CC BY
162
УДК 621.9.06:66.017
ОСОБЕННОСТИ ОБРАБОТКИ НЕМЕТАЛЛОВ В.А. Рогов, В. Н. Тюкпиеков
Кафедра технологии машиностроения, металлорежущих станков и инструментов Российского университета дружбы народов Россия, 117198 Москва, ул. Миклухо-Маклая, 6
На основе анализа литературных данных рассматриваются особенности обработки полимерных композиционных материалов, включающих стеклянные, углеродные, и борные волокна. Обсуждаются характеристики материалов и геометрические параметры применяемых режущих инструментов, а также режимы резания и их влияние на силу резания и износ резцов.
В зависимости от природы армирующих волокон различают следующие композиционные материалы на полимерной основе: стеклопластики, углепластики, боропластики, органопластики и т.д.
На рис. 1 представлена классификация композиционных материалов по конструктивному признаку [1].
Новое поколение композиционных материалов с волокнами углерода, бора и ряда соединений вывело их в ряд конструкционных материалов с наиболее высокой удельной прочностью и жесткостью, фактически обеспечив им успех в повышении прочности и надежности любых деталей и узлов машин.
Процесс резания полимерных композиционных материалов изучен мало. Он существенным образом отличается от процесса резания металлов. Это отличие объясняется главным образом специфическими свойствами самих обрабатываемых материалов. Это в первую очередь анизотропия свойств, их относительная низкая твердость и очень низкая по сравнению с металлами теплопроводность. Наличие полимера в материале и его неизбежная деструкция под действием механических и термических нагрузок приводит к специфическим явлениям в зоне резания, которые отсутствуют при резании металлов.
Характер процесса резания композиционного материала определяется в основном видом использованного волокна. Для всех видов волокон характерно линейно-упругое деформирование вплоть до разрыва. Стекловолокно, а также углеродное волокно отличаются хрупкостью при разрыве под действием растягивающих, срезающих и изгибающих нагрузок. Напротив, арамидное волокно стремится отклониться под действием срезающей или изгибающей нагрузки, что может привести к образовании бахромы на поверхности среза. Только под действием растягивающей нагрузки арамидное волокно можно достаточно чисто разрезать [2].
Свойства полимерных матриц не оказывают прямого влияния на выбор инструмента. Процесс резания матрицы характеризуется низким модулем упругости, малой прочностью, высоким относительным удлинением при разрыве и, прежде всего, низкой термостойкостью полимеров.
Последняя ограничивает допустимую производительность резания всего композиционного материала. Кроме того, расплавленный материал матрицы может приклеиваться к режущей кромке инструмента, что повышает износ инструмента.
Для обработки резанием композиционных материалов, армированных стекловолокном и углеродным волокном, предлагается использовать твердосплавные и алмазные инструменты с обязательной острой заточкой для получения чистых поверхностей.
Результаты большинства исследователей, полученные при изучении процесса точения КМ, в частности стеклопластиков [3, 4, 5, 6, 7], позволяют сделать вывод о том, что наиболее оптимальным инструментальным материалом является вольфрамокобальтовый твердый сплав.
Для обработки КМ, имеющих низкую теплопроводность по сравнению с металлами, необходимо иметь инструментальный материал с высокой теплопроводностью.
Это тем более важно, так как стеклопластики и углепластики, являющиеся термореактивными материалами, допускают в зоне резания температуры, не превышающие 200-300 °С; выше этих температур происходит их размягчение и выгорание, а также интенсивная термодеструкция связующего.
Важным свойством инструментального материала при обработке композиционных материалов является его износостойкость, так как высокие упругие свойства обрабатываемого материала и его абразивная способность весьма интенсивно изнашивают резец. Кроме того, исследования [4] показали, что при обработке КМ большое значение для увеличения стойкости резца имеет его заточка с минимальным радиусом округления режущей кромки. Поскольку разные инструментальные материалы имеют различные минимальные радиусы округления режущей кромки при заточке, то оптимальным будет тот, который позволяет получить минимальные значения радиуса закругления режущей кромки.
