CC BY
20
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
УДК 620.178.3; 62.97/98
УЧЁТ РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПРИ ОБРАБОТКЕ РЕЗАНИЕМ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ
В.Б. Протасьев, А.Е. Виноградов, В.В. Истоцкий
Приводится модель вязкоупругого материала, которой возможно описать поведение композитных материалов при обработке резанием. Даются выводы по возможности обработки таких материалов.
Ключевые слова: реология, машиностроение, механическая обработка, композитные материалы, ЧПУ.
Современное машиностроение ускоренными темпами отходит от использования металлов и всё чаще применяет современные материалы, обеспечивающие работоспособность при знакопеременных нагрузках и высоких эксплуатационных температурах.
После того, как современная физика объяснила причины повышенной прочности новых материалов [1], началась их систематическая и интенсивная разработка.
На данный момент различают две основные группы:
- комбинированные материалы, усиленные (армированные) волокнами;
- материалы с диспергированными твёрдыми частицами.
Во второй группе явное лидерство [2] принадлежит углепластикам. Интерес к этому материалу объясняется данными таблицы.
Из таблицы следует, что по удельной прочности и удельному модулю (жёсткости) углепластик превосходит почти все рассматриваемые материалы. Кроме того, углепластики по затратам на готовые изделия в пересчёте на 1 кг составляют 72,7 условных единиц [2], а для стали - 220 у.е., для алюминия - 392 у.е., для титана - 1533 у.е.
78
Естественно, обработка резанием этих материалов вызывает повышенный интерес машиностроителей, тем более, что традиционные приёмы обработки, разработанные для резания металлов, не дают положительных результатов для углепластиков.
Сравнительные характеристики конструкционных
материалов
Материал Плотность, кг/м3 Прочность при растяжении, МПа Модуль Юнга, ГПа Удельная прочность, е*103 км Удельный модуль, Е*106 км
Углепластик 1450... 1600 780...1800 120... 130 53...112 9...20
Стеклопластик 2120 1920 69 91 3,2
Высокопрочная сталь 7800 1400 210 18 2,7
Алюминиевый сплав 2700 500 75 18 2,7
Титановый сплав 4400 1000 110 28 2,5
Полиамид 6,6 1440 82,6 28 7,24 0,24
Для анализа поведения углепластика под нагрузкой рассмотрим реологическую модель, состоящую из элемента мгновенной (большой) жёсткости С1, элемента запаздывающей жёсткости С2, соединённого параллельно с элементом вязкости В, причём усилие Р действует на параллельные элементы, не вызывая перекоса системы (рис. 1).
Рис. 1. Реологическая модель углепластика
79
На рис. 2 приведена качественная диаграмма «напряжение-деформация» под действием постоянного усилия Р. В начале (участок О А) деформируется элемент С на величину Аь Здесь действует закон Гука, т.е. соблюдается линейная зависимость между величинами напряжения б и деформации А:
А = С1/ б. (1)
Далее деформируется с меньшей скоростью вязкоупругое соединение ВС2 - это участок АВ диаграммы. Точка В - момент начала разгрузки, при которой мгновенно восстанавливается элемент С1 системы на участке ВС. На участке СД неполностью восстанавливается упруговязкое соединение ВС2 и при этом система не возвращается в точку О, а сохраняя внутреннее напряжение бв, приобретает остаточную деформацию А2.
Разгрузка
Рис. 2. Поведение углепластика под нагрузкой-разгрузкой
Точка В1 соответствует напряжениям, при которых образец разрушается. Какие выводы позволяет получить такая модель? Рассмотрим их последовательно с возможными пояснениями.
1. При резании необходимо обеспечить напряжение, соответствующее точке В1. В этом заключении нет ничего нового. Это условие обеспечивается мощностью привода станка и остротой режущей кромки инструмента.
2. Нельзя допускать возврата системы в точку в, если это имеет место, то появятся затраты мощности на новое сжатие системы. Такое требование можно выполнить, применяя не прямозубые фрезы, а инструменты с
80
винтовыми зубьями, которые не теряют контакта с обрабатывающей поверхностью. В этом выводе тоже нет новизны - так проектируют инструменты для обработки сталей.
