CC BY
87
УДК 678.8
ОСОБЕННОСТИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
В. А. Вавилин, К. А. Пасечник, А. Ю. Пушкарев, Н. А. Амельченко
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: Vavilin.Vladimir@mail.ru
Рассмотрены особенности механической обработки изделий из полимерных композиционных материалов (ПКМ) на оборудовании с ЧПУ. Указаны проблемы, возникающие при контурной обрезке изделий и формообразовании отверстий. Описываются особенности выбора режущего инструмента и режимов обработки.
Ключевые слова: полимерные композиционные материалы, режущий инструмент, механическая обработка отверстий, режимы обработки.
FEATURES OF MECHANICAL PROCESSING OF POLYMERIC COMPOSITE MATERIALS
V. A. Vavilin, K. A. Pasechnik, A. Yu. Pushkarev, N. A. Amelchenko
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: Vavilin.Vladimir@mail.ru
Features of mechanical processing ofproducts from polymer composite materials (PCM) on CNC equipment are considered. The problems that occur when contour trimming of products and shaping hole are indicated. Features of a choice of the cutting tool and processing modes are described.
Keywords: polymer composite materials, cutting tools, machining of holes, machining modes.
Создание современных конструкций летательных аппаратов (ЛА) неразрывно связано с использованием в качестве конструкционных материалов неметаллических композитов, обладающих высокими физико-механическими характеристиками в сочетании с меньшей массой и стоимостью в сравнении с традиционными металлическими материалами.
Среди основных направлений развития современных материалов и технологий предусматривается создание высокопрочных и высокомодульных конструкционных и функциональных композитов, в том числе гибридного типа на основе различных текстурных мультиаксиальных текстильных форм с высокими физико-механическими характеристиками, сопротивлением к статическим и динамическим нагрузкам, климатическим воздействиям и биоповреждениям [1; 2].
Разнообразие ПКМ - углепластиков, стеклопластиков, органопластиков, карбона и т. п., используемых в проектируемых конструкциях изделий ЛА, требует особого подхода при выборе технологий их получения и обработки, режущих инструментов, технологической оснастки и современных средств контроля качества готовых изделий.
Как известно, основными методами формования ПКМ являются: контактное формование (ручное от напыления, автоматическая выкладка), формование с эластичной диафрагмой (вакуумная инфузия, автоклавное формование), прессование с применением металлических штампов, формование методом пропитки под давлением и др. [3]. Для получения высоких демпфирующих характеристик, выносливости при динамическом нагружении, устойчивости к ударным и эрозионным воздействиям в технологии формования ПКМ применяют различные армирующие мате-
Секция « Технологические и мехатронные системы в производстве ракетно-космической техники»
риалы, например, углеволокно, ткани из арамидных волокон СВМ, Русар и др., а также различные полимерные связующие [4].
Процесс изготовлении деталей самолетных конструкций, телескопических экранов антен-но-фидерных устройств, сотовых панелей, печатных плат вызывает необходимость применения различных видов механической обработки: фрезерования, сверления, лазерной и гидроабразивной резки. При правильном выборе стратегии обработки, режимов резания и конструкции режущего инструмента можно обеспечить получение заданных параметров точности при изготовлении изделий в соответствии с требованиями чертежа.
Практика показывает, что в процессе механической обработки ПКМ склонны к расслоению из-за их слоистости, структурной неоднородности, высокой твердости материала наполнителя, низкой пластичности связующего и др. При фрезеровании контура изделия важно учитывать направление расположения волокон. Необходимо помнить, что встречное фрезерование приводит к повышению шероховатости и разрыву нитей при кромочной обработке. Применение лазерной и гидроабразивной резки для кромочной обработки тоже не обеспечивает достижения желаемых результатов.
Для выполнения сборочно-монтажных операций с применением заклепочных соединений в авиационной промышленности, а также при предварительной сборке сотовых панелей возникает потребность формирования точных отверстий по входным и выходным кромкам с высокими требованиями по чистоте поверхности цилиндрической части, что является чрезвычайно важным с точки зрения надежности, долговечности и работоспособности конструкции. Обычно при сверлении ПКМ часто возникают дефекты на входе и выходе отверстия, обусловленные особенностями силового воздействия сверла на изделие.
