CC BY
35
УДК 621.914.025.7
Е. Н. ЛЕКСИН, К. С. САВЕЛЬЕВ, Е. С. КИСЕЛЕВ
ВЫБОР РЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ АВИАЦИОННЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Представлена информация об особенностях выбора режущих инструментов для механической обработки заготовок из композиционных материалов с неметаллическими наполнителями. Установлено, что наилучшие результаты обеспечивают твёрдосплавные фрезы БОБ серии ССЯ без износостойких покрытий. Их период стойкости в 11,4 раза выше по сравнению со стандартными твёр-досплавными концевыми фрезами.
Ключевые слова: режущий инструмент, фреза, станок, композиционный материал, обработка резанием.
Исследования выполнены при финансовой поддержке РФФИ и правительства Ульяновской области (проект 18-47-730005).
В настоящее время всё более широкое применение в различных отраслях промышленности находят композиционные материалы. Это объясняется ужесточением требований к усталостной прочности, стремлением уменьшения массы, повышением устойчивости деталей и изделий к коррозии, а также необходимостью увеличения их срока службы.
Так, в авиационной технике доля композиционных материалов за период с 1994 по 2009 год выросла более чем в 15 раз, и тенденция дальнейшего увеличения их доли в общей массе самолёта сохраняется (рис. 1).
Несмотря на широкое применение композиционных материалов (прежде всего - с неме-
Boeing "77-200 Вытек 1994 года
■ Алюминий Композиты
■ Сталь
Boeing 787-800 Вытек 2009 года
■ Другие
■ Титан
Рис. 1. Применяемые материалы в авиации (по массе) на примере самолётов фирмы Boeing [2]
© Лексин Е. Н., Савельев К. С., Киселев Е. С., 2019
талллическими наполнителями) в таких высокотехнологичных отраслях производства, как аэрокосмическая промышленность, автомобилестроение и энергетика, вопросы эффективного применения режущего инструмента для их механической обработки пока остаются малоизученными.
К инструменту для механической обработки заготовок из композиционных материалов с неметаллическими наполнителями, например стеклопластика и углепластика, из которых изготовляют сэндвич-панели, предъявляются высокие и разнообразные требования по усталостной прочности и эксплуатационным характеристикам. В процессе обработки этих материалов производители сталкиваются с такими проблемами, как расслоение, перегрев, образование заусенцев на изготовляемых деталях, абразивный износ режущего инструмента.
При обработке резанием заготовок из композиционных материалов следует использовать специальные инструменты из материалов, обладающих высокой устойчивостью к абразивному износу. К таким материалам наряду с твёрдыми сплавами относятся кубический нитрид бора (CBN) и поликристаллические алмазы (PCD). Альтернативу инструментам с режущими кромками из поликристаллических алмазов и их сравнительно высокой стоимостью, представляют твёрдосплавные инструменты с алмазным покрытием. Обработка резанием заготовок из композиционных материалов обладает рядом особенностей, отличающих её от аналогичной обработки металлических заготовок. Это объясняется их специфичными свойствами и структурой обрабатываемых материалов. Особенности
в)
Рис. 2. Качество обработанной поверхности углепластика новым (а) и изношенным (б) инструментом - роутером (в) диаметром D10 мм фирмы SGS Tool Company (США) [1]
процесса резания композиционных материалов сводятся к следующему:
1. Относительная сложность получения высокого качества поверхности вследствие невысоких прочностных характеристик композиционных материалов, а также из-за их слоистой структуры (рис. 2).
2. Высокая твёрдость некоторых видов наполнителя.
3. Низкая теплопроводность композиционных материалов, что обуславливает слабый отвод тепла из зоны резания вместе со стружкой и в обрабатываемую заготовку.
4. Абразивное воздействие наполнителя. Наличие в зоне резания твёрдых составляющих приводит к абразивному износу инструмента.
5. Деструкция полимерного связующего при резании. В результате этого возникает механо-химический адсорбционный износ инструмента.
6. Высокие упругие свойства материалов. Увеличение площади контакта упругого композиционного материала с задней поверхностью инструмента, что приводит к повышению значений нагрузки со стороны задней поверхности.
7. При обработке композиционных материалов образуются характерные дефекты поверхности (сколы, расслоения, прижоги), в связи с этим при определении допустимого износа преобладает технологический фактор. Поэтому допустимый износ инструмента при обработке композиционных материалов всегда ниже, чем при обработке металлов.
8. Низкая теплостойкость некоторых составляющих композиционных материалов. При высоких температурах в зоне резания происходит выгорание связующего, на обработанной поверхности появляются прижоги. Поэтому обработка должна выполняться при меньших значениях температур в зоне резания. Это усугубляется ещё и тем, что в большинстве случаев не допускается применение смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ), т. к. многие составляющие композиционных материалов обладают таким свойством, как влагопоглощение.
Перечисленные особенности обработки композиционных материалов показывают, что прямой перенос закономерностей процесса резания металлов на эти материалы недопустим. Соответственно, для оптимизации самого процесса резания композиционных материалов, достижения максимальной производительности и требуемого качества поверхности необходим специально подготовленный режущий инструмент, обладающий:
- высокой остротой режущего лезвия;
- повышенными физико-механическими свойствами инструментального материала;
- увеличенными требованиями к качеству подготовки режущих поверхностей и кромки;
- высокими технологическими показателями.
