CC BY
155
УДК 621.91.01
Е.Н. Белецкий, В.М. Петров, Н.Ю. Сойту
ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ УГЛЕПЛАСТИКОВ ЛЕЗВИЙНЫМ ИНСТРУМЕНТОМ БЕЗ ОХЛАЖДЕНИЯ
и с модифицированными смазочно-охлаЖДающими
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ СРЕДАМИ
Рассмотрены механизмы разрушения композиционных углепластиков при механической обработке резанием лезвийным инструментом. Рассмотрены варианты разрушения без охлаждающей жидкости и с ее присутствием в зоне резания. Приведены разные варианты смазочных технологических охлаждающих жидкостей, содержащих в своем составе активные модификаторы наноразмерных частиц.
Композиционные углепластики марок ФУТ и УГЭТ, обработка резанием, лезвийный режущий инструмент, трение и износ режущего инструмента, смазочно-охлаждающие технологические среды (СОТС), модификаторы на-норазмерного уровня в СОТС.
E.N. Beletsky, V.M. Petrov, N.Yu. Soytu
CUTTING FEATURES OF COMPOSITIONAL CARBON PLASTICS WITH BLADED INSTRUMENT WITHOUT COOLING AND WITH MODIFIERS
The article deals with mechanisms of destruction of carbon composite with the mechanical processing by cutting with bladed tools. Alternative variants of destruction with and without cooling liquid are studied. Different versions of lubricant technological cooling fluids containing nano-particle size active modifiers are described and studied here as well.
Composite carbon stamps FUT and UGAT, machining, bladed cutting tool, friction and wear of the cutting tool, metal-working technological oil, nanoparticle size active modifiers.
Обработка композиционных углепластиков резанием лезвийным инструментом является в настоящее время наиболее распространенным методом окончательного формообразования поверхностей изделий. При механообработке актуальными являются вопросы, связанные с устойчивостью процесса резания в широком диапазоне технологических режимов, которые, в свою очередь, определяют требуемое качество поверхностного слоя и точность обработанного изделия.
Углепластики - это композиционные материалы, в которых выгодно сочетаются свойства полимерной матрицы и углеродного армирующего материала. Матрица обеспечивает монолитность композита, фиксирует форму изделия и взаимное расположение арми-
рующих волокон, распределяет действующие внешние напряжения по объему композита, обеспечивая равномерную нагрузку на волокна и ее перераспределение при разрушении части армирующих волокон. В качестве матрицы могут выступать: эпоксидные; полиэфирные; фенолоформальде-гидные смолы; полиамиды; кремнийорга-нические полимеры (полимерные композиционные углепластики); синтетические полимеры; подвергнутые пиролизу (коксованные углепластики), и так называемый «пиролитический углерод» (пироуглерод-ные углепластики). В данной статье речь пойдет о композиционных материалах с термореактивной матрицей, фенолофор-мальдегидных и эпоксидных смолах, углепластиках ФУТ и УГЭТ разработки ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей».
При соблюдении условий монолитности композиции матрица почти не влияет на коэффициенты распределения внешней нагрузки на угольные волокна. Нарушение монолитности композиционных материалов возможно вследствие уменьшения либо содержания в них связывающего компонента, либо пористости и количества наполнителей. Армирующий материал воспринимает основные напряжения, возникающие в композите под действием внешних нагрузок, и обеспечивает жесткость и прочность композиции. Армирующее волокно значительно повышает механические свойства композиционного материала, но является концентратором напряжения, который снижает механические свойства «чистой матрицы» и большую роль здесь играет межфазная структура, образованная между армирующим волокном и матрицей, и является следствием адгезионного и адсорбционного воздействия (рис. 1).
Способ укладки армирующих волокон влияет на их прочность, при сплетении волокон в канат разрушение при механической обработке происходит в месте перегиба волокон (рис. 2). На фотографии видны отдельно волокна, выступающие из пряди каната в месте перегиба прядей.
При резании углепластиков без СОТС [1, 3] могут иметь место три вида деформации: упругая, высокоэластичная (пластическая) и хрупкое разрушение. Упругие деформации присущи всем материалам твердых тел, в том числе и углепластикам. Данный вид деформаций может преобладать на первом этапе процесса резания, при врезании инструмента в заготовку, а также в зоне последействия, когда обрабатываемый мате-
Армирующие долокно
Межфазная структура Матрица
Армирующее
Рис. 1. Трехфазная модель строения композиционного углепластика
Рис. 2. Разрыв углеродных волокон в прядях армирующего материала
Рис. 3. Пластическая деформация материала матрицы (без образования трещин)
риал восстанавливается после прохождения задней поверхности режущего инструмента. Когда действует упругая деформация, матрица и армирующий материал работают совместно, матрица участвует в передаче усилий, прилагаемых в процессе резания, армирующим волокнам. Данные процессы являются обратимыми. При дальнейшем увеличении силы резания процесс разрушения переходит во вторую фазу пластической деформации. Данная пластическая деформация необратима. В данной фазе под влиянием сил резания изменяется взаимное расположение частиц тела, энергия системы не изменяется, но происходит переход упругой энергии в тепловую. Наибольшему влиянию в данной фазе подвержена полимерная матрица. В процессе действия силы резания материал матрицы выдавливается из пространства между волокнами без образования трещин (см. рис. 3).
Хрупкое разрушение сопровождается отделением композиционного материала от заготовки, а также нарушением тканевой основы и обрывом волокон. Процесс хрупкого разрушения начинается с формирования трещин в матрице и пространстве между волокнами (рис. 4 а).
