CC BY
13
УДК 621.9.047/048; 621-039-419
И.В. Злобина, Н.В. Бекренёв
ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ И КАЧЕСТВА
МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПУТЕМ СВЧ МОДИФИЦИРОВАНИЯ
Аннотация. На примере сверления отверстий малого диаметра в отвержденном углепластике показано, что кратковременное воздействие СВЧ электромагнитного поля, предшествующее механической размерной обработке, способствует существенному повышению качества поверхности, выражающемуся в уменьшении поверхностных и кромочных дефектов. При этом на (10-33) % в зависимости от плотности потока СВЧ энергии при модифицировании сокращается время сверления, что позволяет соответственно повысить производительность обработки или время до переточки инструмента.
Ключевые слова: изделия из полимерных композиционных материалов, отвер-жденный углепластик, кромочные и поверхностные дефекты, сверление, СВЧ электромагнитное поле
I.V. Zlobina, N.V. Bekrenev
IMPROVING PRODUCTIVITY AND QUALITY
OF MACHINING PRODUCTS FROM POLYMER COMPOSITES USING MICROWAVE MODIFICATION
Abstract. Using the example of drilling small-diameter holes in cured carbon fiber, it is shown that short-term exposure to the microwave electromagnetic field, preceding mechanical dimensional processing, contributes to a significant improvement in surface quality, which is expressed in a reduction in surface and edge defects. At the same time, the drilling time is reduced by (10-33) %, depending on the density of the microwave energy flow during modification, which allows to increase the processing productivity or the time to re-flow the tool accordingly.
Keywords: products made of polymer composite materials, cured carbon fiber, edge and surface defects, drilling, microwave electromagnetic field
ВВЕДЕНИЕ
В современных летательных аппаратах различного назначения, включая авиационную и ракетно-космическую технику, широко применяются в несущих конструкциях и обшивке, а также как средства баллистической защиты, полимерные композиционные материалы (ПКМ) на термореактивной и термопластичной матрице, армированные тканями на основе углеродных, стеклянных и арамидных волокон.
Как свидетельствуют материалы аналитических обзоров, эта тенденция сохранится в ближайшей и отдаленной перспективе [1, 2]. Повышенный интерес разработчиков перспективных транспортных систем к ПКМ определяется рядом их существенных преимуществ перед металлами и сплавами: высокая удельная прочность, коррозионная стойкость, возможность конструирования и изготовления материала одновременно с изделием, что позволяет создавать так называемые «интеллектуальные» материалы путем встраивания в структуру датчиков и активных элементов, и др. [3-6].
В технологических процессах изготовления изделий из композиционных материалов значительное место занимают финишные операции размерной и отделочной обработки: кромочная, образование отверстий, крепежных и стыковочных пазов и базовых точных поверхностей, разделение, выполняющиеся методами резания лезвийным и абразивным инструментом.
При сборке элементов из ПКМ значительное место занимают традиционные механические соединения типа заклепочных при помощи соответствующих металлических креплений [7]. Типовые конструкции из ПКМ с механически образованными поверхностями представлены на рис. 1.
Неоднородность структуры как пултрузионных, так и отвержденных формованных угле- и стеклопластиков [5, 6], состоящих из относительно мягкой и вязкой матрицы и высокотвердых нитевидных армирующих структур, отличающихся повышенными абразивными свойствами, приводит к крайне неравномерному процессу удаления стружки при обработке данных материалов резанием и быстрому затуплению и износу инструмента. Это вызывает увеличение сил резания и преимущественное разрушение матрицы. Армирующие структуры, освобожденные от связующего, «распушиваются» и выдавливаются на периферию зоны обработки, нарушая качество поверхности и точность ее формы. Указанный результат обработки вызывает необходимость повторного связывания отделившихся от монолита волокон компаундами с последующей их ручной зачисткой, что увеличивает трудоемкость и снижает качество изготовления изделий [8-13]. Производители режущего инструмента, в частности фирма Sandvick, рекомендуют для повышения качества обработки углепластиков использовать инструменты особой геометрии со специальным покрытием, высококачественные твердые сплавы, адаптивное управление режимами и циклом обработки с использованием интеллектуальных систем управления оборудованием.