3. Композиты состоят из пластично-матричного материала, служащего основой и более прочных и твёрдых компонентов-наполнителей. Основную роль в усилении композитов играют упрочняющие материалы. Они имеют повышенную твёрдость, прочность и модуль упругости. Основные типы структур композитов указаны на рис. 3.
Рис. 3. Схемы построения композиционных материалов:
а - дисперсно упрочнённые; б - волокнистые; в - слоистые
Рассмотрим каждый тип материалов, выделив для анализа некоторый объём, позволяющий выполнить анализ его поведения под нагрузкой:
- дисперсно упрочнённые композиты содержат в себе тугоплавкие частицы оксидов, карбидов, нитридов и т.д., отличаются высокой жароустойчивостью и сопротивлением ползучести;
- волокнистые композиты содержат в себе волокна различной формы (нити, сетки, ленты), армирующие материалы дают большое увеличение прочности определяют основные реологические свойства;
- слоистые композиты принимают вид «бутерброд», состоя из чередующихся слоёв наполнителей и матричного материала, обычно используется неметаллические материалы.
Обработка всех типов композитов зависит от составных частей применяемых материалов, а также от выбранного типа режущего инструмента, его геометрических особенностей конструкции режущей части и выбранного режима обработки.
Процесс резания углепластиков лезвийным инструментом [3, 4] можно отнести к высокотемпературным процессам, протекающим в локальных зонах режущей кромки, сопровождающихся выделением в зоне резания расплавленного связующего материала.
Эта фаза, попадая в стружечные канавки фрез, пакетирует стружку и инструмент вначале, теряет работоспособность и ломается, поэтому в модели (см.рис. 1) показано ограничение температуры.
Обеспечение работоспособности возможно снижением скорости резания, что принципиально недопустимо, или, напротив, её повышением.
Теоретическое объяснение такого решения основано на балансе тепловой энергии, сопровождающей процесс резания. При обработке металлов до 80 % этой энергии уходит из зоны резания вместе со стружкой.
Авторы считают, что при высоких скоростях резания связующая фаза углепластиков не успеет расплавиться, что и необходимо для обеспечения работоспособности инструментов и повышения производительности. Этот вывод содержит новизну и явное отличие от резания металлов.
4. Различными исследованиями доказано, что при фрезеровании металлов [5] и неметаллических материалов [6] эффективно так называемое косоугольное резание. Его эффективность можно оценить отношением полезной работы, затрачиваемой только на резание Арез, к общей работе АЕ, необходимой для выполнения фрезерования.
Кэ=Арез/АЕ . (2)
Данные работы [6] при фрезеровании корешков бумажного блока (рис. 4) показывают явное преимущество косоугольного резания, т.е. инструментов с винтовыми зубьями. Объяснение такой тенденции вызвано наличием в реологической модели (см.рис. 1) вязкого элемента В. Этот элемент обладает инерционностью.
К,
1 10 \
0,5 7
/
0 15 30 4.5
Рис. 4. Изменение коэффициента эффективности Кэ
При медленных скоростях, т.е. медленном нарастании усилия Р, он успевает срабатывать, а при быстром нарастании (высоких скоростях резания) этот элемент не успевает сработать, повышая тем самым жёсткость блока за счёт уменьшения работы АЕ в формуле (2). Применяя инструменты с винтовыми зубьями, обеспечивается перерезание волокон арматуры (у блоков бумаги - это связующие волокна из целлюлозы).
Этот вывод особо важен при фрезеровании углепластиков, несмотря на некоторую схожесть с использованием винтовых зубьев при обработке металлов.
Напрашивается аналогия с рубкой казаками лозы с целью освоения так называемого «Баклановского» удара с потягом [7], т.е. скольжением лезвия по зоне резания. Прямым ударом незакреплённую ветку лозы перерубить не удавалось, а косым ударом это обеспечивалось очень эффективно.
