CC BY
0
УДК 621.9 Б01 10.25960/то.2019.2.14
Сравнительные испытания стойкости инструмента при точении композитного пластика Ф-4К20
Д. И. Токарев, А. А. Дроздов, Л. Д. Сиротенко, Е. В. Матыгуллина, Т. Р. Абляз
Представлены результаты сравнительных испытаний стойкости токарных резцов, оснащенных пластинами из твердого сплава (ВК8), кубического нитрида бора (CBN) и синтетического алмаза (CVD-алмаз) при точении композитного пластика Ф-4К20. Показано, что максимальная стойкость и минимальные затраты в процессе эксплуатации инструмента достигаются при использовании синтетического алмаза (CVD-алмаз). Также возможно использование кубического нитрида бора (CBN). Применение твердого сплава (ВК8) для токарной обработки пластика Ф-4К20 является наименее предпочтительным. Определены оптимальные режимы резания: глубина резания равна припуску на обработку; шероховатость Ra = 3,2 мкм обеспечивается подачей 0,3 мм/об, Ra = 1,25 мкм - 0,2 мм/об, Ra = 0,63 мкм - 0,1 мм/об; скорость резания 500-600 м/мин. Установлено, что для токарной обработки заготовок из пластика Ф-4К20 целесообразно применять остро заточенный инструмент без использования СОЖ.
Ключевые слова: точение пластиков, стойкость инструмента, интенсивность износа, алмазный резец, обрабатываемость резанием, композитный фторопласт, качество детали.
Введение
В настоящее время все более широкое применение в различных областях машиностроения находят полимерные композиционные материалы, которые обладают комплексом высоких физико-механических свойств, однако характеризуются низкой степенью обрабатываемости резанием из-за использования в качестве наполнителя твердых частиц, оказывающих абразивное воздействие на режущую кромку инструмента и вызывающих ее преждевременный износ. К таким полимерным композиционным материалам относится кок-сонаполненный фторопласт, который с трудом обрабатывается резанием даже инструментом из твердого сплава, и для его обработки требуется инструмент из сверхтвердых материалов, например из синтетического алмаза.
Композитный пластик Ф-4К20 является труднообрабатываемым из-за наличия частиц кокса размерами 10-100 мкм. Наличие этих абразивных частиц значительно повышает сопротивление износу композитного пластика
Ф-4К20 по сравнению с чистым фторопластом Ф-4, но при этом значительно увеличивается абразивный износ инструмента при обработке композитного пластика Ф-4К20 резанием.
Проблема механической обработки труднообрабатываемых композитных пластиков представляет интерес для значительного числа исследователей, что связано с их повышенными физико-механическими свойствами по сравнению с неармированными полимерными материалами и расширением потенциальной возможности их применения в различных конструкциях современных механизмов.
В работах российских ученых представлены результаты исследований силового взаимодействия обрабатываемого материала с инструментом [1], механизмов формирования стружки и разрушения материала при резании [2]. Эти исследования позволяют сформировать научное представление о физико-механических процессах в зоне резания при механической обработке труднообрабатываемых композитных пластиков и их влиянии на характер износа режущей кромки инстру-
ЕТАЛЛООБРАБОТКЛ
мента. Также имеются научные публикации зарубежных ученых, в которых отражены результаты изучения процессов механической обработки при сверлении [3], точении [4], рассмотрены общие вопросы резания труднообрабатываемых композитных пластиков [5, 6], при этом наиболее значительная часть работ посвящена механической обработке стеклопластиков и углепластиков. И хотя существуют общие закономерности, характерные для обработки всех видов труднообрабатываемых композитных пластиков, тем не менее каждый пластик имеет свои особенности механической обработки, наиболее важными из которых являются материал и геометрия режущей части инструмента.
Цель работы — проведение сравнительных испытаний стойкости токарных резцов, оснащенных пластинами из твердого сплава (ВК8), кубического нитрида бора (CBN) и синтетического алмаза (CVD-алмаз), при точении композитного пластика Ф-4К20 (кок-сонаполненного фторопласта), для определения материала режущей части инструмента, который характеризуется максимальной стойкостью и минимальными расходами на инструмент.
Методика эксперимента
Экспериментальная работа проводилась в условиях серийного производства ООО «Кедрон» (г. Пермь). Обработка выполнялась на токарном обрабатывающем центре с ЧПУ модели Genos L300-M (рис. 1, а). Из заготовки в виде трубы по управляющей программе деталь обтачивалась и отрезалась. Обрабатывались серийные детали типа кольцо из композитного пластика Ф-4К20 (рис. 1, б) — композиции на основе фторопласта Ф-4 с добавлением 20 % кокса. В качестве инструмента использовались токарные резцы с пластинками, имеющими режущую часть из твердого сплава (ВК8), кубического нитрида бора (CBN) и синтетического алмаза (CVD-алмаз). В последнем случае сменная пластина состояла из твердосплавной основы и припаянной режущей вставки из CVD-алмаза (рис. 1, в). Режущая вставка представляет собой параллелепипед из твердосплавной основы с нанесенной методом CVD (Chemical Vapor Deposition - алмаз химически осажденный из газовой фазы) алмазной пленкой размерами 16 X 2 X 0,8 мм.