В современных условиях, когда к России применяются санкционные действия, а также в интересах снижения технологической зависимости и импортозамещения актуально изыскание альтернативных путей повышения качества обработки армированных композиционных материалов, не требующих сложного и дорогостоящего зарубежного оборудования, инструмента и закупки лицензий на технологии.
Рис. 1. Типичные изделия из углепластика с механически образованными поверхностями
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Один из подходов к улучшению качества обработки композиционных материалов может заключаться в модифицировании структуры окончательно сформированных изделий в СВЧ электромагнитном поле. Материалы ряда исследований авторов данной статьи [14, 15] свидетельствуют о повышении прочности подвергнутых СВЧ обработке армированных углеродными волокнами образцов на 14-25 %. Анализ возможного механизма повышения прочности с учетом исследования микроструктуры материалов [16] показывает, что СВЧ воздействие способствует формированию новых многочисленных участков контакта элементов матрицы и волокон, а также повышению прочности материала матрицы. Это может способствовать затруднению отделения волокон от матрицы при механической обработке, сближению механики разрушения матрицы и волокон и в конечном итоге -к уменьшению дефектов обработанной поверхности (разориентирования, или «распуши-вания» и др.).
Целью исследований явилось определение возможности использования СВЧ обработки отвержденного углепластика для улучшения его обрабатываемости и снижения дефектов поверхности.
Проведены экспериментальные исследования сверления отверстий в углепластике производства ООО «Еврокомплект», г. Калуга. Использовали образцы размерами 70^30x5 мм. СВЧ обработку осуществляли на экспериментальном оборудовании (рис. 2), созданном на базе установки «Жук-2-02» (ООО НПП «АгроЭкоТех», г. Обнинск Калужской обл.). Плотность потока энергии устанавливали равной (10-12) • 104, (17-18) • 104 и (40-50) • 104 мкВт/см2 ', время воздействия - 2 минуты.
т
б
Рис. 2. Экспериментальная установка на базе СВЧ излучателя «Жук-2-02» Общий вид (а), образец, закрепленный на столе (б)
Сверление образцов проводили на настольном сверлильном станке 2Н106П сверлами 0 5,0 с углом при вершине 2ф = 90° и стандартной заточкой по углам у и а. Число оборотов сверла n = 350 об/мин; осевая сила подачи Рос = 20 Н обеспечивалась гравитационным способом при помощи тарированного груза.
С целью исключения влияния затупления кромок сверла на показатели обработки различных образцов сверление проводили с чередованием: одно отверстие в контрольном образце, одно - в опытном. Дополнительно фиксировали время сверления на проход инструмента.
Рассматривали кромки на входе и выходе отверстия при малом (х7) и большом (х40) увеличении при помощи оптического микроскопа МБС и цифрового микроскопа Bresser LCD MICRO 5MP.
При этом образец поворачивали, фотографируя последовательно различные сектора отверстия до прохождения полного оборота. Входную кромку рассматривали в отраженном свете, выходную - в проходящем с одного установа, чтобы не нарушить соответствие обработанных участков отверстия.
Изучали форму стружки, образовавшейся при сверлении контрольного и обработанных образцов углепластика. Оценивали размеры фрагментов стружки и их форму. Анализ кромок отверстий при увеличении х7, полученных при обработке контрольных и модифицированных образцов, показал следующее.
На выходе инструмента при сверлении контрольного образца образуется значительный (высотой до 1 мм) выступ из выдернутых сверлом волокон, в отверстии присутствуют закрывающие его просвет сохранившие целостность волокна.
Для опытного образца характерно уменьшение высоты выступа более чем в 2 раза и практически чистое отверстие с гладкими стенками. При указанном увеличении не удается выявить отличий во внешнем виде и состоянии кромок, обработанных при различной плотности потока энергии.
При увеличении х40 отличия кромок становятся заметны (рис. 3).