Анализ существующих инструментальных материалов показывает, что наиболее близко предъявляемым требованиям отвечают вольфрамокобальтовые твердые сплавы. Так, теплопроводность вольфрамокобальтовых твердых сплавов в 1,6-2,6 раза выше, чем у титановых, а это означает, что их стойкость при одинаковой твердости различаются порой в шесть раз [3].
Рис. 1. Классификация композитов по конструктивному признаку: а — хаотически армированные: 1 — короткие волокна; 2 — непрерывные волокна; б — одномерноармированные: 1 - однонаправленные непрерывные; 2 - однонаправленные короткие; в - двумерноармированные: 1 - непрерывные нити: 2 - ткани; г -пространственно армированные: 1 - три семейства нитей; 2 - п семейств нитей
Наиболее целесообразно применение сплавов с малым содержанием кобальта, однако уменьшение содержания кобальта снижает прочность твердого сплава, он становится более хрупким, что имеет значение при работе в условиях динамических нагрузок.
Как показали приведенные исследования, практически все вольфрамокобальтовые сплавы достаточно износостойки при обработке стекло- и углепластиков, но сплавы с большим содержанием кобальта лучше воспринимают динамические нагрузки, которые неизбежны при резании [3].
Эффективным при чистовой обработке композиционных материалов является применение алмазных инструментов. Вследствие высокой твердости алмаз обладает и высокой износостойкостью и в зависимости от характера нагрузки при трении износостойкость алмаза в десятки, а то и в сотни раз превышает износостойкость других твердых материалов. Однако наряду с высокой твердостью и износостойкостью алмаз обладает повышенной хрупкостью, поэтому применение алмазных резцов ограничено.
Выбор геометрических параметров резцов во многом определяют особенности резания КМ. На стойкость резцов и качество обработанной поверхности наибольшее влияние оказывают главный задний угол а, передний угол у, углы в плане ср и ф) и радиус при вершине резца г.
На рис. 2 и 3 показаны зависимости стойкости резцов из ВК8 при точении стекло- и углепластика от угла у и а. Как следует из рисунков, эти зависимости носят экстремальный характер, позволяющий выбрать оптимальное значение угла а и у.
Рис. 2. Зависимость стойкости резца от переднего угла у:
1 - для стеклопластика;
2 - для углепластика
Рис. 3. Зависимость стойкости резца от главного заднего угла а:
1 - при обработке стеклопластика;
2 - при обработке углепластика
Режимы резания при обработке КМ, в частности армированных стеклянными и углеродными волокнами, должны обеспечивать высокую производительность при требуемых качестве и точности, а также стойкости резцов. На стойкость влияет большое число различных факторов, в том числе скорость резания, подача, глубина резания, причем их влияние неоднозначно. Проведенные однофакторные и многофакторные планируемые эксперименты позволили получить зависимости, оценивающие влияние каждого из факторов на стойкость. Влияние на стойкость более всего оказывает скорость резания и в меньшей степени подача и глубина резания.
В табл. I приведены рекомендуемые режимы резания при обработке стекло- и углепластика резцами из алмаза [3].
Таблица 1
Скорость резания V, м/с, при обработке резцами из СТМ
Глубина резания, мм Скорость резания при подаче 5, мм/об
0,1 0,2 0,3 0,4
До 0,5 6,38 5,87 5,58 5,40
Св. 0,5 до 1,0 5,95 5,48 5,22 5,03
В работе [8] исследовано влияние технологических параметров механической обработки стеклопластика на силу резания, износ режущего инструмента, С этой целью были
проведены планируемые эксперименты, определены коэффициенты корреляции и построены адекватные математические модели искомых зависимостей.
Исследования показали, что наибольшее влияние на силу резания и износ инструмента оказывают скорость, подача и глубина резания, которые положительно коррелированны с силой. Влияние остальных параметров однородно и невелико. Кроме того, существенно влияние главного угла в плане.
