CC BY
60
УДК 621.865.8
A. С. Дударев, канд. техн. наук, доц., (342) 239-15-08, [email protected] (Россия, Пермь, ПНИПУ),
B.И. Свирщёв, д-р техн. наук, проф., (342) 219-82-95, [email protected] (Россия, Пермь, ПНИПУ)
СПОСОБЫ ИСКЛЮЧЕНИЯ РАЗРУШЕНИЯ МЕЛКОРАЗМЕРНОГО РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ПРИ СВЕРЛЕНИИ ОТВЕРСТИЙ В МНОГОСЛОЙНЫХ СЭНДВИЧЕВЫХ КОНСТРУКЦИЯХ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Освещены способы, по предотвращению поломок мелкоразмерного режущего инструмента на операциях сверления отверстий в многослойных сэндвичевых панелях из полимерных композиционных материалов.
Ключевые слова: полимерный композиционный материал, сэндвичевая конструкция, режущий инструмент.
В середине XX века появился новый класс конструкционных материалов - полимерные композиционные материалы (ПКМ), которые нашли широкое применение в разных отраслях промышленности, особенно в таких, как: авиа-, ракетостроение, судостроение.
ПКМ обладают высокими физико-механическими, электроизоляционными, химическими и антифрикционными свойствами, обладают способностью гасить вибрации, шумы. Из ПКМ возможно изготавливать уникальные конструкции изделий. Одной из перспективных конструкций из ПКМ является многослойная сэндвичевая панель (рис. 1), обладающая низким удельным весом и в то же время значительной жесткостью.
« * * V I X X X X А X Л Л ^ Л Л Л X X X X ххххх * ф \ * \
1' '—«—•—а—' > / N А Л Л Л Л уА /Л /Л А^ У * У
Рис. 1. Фрагмент многослойной сэнвичевой конструкции из ПКМ
Снижение шума авиационной техники на местности является актуальной задачей. Снижение излучаемого шума авиации с помощью звукопоглощающих конструкций возможно осуществлять на самолётах различного назначения. Из ПКМ на ОАО «Пермский завод «Машиностроитель»»
изготавливают звукопоглощающие конструкции для авиадвигателей ПС-90А. В планах Правительства РФ и Департамента авиационной промышленности Министерства промышленности и торговли РФ намечено с 20132014 г. начало производства перспективного двигателя ПД-14, с звукопоглощающими конструкциями из ПКМ.
Звукопоглощающие конструкции представляют собой сэндвичевые оболочки сложной конфигурации. Они содержат области со значительным количеством мелкоразмерных отверстий. Отверстия в панелях имеют различное назначение (для поглощения шума - мелкоразмерные отверстия диаметром 1,6-2 мм, для крепежных элементов от 6,5 мм и др.). В одной из ЗПК количество мелкоразмерных отверстий для поглощения шума достигает 200 тыс. Звукопоглощающая панель в разрезе представляют собой сэндвичевую конструкцию. Перфорированная поверхность с внутренней стороны. Наружный слой сплошной. На рис. 2 приведен снимок перфорированной звукопоглощающей панели.
Рис. 2. Элемент звукопоглощающей панели двигателя ПС 90А2
Основная причина ограниченного применения немеханических методов формообразования отверстий в ЗПК, таких как: гидравлической струйной обработки и электрофизической обработки заключается в том, что звукопоглощающие панели представляют многослойную ячеистую конструкцию, наружную стенку необходимо сохранить целостной, т.е. не допускается стенки панели перфорировать насквозь (см. рис. 2).
Сверление отверстий в деталях диаметром до 3 мм применяют во многих отраслях промышленности. Получение таких отверстий связано с рядом трудностей, главными из которых следует считать поломки режущего инструмента и кроме этого, обработка ПКМ осложняется рядом других проблем.
Технологические проблемы, возникающие при механической обра-
ботке ПКМ:
1. Наличие сколов, разлохмачивание материала в местах входа и выхода инструмента из отверстий, по причине низкой адгезионной связи наполнителя со связующим.
2. Сложность получения высокого качества обработанных отверстий ПКМ (необходимой шероховатости), из-за ярко выраженной анизотропии свойств, что требует учёта структуры армирования путём индивидуального подбора режимов резания и геометрии инструмента.
3. Низкая теплопроводность материала, обуславливающая плохой отвод теплоты из зоны резания (инструмент поглощает 80-90% тепла).
4. Высокие вязкоупругие свойства приводят к нетривиальному явлению - усадке отверстий.
5. Абразивное воздействие наполнителя, обусловленное высокой твердостью наполнителя и наличия больших площадей контакта по задней поверхности - приводит к интенсивному износу инструмента.
6. Деструкция полимерного связующего при резании. Под действием механических и тепловых нагрузок происходит химическое разрушение наполнителя ПКМ.
7. Низкая производительность процесса, из-за невысоких скоростей резания, т. к. ограниченно применение смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ), поскольку ПКМ обладают свойством влагопоглощения.