У контрольного образца кромка по всей окружности отверстия крайне неоднородная по внешнему виду: наряду с относительно ровной поверхностью наблюдаются значительные по длине конгломераты волокон, отдельные волокна и разрушенные агломераты матрицы (рис. 3а). Кромки отверстий, просверленных в образцах, подвергнутых предварительному воздействию СВЧ электромагнитного поля с плотностью потока энергии (10-12) • 104 мкВт/см2 - ровные на большем протяжении, конгломераты волокон короче в 2-3 раза, однако отмечаются регулярно.
Отмечаются отдельные волокна (рис. 36). Наименьшие дефекты имеют кромки отверстий, просверленных в образцах после обработки с плотностью потока энергии (17-18) • 104 мкВт/см2 (рис. 3е). Кромки чистые, лишены остаточных конгломератов волокон на всем протяжении, также не отмечаются длинные отдельные волокна. Заметны короткие (в 5-6 раз меньшей длины по сравнению с контрольными) волокна и отдельные каверны вырывов матрицы (второе снизу фото на рис. 3в). Кромки отверстий, просверленных после обработки углепластика с плотностью потока энергии (40-50) • 104 мкВт/см2, имеют сходный вид, однако отличаются значительным количеством вырывов и местных повреждений матрицы в виде объемных потерь материала (рис. 3г).
Рис. 3. Входная кромка отверстия, просверленного в образце углепластика: контрольном (а), обработанном с ППЭ (10-12) х 104 (б), (17-18) х 104 (в), (40-50) х 104 (г) мкВт/см2
На рис. 4 представлена стружка, образовавшаяся после сверления контрольных и обработанных в СВЧ электромагнитном поле образцов с различной плотностью потока энергии.
Видно, что во всех случаях стружка представляет собой бесформенные частицы матрицы различного размера. При этом в стружке контрольного образца практически не удается выделить фрагменты углеродных волокон, а сама стружка образована крупными (от 1 до 1,5 мм) частицами вытянутой формы.
Стружка сверления образцов после воздействия СВЧ электромагнитного поля с ППЭ (40-50) • 104 мкВт/см2 - мелкодисперсная с размерами частиц менее 0,5 мм. В частицах присутствуют в виде вкраплений в большом количестве короткие фрагменты волокон. Частицы стружки сверления образцов после воздействия СВЧ электромагнитного поля с ППЭ (17-18) • 104 мкВт/см2 имеют средние размеры (0,5-0,8 мм), в них присутствуют фрагменты срезанных волокон. Стружка сверления образцов после воздействия СВЧ электромагнитного поля с ППЭ (10-12) • 104 мкВт/см2 имеет размеры, мало отличающиеся от частиц стружки сверления контрольного образца (0,9-1,2 мм), однако в частицах присутствуют фрагменты углеродных волокон. Частично в объеме стружки отмечаются отдельные срезанные и сломанные волокна.
Одним из объяснений такого эффекта может быть повышение прочности механических и физических связей волокон и матрицы, увеличение областей контактного взаимодействия и выявленного нами [14-16] уменьшения размеров пор и надмолекулярных образований (кристаллических фрагментов) структуры матрицы, что приводит к повышению монолитности модифицированного ПКМ в отличие от контрольных образцов, представляющих собой крайне неравнопрочные образования в виде упругих твердых волокон, связанных структурой матрицы с дефектным межфазным слоем (МФС). Результатом СВЧ воздействия является также повышение прочности самой матрицы, что выравнивает процесс резания по объему материала, в том числе стабилизирует силы резания и процесс стружкообразования, и обеспечивает срезание волокон без их выдергивания из объема материала и, как следствие, повышение качества обработанной поверхности. С увеличением плотности потока СВЧ энергии указанные явления усиливаются, что способствует получению чистых кромок (рис. 3е).
При больших значениях ППЭ, вызывающих чрезмерный нагрев матрицы и ее, как минимум, частичное расстекловывание происходит стягивание матрицы и волокон в МФС вследствие возросшей возможности звеньев больших молекул к конформационным поворотам по причине релаксации внутренних термических напряжений, возникших при формировании ПКМ.