При полном разрушении матрицы композит теряет способность распределять напряжения между армирующими волокнами, наиболее нагруженные волокна начинают разрушаться (рис. 4 б). При разрушении волокон имеют место два вида деформации: упругая и хрупкая.
Процесс резания углепластиков лезвийным инструментом [2, 3] можно отнести к высокотемпературным процессам, протекающим в локальных зонах режущей кромки, сопровождающихся максимальными скоростями резания до 30 м/мин для быстрорежущих сталей и до 200 м/мин твердого сплава ВК6, ВК8. Например, при сверлении скорость резания на перемычке и периферии сверла неодинакова, поэтому сверло испытывает неравномерные силовые и тепловые нагрузки, приводящие к неравномерному износу режущей ленточки, кромки и перемычки сверла. Это, в свою очередь, приводит к неравномерному разрушению массива композиционного материала (начинают действовать несколько схем разрушения). Поэтому при резании применяются разные СОТС, содержащие активные модификаторы, призванные существенно улучшить теплоотвод и стабилизировать процесс разрушения резанием. Доминирующей в данном процессе является теплоотводящая функция СОТС, смазывающая и протекторная - защита режущей кромки от химического воздействия, а также функция, облегчающая разрушение обрабатываемого материала режущей кромкой в зоне резания (расклинивающий эффект при резании, микроклиньями). СОТС должна обладать достаточно высокой температурой кипения (до 200°С). Кратковременный локальный перегрев может привести к фазовым превращениям в материале режущего инструмента (деструкция и разрушение), а также к привариванию стружки к режущей кромке, повысить протекание химических реакций. В целом все это приведет к снижению точности и качества обработанной поверхности.
а
б
Характерным для СОТС, содержащих активные модификаторы в виде мелкодисперсных порошков металлов (Си, 2п, Л§, N1), химических соединений, веществ (Б,Р) и наномодификаторов (ультрадисперсных алмазов, фуллероидных материалов), в отличие от ньютоновских сред, является аномальное их поведение при малых градиентах скорости сдвига, которое выражается в уменьшении вязкости с увеличением скорости сдвига. Данная особенность может быть объяснена проявлением «пристенного» эффекта, который обычно наблюдается для всякой дисперсной системы, например, смазочных материалов с дисперсными присадками. Подобная особенность объясняется уменьшением концентрации частиц дисперсной фазы в тонком «пристенном» слое толщиной в 2...10 мкм по сравнению с концентрацией их в ядре потока. Ранее установлено [2], что интенсивность влияния «пристенного» эффекта на течение зависит от: концентрации частиц в объеме и слое СОТС; степени дисперсности структурных элементов; пластической вязкости СОТС. Повышение дисперсности частиц СОТС приводит к снижению «пристенного» эффекта, а повышение концентрации - к его увеличению. В случае уменьшения до размеров дисперсных частиц необходимо учитывать аномалии течения с помощью специальных корректирующих коэффициентов, вводимых в модели, или выбора реологической модели другого типа.
Выводы.
Из вышеизложенного становится ясно, что научно обоснованный подход к оценке явлений, протекающих при разрушении резанием углепластиков, позволит в каждом конкретном случае механической обработки обеспечить необходимую точность и качество обработанной поверхности при заданной производительности и затратах.
Изложенная последовательность действий при оценке характеристик контактного взаимодействия элементов позволяет составить достаточно полную картину и служит основой для принятия решения о рациональном выборе СОТС и соответствующего активного модификатора. Разработка алгоритмов и соответствующего программного обеспечения для решения комплекса задач применительно к различным технологическим операциям должна учитывать структурные и конструктивные особенности соответствующего оборудования.
ЛИТЕРАТУРА
1. Петров В. М. Модель разрушения композиционных углепластиков при обработке лезвийным инструментом / В.М. Петров // Инструмент и технологии. 2002. № 9-10. С. 23-30.
2. Иванов О.А. Достижение заданных параметров качества поверхности деталей из углепластиков путем механической обработки / О. А. Иванов, В.М. Петров, А.В. Федосов // Вопросы материаловедения. 2006. № 2 (46). С. 85-100.
3. Петров В. М. Реологическая модель разрушения углепластиков при резании лезвийным инструментом / В.М. Петров // Вопросы материаловедения. 2002. № 3 (31). С. 104-110.
Белецкий Евгений Николаевич -
начальник отдела производственной кооперации и сбыта ОАО КОНЦЕРН НПО «Аврора», г. Санкт-Петербург
Beletsky Evgeny Nikolayevich -
Production and Sales Department Director of JSC «Aurora»,
Saint Petersburg
Петров Владимир Маркович -
доктор технических наук, профессор, декан технологического факультета Санкт-Петербургского института
Petrov Vladimir Markovich -
Doctor of Technical Sciences, Professor, Dean of the Technological Faculty of Saint Petersburg Institute
машиностроения (ЛМЗ ВТУЗ)
Сойту Наталья Юрьевна -
старший преподаватель кафедры «Технология машиностроения» Санкт-Петербургского института машиностроения (ЛМЗ ВТУЗ)
of Machine-building
Soytu Natalya Yuryevna -
Senior Lecturer of the Department of «Technology of Machine-building» of Saint Petersburg Institute of Machine-building
Статья поступила в редакцию 28.05.09, принята к опубликованию 17.07.09