Для фрезерования следует применять фрезы с очень острыми зубцами, поскольку лишь они могут обеспечить чистое разрезание волокон. Что касается достижимой стойкости фрез, то здесь вне конкуренции оказались инструменты из твердых сплавов с наплавленными режущими кромками из алмаза [2].
Большое влияние на стойкость оказывают правильно выбранные геометрические параметры режущей части инструмента. При фрезеровании КМ изменение главного заднего
а, переднего у и других углов зуба фрезы таким же образом, как и при точении, влияет на стойкость.
Для различных типов фрез при обработке стекло- и углепластиков оптимальные геометрические параметры приведены в табл. 2.
Таблица 2
Геометрические параметры режущей части фрез для обработки КМ
Тип фрезы У а а. Ф Фі со
Град
Дисковые 5-8 18-20 8 90 *■> 15
Торцовые 5-8 18-20 16-18 45 10-15 10
Концевые 10-15 20 16-18 90 10-15 40
Следует отметить, что фрезерование КМ твердосплавными фрезами не всегда приводит к желаемому результату в первую очередь из-за качества обработанной поверхности. Поэтому представляется целесообразным при фрезеровании композиционных материалов применять фрезы, оснащенные вставками из сверхтвердых материалов (СТМ).
Обработка боропластика представляет собой весьма серьезную проблему. Эго объясняется тем, что микротвердость волокон бора превосходит твердость таких инструментальных материалов, как быстрорежущие стали и твердые сплавы, и соизмерима с микротвердостью сверхтвердых материалов - натуральных алмазов, синтетических алмазов и эльбора.
Поэтому для точения боропластика могут быть применены только сверхтвердые материалы, причем в этом случае проблема обработки не снимается, ибо соотношение микротвердостей инструментального и обрабатываемого материала составляет всего 2,5, тогда как для эффективного осуществлении процесса резания эго соотношение микротвердостей должно составлять 4-6.
Если сравнивать интенсивность износа различных СТМ при точении боропластика, го наиболее стойкими являются двуслойные пластинки БПА-28 и БГ1А-15В, а наименее стойкими - эльбор-Р. В то же время, если обратить внимание на время работы резца из СТМ до достижения допустимого износа, то можно отметить, что оно для всех марок СТМ не превосходит 10 мин, что явно недостаточно. Это приводит к частой смене инструмента и большому сьему инструментального материала при переточке резца. Таким образом, важной задачей является повышение стойкости резцов, что возможно либо путем повышения твердости инструментального материала, либо путем оптимизации конструкции инструмента.
В целях повышения стойкости при точении боропластика разработана конструкция специального инструмента [3]. Предложенный инструмент представляет собой стальной диск, на боковой поверхности которого по радиусам установлены резцы-вставки из СТМ. Резание происходит в условиях динамических нагрузок и сопровождается ударами резцов, которые интенсивно разрушают обрабатываемый материал, выбивая частицы борного волокна. При этом используется такое свойство обрабатываемого материала, как низкая ударная вязкость.
Проведенные эксперименты показали, что предлагаемый многолезвийный инструмент из СТМ вполне работоспособен и может быть успешно применен для наружной обточки оболочек из боропластика. Имеет место существенное увеличение стойкости инструмента. Фрезерование боропластиков твердосплавными фрезами практически невозможно из-за их катастрофически быстрого изнашивания. Так, при фрезеровании пазов в боропластике шпоночными твердосплавными фрезами стойкость их не превышала одной минуты, причем фреза изнашивалась до такой степени, что ее восстановление было практически невозможно.
Пои фрезеровании боропластика фрезами, оснащенными вставками из СТМ, их стойкость также явно неудовлетворительна. Зубья фрез изнашиваются весьма интенсивно и их стойкость на несколько порядков ниже, чем при фрезеровании других типов композиционных материалов.