Следовательно, детального изучения и требуют конструктивные особенности инструментов для обработки заготовок из композиционных материалов, свойства и технологические возможности инструментальных материалов для оснащения инструмента, параметры геометрии и микрогеометрии режущих элементов.
Первые полномасштабные исследования основ обработки композитных материалов начали проводить за рубежом в начале 2000-х годов. Основное внимание было сосредоточено на фасонном фрезеровании заготовок из композитных материалов на основе углепластика. К исследованию подключились такие лидеры аэрокосмической промышленности, как BAE Systems, Airbus, Boeing, NASA и GKN Aerospace. На тот момент в отрасли наиболее широко применялись инструменты из поликристаллических алмазов. Поэтому к оснащению технологических процессов изготовления деталей из композиционных материалов были привлечены ведущие поставщики инструментов из поликристаллических алмазов - Hoffmann Group (Германия), Sandvik Coromant (Швеция), SUMITOMO Electric (Япония) и некоторые другие компании. Их режущие инструменты были испытаны на композиционных материалах, которые в последующем стали применяться в производстве самолётов Airbus A350 XWB.
В начале 2008 года компания SGS впервые предоставила компании Airbus специализированный режущий инструмент для обработки заготовок из композиционных материалов на основе углепластика. Первые результаты тестов не выявили каких-либо преимуществ по сравнению с традиционными для Airbus и Boeing инструментами из поликристаллических алмазов. Но с внесением некоторых изменений в существующую конструкцию и совершенствованием режимов обработки было достигнуто существенное увеличение производительности, повышение качества обработанной поверхности и повышение срока службы инструмента (см. рис.2). Дальнейшие контрольные испытания показали, что усовершенствованная конструкция роутера при обработке заготовок на основе углепластика превзошла инструменты из поликристаллических алмазов по многим характеристикам. Такое важное техническое достижение вывело обе компании на первое место в сфере исследования процесса обработки заготовок из композиционных материалов.
По результатам проведённых исследований в ООО ИПК «ХАЛТЕК» были сделаны следующие выводы:
- От величины выбранной скорости резания зависит степень износа инструмента. Наиболее распространённые механизмы износа - абразивный износ и усталостное выкрашивание. Высокая скорость резания ведёт к преждевременной поломке или откалыванию режущей кромки.
- Высокоскоростным режимам резания сопутствует увеличение температуры режущего инструмента и температуры в зоне контакта режущего инструмента с заготовкой. Вследствие этого скопившаяся пыль ведёт к ещё большему засорению зоны возле режущей кромки и её износу. На рис. 3 даны изображения матрицы композиционного материала, полученные с растрового электронного микроскопа с увеличением в 250 раз.
Покрытие оказывает отрицательное воздействие на режущую кромку режущего инструмента при обработке заготовок из композитных материалов. На рис. 4 показаны величины срока службы инструмента без покрытия по сравнению с инструментами с покрытием и инструментами из поликристаллических алмазов.
Конструкция инструмента для обработки композитных материалов на основе углепластика такова, что при обработке на заготовке не остаётся необработанных участков, покровного или основного слоя. По мере увеличения износа инструмента количество необработанных участков увеличивается.
Следует отметить, что в России практически отсутствует сколь-либо существенный опыт и научная база по теме обработки композитных материалов. При изготовлении деталей летательных аппаратов применяются режущие
Рис. 3. Изображения, полученные с растрового электронного микроскопа при увеличении в 250 раз, наклон волокна материала 45°. (1) Чистая поверхность резания. (И) Скопление пыли на поверхности.
Рис. 4. Показатели срока службы инструмента при обработке композитных материалов
на основе углепластика
инструменты главным образом зарубежного производства, а технологический процесс изготовления таких деталей имеет множество недостатков.
Как показали выполненные в ГК «ХАЛТЕК» и ФБГОУ ВО «Ульяновский государственный технический университет» исследования, хорошие перспективы для изготовления деталей из композиционных материалов имеет новая серия фрез SGS 20 CCR.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. SGS Tool Company [Электронный ресурс]
- http://www.sgstool.com/cms-assets/ documents/ 80266-140802.composites-launch-9-10-12.pdf
2. SGS Tool Company [Электронный ресурс]
- http:// sgstool.com/cms-assets/documents/ 91219-930043.sgs-composite-brochurev1212-lo-res.pdf
REFERENCES
1. SGS Tool Company Elektronnyj resurs [Electronic resource] - http://www.sgstool.com/
cms-assets/documents/ 80266-140802.composites-launch-9-10-12.pdf
2. SGS Tool Company Elektronnyj resurs [Electronic resource] - http: // sgstool.com/cms-assets/documents/91219-930043.sgs-composite-brochurev1212-lo-res.pdf
Лексин Евгений Николаевич, ООО ИПК «ХАЛТЕК».
Савельев Кирилл Сергеевич, аспирант, Ульяновский государственный технический университет.
Киселев Евгений Степанович, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Инновационные технологии в машиностроении» УлГТУ.
Поступила 03.12.2019 г.