На рис. 1 приведены фрагменты повреждений, возникающих при обработке отверстий в изделиях из ПКМ.
а б
Рис. 1. Дефекты, возникающие при обработке отверстий сверлением а - деламинация; б - сколы и непрорезание волокна
Из рис. 1 видно, что на входе наблюдаются расслоения материала, а на выходе - расслоение и непрорезание волокон. Для изделий из ПКМ дефект деламинации не должен превышать более 1 мм от диаметра отверстия. Наличие рваных волокон в отверстии (сколов) вообще не допускается. Поскольку отверстия являются концентраторами напряжений, то такие дефекты способствуют снижению усталостной и динамической прочности конструкций.
В настоящее время инструментальные фирмы предлагают оригинальные технические решения в области конструкции фрез и спиральных сверл для обработки изделий из ПКМ.
На рис. 2 приведены отдельные конструкции фрез и сверл из твердых сплавов, которые используются для кромочной обработки и сверления отверстий в полимерных композициях.
В настоящей работе на производственной площадке ресурсного центра СибГУ им. М. Ф. Решет-нева были проведены испытания отдельных видов режущего инструмента, представленных на рис. 2. Обработка производилась на станках с ЧПУ марки DMU 50 ekoline, Welle rb 312 и Welle AA 1165. В качестве заготовок использовали карбон и образцы ПКМ толщиной 3-5 мм, полученные при формовании основных изделий.
При обрезке кромок заготовок хорошее качество обработки было достигнуто с применением фрезы 010 мм шевронной конструкции (рис. 2, а) и с алмазным покрытием PCD (рис. 2, б). Режимы обработки следующие: скорость резания V = 250-380 м/мин (n = 8000-12000 мин-1), зна-
чение подачи при черновой обработке задавали в пределах 0,04-0,08 мм/зуб, при чистовом резании ¡2 = 0,02-0,04 мм/зуб.
а б в г д е
Рис. 2. Формы режущей части режущих инструментов из твердого сплава для обработки ПКМ: а - фреза шевронной конструкции; б и в - фрезы с поперечными насечками; г - сверло с поднутрением режущей кромки на торце и направляющей частью; д - с двойной заточкой; е - с острой режущей кромкой по диаметру сверла
На основе результатов экспериментов можно заключить, что при обработке некоторых видов углепластика стружечные канавки забиваются обрабатываемым материалом у фрез с поперечными насечками, что затрудняет отвод стружки и ухудшает качество обработки кромок. Кроме того, такие фрезы при отсутствии алмазного покрытия склонны к быстрому затуплению режущих кромок.
Процесс обработки отверстий требует решения ряда технологических вопросов. Во-первых, для сохранения геометрии отверстия и его качественной обработки необходимо снижать усилие и величину подачи на оборот на входе и выходе из отверстия. Во-вторых, для уменьшения расслоения на входе отверстия желательно использовать сверла с двойной заточкой (рис. 2, д), а для прорезания волокон на выходе - сверла с острыми кромками на ленточках инструмента (рис. 2, е). При этом скорость резания должна составлять V = 100-200 м/мин, а подача не превышать значений 0,02-0,08 мм/об. Кроме того, при обработке отверстий малых диаметров обработку желательно производить пакетами.
Библиографические ссылки
1. Каблов Е. Н. Современные материалы - основа инновационной модернизации России // Металлы Евразии : науч.-техн. журн. 2012. № 3. С. 10-15.
2. Железнина Г. Ф. Конструкционные и функциональные органопластики нового поколения // Тр. ВИАМ: электрон. науч.-техн. журн. 2013. № 4. 19 с. [Электронный ресурс]. URL: http://www.wiamworks.ru (дата обращения: 03.04.2018).
3. Каблов Е. Н. Композиты: сегодня и завтра // Металлы Евразии : науч.-техн. журн. 2015, № 1. С. 35-39.
4. Особенности технологии изготовления деталей из композиционных материалов методом пропитки под давлением / Л. В. Чурсова, М. И. Душин, А. В. Хрульков и др. // Композиционные материалы в авиакосмическом материаловедении : сб. тез. докл. межотрасл. науч.-техн. конф. М. : ВИАМ, 2009. С. 17.
© Вавилин В. А., Пасечник К. А., Пушкарев А. Ю., Амельченко Н. А., 2018