8. Специфические требования техники безопасности, связанные с выделением летучих мелкодисперсных частиц ПКМ при резании.
При формообразовании отверстий для поглощения шума 01,6...2 мм в звукопоглощающих панелях по существующим технологиям применяют ручной труд с использованием пневматических дрелей и лезвийного инструмента.
В связи с вышесказанным, автоматизация процесса перфорации отверстий становится актуальной. Решением задачи автоматизации перфорации является создание роботизированного комплекса по проекту автора, который описан в [2], ив настоящее время проект находится на стадии реализации. Роботизированный комплекс, является универсальным, позволяет выполнять операции перфорации и фрезерования в изделиях типа многослойных оболочек. Материалы обрабатываемых изделий: полимерные композиционные материалы, различные неметаллические материалы (пластмассы, дерево и др.).
Как отмечено в литературе [4], процесс сверления мелкоразмерных
отверстий до 3 мм в различных конструкционных материалах трудно поддаётся автоматизации и механизации. Концевой инструмент диаметрами до 3 мм, из быстрорежущих и твердых сплавов - легко ломается.
В сэндвичевой звукопоглощающей конструкции из ПКМ размер окон между ребрами жесткости 15...20 мм, и расположение ребер жесткости никак не увязано с расположением отверстий, имеющих межосевое расстояние 4,5 мм, т.е. перегородки сэндвичевой панели случайным образом пересекаются с отверстиями. На производстве часто, при попадании сверлом в перегородку сэндивичевой конструкции сверла ломаются, по причине возникновения радиальной силы, ломающей инструмент (рис. 3).
Если при входе в отверстие подача инструмента осуществляется не строго перпендикулярно стенке оболочки звукопоглощающей сэндвичевой конструкции, происходит защемление сверла между внутренними и наружными слоями ЗПК. При этом, при обратном ходе сверла, происходит поломка вследствие перекоса инструмента. При одностороннем резании отметим, что величина скручивающего момента, т.е. момента разрушающего стержень сверла, зависит от глубины врезания в материал перегородки, т.е. чем глубже сверло проникло в материал, тем оно больше подвержено поломке.
Рис. 3. Вход сверла в перегородку
Для выпуска конкурентоспособной продукции из ПКМ необходимо проведение комплекса мероприятий по оптимизации механической обработки мелкоразмерным инструментом сэндвичевых панелей, где наиболее уязвимым звеном технологической системы является режущий инструмент. Способы по исключению поломок режущего инструмента сводятся к следующему:
1. Адаптивное управление подачей или частотой вращения режущего инструмента, с целью снижения сил резания при попадании в ребро жесткости;
2. Опережающее (перед формообразованием) ионное просвечивание аналитическими электронными микроскопами конструкций из ПКМ, с целью прогнозирования наличия перегородок сэндвичевой конструкции, в местах сверления, а затем обходы этих зон;
3. Использование нового режущего инструмента из биметаллических сверхпрочных материалов, выдерживающих значительные нагрузки во всех направлениях.
Каждый их этих способов может применяться раздельно, или комбинированно. Охарактеризуем возможные реализации каждого из отмеченных способов.
Известны исследования адаптивного управления (АУ) у [1]. В [1] описано использование АУ для решения задач точности, качества и производительности обработки деталей, а также АУ для управления стойкостью режущего инструмента. На основе известных исследований [1], можно сделать вывод, что использование АУ для дозирования машинной подачи инструмента, с целью решения задачи предотвращения поломки режущего инструмента является технически выполнимой задачей. АУ величиной подачи или частотой вращения режущего инструмента необходимо вести с постоянной диагностикой, так сказать осуществлять мониторинг выбранного технологического параметра в текущем режиме. В качестве технологического параметра возможно использовать функциональный параметр сверления - осевое усилие возникающие на инструменте.
Для проектирования АУ необходим выбор функциональной характеристики процесса сверления - осевого усилия сверла и места размещения его регистрирующего устройства в роботизированном комплексе. Большое значение на достоверность получаемой информации о величине осевого усилия оказывает расположение измерительного устройства в системе Робот - Привод - Инструмент - Деталь (РПИД). В качестве функциональной характеристики могут быть использованы упругие перемещения звеньев системы (РПИД). Для объективного выбора той или иной характеристики необходимо знать её отклонение во всём диапазоне изменения ус-
ловий обработки при выполнении операций сверления. Эта задача может быть решена аналитическим путём или экспериментально.
При выборе места встройки измерительного устройства, его по возможности следует встраивать максимально близко к месту возникновения динамической настройки в зоне резания, т.е. к месту откуда будет быстрее получена информация об отклонении. Конструктивно, в обратной последовательности системы РПИД, режущий инструмент защемляется в цанговом зажиме, а цанговый зажим вставляется в патрон. Таким образом, чувствительный измерительный элемент должен находиться между цанговым зажимом и патроном мотор-шпинделя.