Режимы резания подбирали с точки зрения обеспечения максимальной стойкости и
а)
б)
в)
60°
R0,4
16 А
V--' 1
1
00
10° о
Рис. 1. Обработки детали типа кольцо из композитного пластика Ф-4К20 резцом с пластиной из СУБ-алмаза
производительности обработки, а также требуемых параметров качества детали (точность размеров и шероховатость поверхности).
В процессе проведения экспериментальных работ за ходом токарной обработки серийных деталей проводился визуальный контроль. Работа инструментом прекращалась, когда визуально на обработанной поверхности деталей наблюдалось увеличение общей шероховатости, появление рисок и других дефектов. При этом оценивали состояние режущей кромки токарной пластины (износ или сколы на режущей кромке) с помощью инструментального микроскопа БМИ-1 и выносилось заключение о степени изношенности токарной пластины.
В эксперименте использованы три пластины: из твердого сплава (ВК8), кубического нитрида бора (CBN) и синтетического алмаза (CVD-алмаз). После достижения пластиной предельного износа осуществлялась ее переточка, после чего пластина вновь ставилась на резец для дальнейшей работы. Каждая пластина в ходе эксперимента была переточена по семь раз.
В процессе экспериментальных исследований сформированы и систематизированы статистические данные о стойкости токарных пластин и времени на их переточку, проведены расчеты затрат на инструмент.
Установлено, что режущая кромка резца должна быть острой, чтобы избежать подмя-тия обрабатываемого материала под режущий клин, что достигается большими значениями переднего (5-8°) и заднего (6-10°) углов режущей пластины. Значение радиуса при вершине резца 0,4-0,8 мм.
Применение водоэмульсионной СОЖ не оказало статистически значимого влияния на стойкость инструмента, в связи с чем в серийной технологии обработка деталей из материала Ф-4К20 ведется без применения СОЖ.
На основании проведенной серии экспериментов выполнен сравнительный анализ стойкости пластин (рис. 2, 3) и общих затрат на инструмент (рис. 4) при точении деталей типа кольцо из композитного пластика Ф-4К20 тремя различными резцами: с пластинками из твердого сплава (ВК8), кубического нитрида бора (CBN) и синтетического алмаза (CVD-алмаз).
В результате установлено, что среднее значение стойкости режущей пластины из твердого сплава (ВК8) составило 0,42 ч, из кубического нитрида бора (CBN) — 8 ч, из синтетического алмаза (CVD-алмаз) — 10 ч. Поскольку основное время токарных операций на станке в сутки составляет 10 ч, то количество переточек в сутки для пластины из твердого сплава (ВК8) составило 24 раза, из кубического нитрида бора (CBN) — 1,2 раза, из синтетиче-
Результаты и обсуждение
Глубину резания выбирали равной припуску на обработку конкретной поверхности детали, чтобы снять припуск за один проход, тем самым максимально сократить время обработки. В результате экспериментальных исследований установлено, что требуемая шероховатость Ra = 3,2 мкм обеспечивается подачей 0,3 мм/об, Ra = 1,25 мкм - 0,2 мм/об, Ra = 0,63 мкм - 0,1 мм/об. Скорость резания выбирали из условия обеспечения рационального соотношения стойкости инструмента и производительности обработки. Оптимальный диапазон скоростей резания для пластин из твердого сплава (ВК8) 250-300 м/мин, для пластин из кубического нитрида бора (CBN) и синтетического алмаза (CVD-алмаз) — 500600 м/мин.
12
10
____ И ВК8
■ CBN CVD-алмэз
0
Стойкость пластины, ч Рис. 2. Стойкость пластин
8
6
4
2
Е ТАЛ Л О ОБ РАБО Т Kj
140 120 100 80 60 40 20 0
Время на переточку инструмента в месяц, ч
Рис. 3. Время на переточку инструмента
ского алмаза (CVD-алмаз) — 1 раз. Время на переточку инструмента в месяц для пластины из твердого сплава (ВК8) составило 129,6 ч, из кубического нитрида бора (CBN) — 6,48 ч, из синтетического алмаза (CVD-алмаз) — 5,4 ч.
Несмотря на низкую стоимость твердосплавных пластин (400 руб. за 1 шт.) по сравнению с пластинами из кубического нитрида бора и алмаза (10 тыс. руб. за 1 шт.), из-за низкой стойкости пластин, изготовленных из
твердого сплава ВК8, и больших расходов на переточку их применение в производстве оказалось экономически неэффективным.
Затраты на приобретение инструмента в месяц для пластины из твердого сплава (ВК8) составили 41,1 тыс. руб., из кубического нитрида бора (CBN) — 51,4 тыс. руб., из синтетического алмаза (CVD-алмаз) — 42,9 тыс. руб.