5. Модель (см.рис. 1) показывает, что предварительное сжатие полезно для резания углепластиков. Может необходимо на инструментах применять специальные деформирующие элементы по аналогии с фрезами для фасонной обработки древесины [7].
По мнению авторов, это очень рациональное решение, рассмотренное в работе [8], по данным которой возможны следующие конструктивные решения:
- использование в режущей части правых винтовых поверхностей, которые обеспечивают задние углы на режущих зубьях и левых винтовых поверхностей, которые деформируют обрабатываемую поверхность;
- чередование последовательно расположенных режущих и деформирующих зубьев.
6. Разделение сплошных режущих кромок на отдельные режущие элементы. В работе [9] такое решение обеспечивает инструменту так называемую конструктивную подачу. Отдельные элементы выполняют резание в более благоприятных условиях, чем сплошная режущая кромка. Обеспечивается снижение усилий резания, температуры в зоне резания, облегчается удаление стружки из зоны резания.
В заключение хочется отметить следующее: сделанным выше выводам ещё рано полностью доверять, но определённые шаги в этом направлении существуют. В России особенно интенсивно этими исследованиями занимается фирма «РИТ-Инжиниринг», на базе которой созданы все условия для развития этого направления.
В будущем планируется проделать работу по доказательству или переосмыслению приведённых выводов.
Список литературы
1. Думанский А.М. Проблемы материаловедения в машиностроении. М.; Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2015. 52 с.
2. Молчанов Б.И., Гудимов М.М. Свойства углепластиков и области их применения // Авиационная промышленность. 1997. № 3 - 4.
3. Петров В.М. Реологическая модель разрушения углепластиков, при резании лезвийным инструментом // Вопросы материаловедения. 2002. №3 (31). С. 104-110.
4. Иванов О.А. Повышение эффективности лезвийной обработки композиционных углепластиков на основе учёта их физико-механических характеристик: автореф. дис. ... канд. техн. наук. СПб, 2006.
5. Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов. М.: Машиностроение, 1975. 344 с.
6. Омельченко Л.А., Протасьев В.Б. Конструкция торцевых фрез для обработки корешков бумажных блоков // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2007. Вып. 3. С. 89 - 92.
7. Шолохов М.А. Тихий Дон. М.: Эксмо, 2011. 1440 с.
8. Протасьев В.Б., Степанов Ю.С. Ушаков М.В. Прогрессивные конструкции затылованных инструментов. Библиотека инструментальщика. М.: Машиностроение, 2003. 224 с.
9. Протасьев В.Б, Истоцкий В.В., Виноградов А.Е. Производство борфрез в РФ: исторические, теоретические и технологические аспекты // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2016. Вып. 11. Ч. 2. С. 568 - 573.
10. Резник Н.Е. Теория резания лезвием и основы расчёта режущих аппаратов. М.: Машиностроение, 1975. 275 с.
Истоцкий Владислав Викторович, канд. техн. наук, доц., imstulgu@pochta.ru, Россия, Московская область, Чехов, НПП «РИТ-Инжиниринг»,
Протасьев Виктор Борисович, д-р техн. наук, проф., imstulgu@pochta.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Виноградов Александр Евгеньевич, асп., imstulgu@pochta.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
TAKING INTO CONSIDERATION THERHEOLOGICAL PROPERTIES IN MACHINING OF COMPOSITE MATERIALS
V. V. Istockiy, V.B. Protasev, A.E. Vinogradov
The article presents a model of visco-elastic material, which it is possible to describe the behavior of composite materials during the cutting process, are some insights on the possibility of processing such materials.
Key words: reology, mechanical engineering, machining, composite materials,
CNC.
Istockiy Vladislav Victorovich, candidate of technical sciences, docent, v_ist@mail.ru, Russia, Moscow region, Chehov, JSC "RIT-Engineering",
Protasev Victor Borisovich, doctor of technicale sciences, professor, imstul-gu@pochta.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Vinogradov Aleksandr Evgenyevich, postgraduate, imstulgu@pochta.ru, Russia, Tula, Tula State University