После доотверждения новая структура приобретает повышенную твердость. В результате наряду с относительно равномерным процессом резания матрицы и волокон начинается выкрашивание кристаллической фазы радиальными и тангенциальными силами, вызывающими сдвиговые напряжения. Так образуются каверны и лунки, нарушающие форму кромок и морфологию поверхности отверстия (рис. 3г).
Выкрашивание элементов кристаллической фазы формирует мелкодисперсную стружку скола. По мере снижения ППЭ данный эффект уменьшается, более дефектная аморфная матрица отделяется более крупными пластически деформированными фрагментами, что зафиксировано на рис. 4.
Рис. 4. Стружка, образовавшаяся при сверлении углепластика: контрольный образец (а); обработанный в СВЧ электромагнитном поле с плотностью потока энергии (40-50) • 104 (б),
(17-18) • 104 (в), (10-12) • 104 мкВт/см2 (г)
Изменение механических свойств и структуры матрицы, а также прочности контактного взаимодействия в области «матрица - волокно» оказывает влияние не только на качество обработанной поверхности углепластика, но и на процесс резания, что проявляется в изменении времени сверления (рис. 5). 100
т, с
140
120
100
80
60
40
20
(10-12)
(17-18)
(40-50) ■ 104 мкВт/см2
Рис. 5. Время сверления отверстия 0 5 на глубину 5,0 мм в зависимости от плотности потока энергии СВЧ электромагнитного поля
Зависимость времени сверления от плотности потока энергии СВЧ электромагнитного поля при предшествующей обработке с точностью 0,93 аппроксимируется логарифмической функцией:
т = -28,75 1п (Р) +123,34, (1)
где Р - плотность потока энергии.
В контрольных образцах матрица имеет высокую вязкость, при сверлении вследствие этого повышается трение по задней поверхности сверла, что приводит к росту температуры в области контакта с инструментом и размягчению матрицы. Это, с одной стороны, уменьшает осевую силу сверления, с другой - увеличивает момент резания вследствие залипания вязкой стружки в канавках инструмента. В результате затрудняется ее эвакуация и начинает действовать сила трения по ленточкам. Суммарное действие увеличенного момента резания, осевой силы сверления и силы трения приводит к замедлению продвижения сверла по мере его заглубления в материал. При воздействии СВЧ электромагнитного поля, как отмечено выше, происходит уплотнение структуры, что приводит к увеличению осевой силы. В то же время повышение плотности матрицы уменьшает залипание агломератов в канавках сверла, а срезаемые фрагменты углеродных волокон, обладающих минимальным коэффициентом трения по стали, уменьшают момент и силу трения по ленточкам. Движение сверла облегчается, и обработка происходит за меньшее время. В образцах, обработанных при больших значениях ППЭ, образуется мелкодисперсная стружка, которая легко эвакуируется, продвигаясь по канавкам, большое количество мелких фрагментов углеродных волокон существенно снижает трение. Это приводит к максимальному сокращению времени сверления. В то же время повышение плотности матрицы затрудняет срезание стружек, что в конечном итоге замедляет процесс снижения времени сверления.
0
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, модифицирование отвержденных ПКМ в СВЧ электромагнитном поле позволяет не только повысить механические характеристики изделий из них, но и улучшить обрабатываемость резанием за счет сближения технологических характеристик матрицы и наполнителя и повышения однородности структуры матрицы, что способствует существенному снижению кромочных дефектов и, как следствие, - уменьшению трудоемкости доделочных операций и повышению качества изделий. Это происходит при увеличении поверхности контакта «матрица-волокно» и увеличении количества надмолекулярных образований, снижении их размеров и сближении.
Анализ полученных зависимостей свидетельствует о снижении времени сверления опытных образцов углепластика на (10-33) %, что позволяет повысить производительность обработки или сократить число переточек инструмента.