Затраты на переточку инструмента в месяц для пластины из твердого сплава (ВК8) составили 220,3 тыс. руб., из кубического нитрида бора (CBN) — 11,0 тыс. руб., из синтетического алмаза (CVD-алмаз) — 9,2 тыс. руб.
Общие затраты на инструмент в месяц при использовании токарного резца с пластиной из твердого сплава (ВК8) составили 261,5 тыс. руб., из кубического нитрида бора (CBN) — 62,4 тыс. руб., из синтетического алмаза (CVD-алмаз) — 52,0 тыс. руб.
Общие затраты на инструмент при точении детали типа кольцо из композитного пластика Ф-4К20 при использовании режущего инструмента с пластинами из кубического нитрида бора и алмаза примерно одинаковы, что позволяет рекомендовать эти материалы для применения в условиях серийного производства. Наименьшими затратами на инструмент при токарной обработке композитного пластика Ф-4К20 характеризуется применение пластины из синтетического алмаза (CVD-алмаз).
ЁИВК8
■ CBN
_
300
250
200
150
100
50
0
Затраты на приобретение инструмента в месяц, тыс. руб.
Затраты на переточку инструмента в месяц, тыс. руб.
Общие затраты на инструмент в месяц, тыс. руб.
IBKS ICBN
CVD-алмэз
Рис. 4. Затраты на инструмент
Выводы
1. Установлено, что для обеспечения максимальной стойкости инструмента и минимальных затрат на инструмент при точении композитного пластика Ф-4К20 необходимо использовать в качестве материала режущей части инструмента синтетический алмаз (CVD-алмаз). Показана возможность использования кубического нитрида бора (CBN). Установлено, что применение твердого сплава (ВК8) является наименее предпочтительным.
2. Установлены режимы резания, обеспечивающие максимальную стойкость инструмента при точении композитного пластика Ф-4К20 пластинами из синтетического алмаза (CVD-алмаз) и кубического нитрида бора (CBN). Глубину резания выбирают равной припуску на обработку. Шероховатость Ra = = 3,2 мкм обеспечивается подачей 0,3 мм/об, Ra = 1,25 мкм - 0,2 мм/об, Ra = 0,63 мкм -0,1 мм/об. Скорость резания 500-600 м/мин.
3. Установлено, что режущая кромка резца должна быть острой, чтобы избежать подмя-тия обрабатываемого материала под режущий клин, что достигается большими значениями переднего (5-8°) и заднего (6-10°) углов режущей пластины. Значение радиуса при вершине резца 0,4-0,8 мм.
4. Применение водоэмульсионной СОЖ не оказало статистически значимого влияния на стойкость инструмента, в связи с чем в серийной технологии обработка деталей из материала Ф-4К20 ведется без применения СОЖ.
Литература
1. Белецкий Е. Н. Моделирование процесса силового взаимодействия инструмента при механической обработке заготовок ответственных деталей из композиционных углепластиков, применяемых в судостроении // Вестн. Государственного университета морского и речного флота им. адмирала С. О. Макарова. 2014. № 6 (28). С. 67-76.
2. Зубарев Ю. М., Приемышев А. В., Заостровский А. С. Особенности лезвийной обработки резанием заготовок из полимерных композиционных материалов// Наукоемкие технологии в машиностроении. 2018. № 2. С. 40-47.
3. Eneyew E. D., Ramulu M. Experimental study of surface quality and damage when drilling unidirectional CFRP composites // Journ. of Materials Researchand Technology. 2014. Vol. 3. P. 354-362.
4. Gubbels G. P. H. Diamond Turning of Glassy Polymers. PhD Thesis. Technische Universiteit Eindhoven, Eindhoven, 2006. P. 35-39.
5. P. Ravikanth Rajul, Karna Soma Shankar. Optimization of Various Process Parameters for CFRP Composite Materials Machining // Journ. of Mechanical and Civil Engineering. Nov.—Dec. 2016. Vol. 13, is. 6, ver. VI. P. 35-40.
6. Xiao K. Q., Zhang L. C. The role of viscous deformation in the machining of polymers // International Journ. of Mechanical Sciences. 2002. Vol. 44. P. 123-131.
Уважаемые авторы!
Для полноценной работы ссылок в Научной электронной библиотеке (НЭБ) просим вас предоставлять в статьях точные библиографические сведения об источниках цитирования.
Ссылки должны быть составлены согласно ГОСТ 7.0.5-2008. Особое внимание просим уделять написанию названий издательств и журналов. Предпочтение отдается полной форме. В случае сокращенного написания, пожалуйста, сверяйтесь с принятой формой сокращения наименования журнала или издательства в НЭБ (если они зарегистрированы). В противном случае НЭБ не сможет идентифицировать ссылку. Ответственность за предоставляемую информацию несет автор.
С уважением, редакция журнала «Металлообработка»
Работа выполнена при поддержке гранта Президента РФ по государственной поддержке молодых российских ученых — кандидатов наук № МК-2072.2019.8.
