofmechanical processing ofa matrix composite material based on a polymer matrix: the blade processing method - milling, as well as processing by grinding. Taking into account recommendations for processing polymer composite materials, rational processing modes and the necessary parameters (geometry) of the cutting tool were determined. The dependences of surface roughness on the cutting speed during milling, as well as the build-up height on the cutting speed, were obtained. Recommendations are proposed for eliminating the defect of non-cutting of the reinforcing material during milling and grinding.
Key words: matrix composite material, milling, grinding, reinforcing material, non-cutting, processing modes, build-up formation.
Masyagin Vasiliy Borisovich, candidate of technical sciences, docent, masaginvb@mail. ru, Russia, Omsk, Omsk State Technical University,
Skobelev Stanislav Borisovich, candidate of technical sciences, docent, skobelew@rambler. ru, Russia, Omsk, Omsk State Technical University,
Erofeev Denis Alexandrovich, postgraduate, [email protected], Russia, Omsk, Omsk State Technical
University
Erofeev Yevgeniy Alexandrovich, postgraduate, [email protected], Russia, Omsk, Omsk State Technical
University