Введение в технологический процесс изготовления изделий из ПКМ операции СВЧ модифицирования перед механической обработкой может обеспечить повышение эффективности и качества конструкционных элементов перспективных образцов авиационной и ракетно-космической техники из углепластика и других групп ПКМ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. http://xn--80aplem.xn--p1ai/analytics/Mirovoj-rynok-uglerodnogo-volokna.
2. Дориомедов М.С. Российский и мировой рынок полимерных композитов (обзор) // Труды ВИАМ. 2020. № 6-7 (89). С. 29-37.
3. Полимерные композиционные материалы в конструкциях летательных аппаратов / Г.М. Гуняев, В.В. Кривонос, А.Ф. Румянцев и др. [Электронный ресурс] // Конверсия и машиностроение. 2004. № 4. Режим доступа: www: viam.ru/public.
4. Каблов Е.Н. Материалы и химические технологии для авиационной техники // Вестник Российской академии наук. 2012. Т. 82. № 6. С. 520-530.
5. Михайлин Ю.А. Конструкционные полимерные композиционные материалы. 2-е изд. СПб.: Научные основы и технологии, 2010. 822 с.
6. International Plastics Handbook the Resource for Plastics Engineers / S. Brinkmann at al.; еd. Hanser. 2006. 920 p.
7. Комаров Г.В. Свойства ПКМ, влияющие на их способность соединяться // Полимерные материалы. 2010. № 2-3. С. 18-27.
8. Мешкас А., Макаров В., Ширинкин В. Пути решения проблем механической обработки композиционных материалов на машиностроительном предприятии // Станкоинстру-мент. 2016. № 3. С. 55-59.
9. Злобина И.В., Бекренёв Н.В. Исследование влияния ультразвуковой пропитки на физико-механические характеристики армированных углеродными волокнами полимерных композиционных материалов // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2020. № 2. С. 72-78.
10. Механическая обработка композиционных материалов при сборке летательных аппаратов (аналитический обзор): монография / Д.В. Криворучко, В.А. Залога, В.А. Колесник и др.; под общ. ред. проф. В.А. Залоги. Сумы: Университетская книга, 2013. 272 с.
11. Ярославцев В.М. Высокоэффективные технологии обработки изделий из композиционных материалов [Электронный ресурс] // Наука и образование: Электронное научно-техническое издание. 2012. № 4. С. 1-22, 77-30569/361759, № 04 апрель 2012 г. Режим доступа: http://technomag.edu.ru 14.
12. Зубарев Ю.М., Приемышев А.В., Заостровский А.С. Особенности технологии механической обработки углепластиков // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2016. № 5. С. 30-33.
13. Лобанов Д.В., Янюшкин А.С. Технология инструментального обеспечения производства изделий из композиционных неметаллических материалов: монография. Старый Оскол: ТНТ, 2012. 296 с.
14. Злобина И.В., Бекренёв Н.В. Новые конструкторско-технологические методы повышения прочности конструкционных элементов из неметаллических композиционных материалов: монография. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2017. 164 с.
15. Zlobina I.V., Bekrenev N.V. Impact load influence on hardened polymer composite materials with metal elements built in the structure after microwave electromagnetic field treatment // Journal of Physics: Conference Series, 2019-12-10.
16. Злобина И.В., Бодягина К.С., Бекренёв Н.В. Компьютерное моделирование структурных изменений в отвержденных полимерных композиционных материалах под действием СВЧ электромагнитного поля // Вопросы электротехнологии. 2019. № 1 (22). С. 64-73.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Злобина Ирина Владимировна -
кандидат технических наук, доцент кафедры «Техническая механика
Irina V. Zlobina -
Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Department Technical Mechanics and Mechatronics, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
и мехатроника» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Бекренёв Николай Валерьевич -
доктор технических наук, профессор кафедры «Техническая механика и мехатроника» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю. А.
Nikolay V. Bekrenev -
Dr.Sc. Tech., Professor, Department of Technical
Mechanics and Mechatronics, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Статья поступила в редакцию 15.01.21, принята к опубликованию 17.02.21