Таким образом, характерной особенностью при обработке композиционных материалов является интенсивное изнашивание резцов, причину которого можно объяснить в первую очередь абразивными способностями армирующих элементов материала.
При выборе подходящего инструмента главное значение имеет тип обрабатываемого волокна. В качестве инструментального материала нужно применять твердые сплавы, а при обработке слоистых стекло- и углепластиков лучше пользоваться алмазами.
При назначении марки твердого сплава следует иметь в виду, что с повышением содержания кобальта в сплаве увеличивается его прочность, но снижается износостойкость; поэтому и легко объяснима более высокая стойкость сплавов с меньшим содержанием кобальта.
Наибольшее влияние на стойкость резца оказывает главный задний угол а. Это объясняется тем, что волокнистые композиционные материалы обладают высокими упругими свойствами и при резании имеют место большие фактические площади контакта по задней поверхности из-за значительного упругого восстановления обрабатываемого материала.
В случае обработки боропластика, обладающего повышенной абразивной способностью, стойкость явно неудовлетворительна даже при резании инструментами со вставками из сверхтвердых материалов. Поэтому дальнейшее развитие в области обработки боропластиков резанием должно развиваться в направлении усовершенствования конструкций существующих инструментов из СТМ, а также путем применения новых марок сверхтвердых материалов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Васильев В.В., Протасов В.Д. Композиционные материалы: Справочник. - М.: Машиностроение, 1990. - 685 с.
2. König W. Обработка резанием пластиков, армированных волокном, 1991.
3. Степанов А.А. Обработка резанием высокопрочных композиционных полимерных материалов. - Л.: Машиностроение, 1987. - 176 с.
4. Кобаяши А. Обработка пластмасс резанием. - М.: Машиностроение, 1974. - 192 с.
5. Буловский Г.И., Петрова H.A. Механическая обработка стеклопластиков. - Л.: Машиностроение, 1969. - 152 с.
6. Механическая обработка полимерных композиционных материалов (ПКМ). - НИАТ, 1991.-18 с.
7. King R.L. Высокопрочные композиционные материалы с точки зрения инженеров -технологов. // Materials a Design, 1982, v. 3, No 11. P. 580 - 588
8. Ясев А.Г. Исследования технологических особенностей композиционных материалов при механической обработке. // Известие вузов. Машиностроение. - 1996. № 4. - С. 65 - 71.
9. Vogel М. Новый способ обработки композиционного материала. / ВЦП. ■ № Т -16465.
MACHINING NON-METALLIC MATERIALS V. A. Rogov , V.N. Tukpiekov
Department of Mechanical Engineering, Machine Tools and Tooling Peoples’ Friendship University of Russia Miklucho-Maklaya st., 6, Moscow 117198, Russia
The paper presents an overview of machining carbon, glass and boron-fiber-reinforced composite materials. Cutting tool materials and tool geometry, as well as the operating parameters and their cffect on the cutting forces and the tool life are considered.
Рогов Владимир Александрович родился в 1956 г., окончил в 1983 г. РУДН. Доктор техн. наук, профессор, зав. кафедрой Технологии машиностроения. металлорежущих станков и инструментов РУДН. Автор 206 научных работ.
Rogov V.A. (b. 1956) graduated from Peoples’ Friendship University of Russia in 1983. DSci(Eng), professor, head of “Mechanical Engineering,
Machine Tools and Tooling” Department of Peoples’ Friendship University of Russia. Author of 206 publications.
Тюкпиеков Владимир Николаевич родился в 1974 г., окончил в 1999 г. РУДН. Аспирант кафедры Технологии машиностроения, металлорежущих станков и инструментов РУДН. Автор 2 публикаций
Tukpiekov V. N. (b. 1974) graduated from Peoples’ Friendship University of Russia in 1999. Post-graduate of “Mechanical Engineering, Machine Tools and Tooling” Department of Peoples’ Friendship University of Russia. Author of 2 publications.