При формообразовании отверстий в сэндвичевых конструкциях при попадании в перегородку в патроне с цангой наблюдается повышение осевого усилия. При определенном пороговом значении усилия, должна срабатывать процедура обратного хода или замедления скорости подачи, и переход на новую координату отверстия. Затем цикл должен повторяться, с постоянным отслеживанием осевого усилия.
Прогнозирование наличия рёбер жесткости в сэндвичевых панелях можно вести спектроскопией [3]. Спектроскопия характеристических потерь энергии электронов (СХПЭЭ или EELS-Electron Energy Loss Spectro-sopy) является, подобно энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (ЭДС или EDS-Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy), одним из наиболее популярных методов аналитической электронной спектроскопии.
Ранее считалось, что по сравнению с методом ЭДС метод СХПЭЭ эффективен только для анализа легких элементов и вообще бесполезен для количественного анализа. Однако в последнее время точность анализа методом СХПЭЭ была значительно улучшена благодаря повышению характеристик детекторов и использованию в микроскопах электронных пушек с полевой эмиссией. Кроме того, на электронные микроскопы стали устанавливать системы с фильтрацией электронов по энергии, обеспечивающие получение изображений в режиме энергетической фильтрации.
Таким образом, в настоящее время метод СХПЭЭ находит всё большее распространение в практических приложениях.
В наши дни [3] аналитическая электронная микроскопия, как один из наилучших экспериментальных методов, привлекает к себе большое внимание благодаря высочайшему пространственному разрешению при наблюдении изображений (~0,1 нм) и возможности анализа с помощью на-нозонда (диаметром ~1 нм).
Принцип взаимодействия электронов с материалами, в том числе с
ПКМ, заключается в следующем: электроны проходящие через фрагмент детали ПКМ разделяются на две группы. В одну группу входят прошедшие электроны, которые не испытали каких-либо потерь энергии, и другая группа состоит из электронов, неупругорассеянных в результате взаимодействий с материалом.
У известного мелкоразмерного режущего инструмента из быстрорежущей стали существует две проблемы:
1) Преждевременное выкрашивание режущих кромок;
2) Поломка инструмента.
Эти две проблемы напрямую связаны с сильно развитой карбидной неравномерностью. Исследователи Санкт-Петербургского государственного политехнического университета (СПГПУ) совместно с компанией ЗАО «Теком» в 2011-2012 гг. создали биметаллический материал с равномерной карбидной фазой для инструмента. На рис. 4 приведены фазы биметаллического сплава и стандартной стали.
СПГПУ с ЗАО «Теком» создали мелкоразмерный инструмент из порошковых материалов с помощью газовой экструзии стали Р6М5. Созданный инструмент по целому ряду показателей превосходит стандартную сталь Р6М5 ГОСТ 19265-73. Некоторые свойства приведены в таблице.
Свойства новой и быстрорежущей стали Р6М5
Свойства Новая порошковая сталь Сталь Р6М5 ГОСТ 19265-73
Предел прочности (изгиб), МПа 4000-6000 1800-3700
Ударная вязкость, кДж/м2 400-700 200-350
Твердость, HRC 65-67 64-66
Трудоемкость шлифования, у.е. 0,3 1
Стойкость инструмента, у.е. 2-6 1
Из биметаллических материалов, приведенных в табл. 1 изготовлен режущий инструмент диаметрами 2-6 мм, для обработки отверстий, приведен на рис. 5.
а
б
Рис. 4. Карбидная фаза, Увеличено х10 000: а — Р6М5 ГОСТ 19265-73; б — порошковый сплав
Рис. 5. Режущий инструмент из биметаллических материалов
Каждый их предложенных способов может быть использован для предотвращения поломок инструмента. Достаточно развитие одного из них.
Список литературы
1. Адаптивное управление станками. Под ред. Б.С. Балакшина. М.: Машиностроение, 1973. 688 с.
2. Дударев А.С., Свирщёв В.И., Ломаев В.И. Автоматизация процесса перфорации отверстий в звукопоглощающих панелях авиационных двигателей. «Машиностроение и техносфера XXI века»// Сборник трудов XV международной научно-технической конференции. В 4-х томах. Донецк: ДонГТУ, 2008. 348 с. Т.1. С. 311-314.
3. Синдо Д., Оикава Т. Аналитическая просвечивающая электронная микроскопия. М.: Техносфера, 2006. 256 с.
4. Холмогорцев Ю.П. Оптимизация процессов обработки
отверстий. М.: Машиностроение, 1984. 184 с.
A.S.Dudarev, V.I.Svirchshev
WAYS OF EXCEPTION OF DESTRUCTION OF THE SMALL CUTTING TOOL AT DRILLING APERTURES IN LAYERED SANDWICH DESIGNS FROM POLYMERIC COMPOSITE MATERIALS
In clause the ways, on prevention of breakages of the small cutting tool on operations of drilling of apertures in layered sandwich panels from polymeric composite materials. Key words: polymeric composite material, sandwich construction, cutting tool.
Получено 17.05.12
