Full Text

В последнее время в связи с повышением тактико-технических характеристик транспортных систем все больше в их конструкциях применяют изделия из полимерных композиционных материалов (ПКМ). Изготовление деталей и сборочных единиц транспортных систем из полимерных композиционных материалов на основе высокопрочных углеродных, стекловолокнистых, органических и других видов волокон позволяет решить проблему минимизации их массы с одновременным повышением механической прочности, жесткости, размерной стабильности, акустоизоляционных свойств. Полимерные композиционные материалы обладают удельной прочностью и жесткостью в направлении армирования, в 3-5 раз превышающими аналогичные характеристики изделий из стали. Кроме этого, они также имеют низкую теплоэлектропроводность, стойкость к агрессивным химическим средам, хорошие электроизоляционные свойства и др. Типовыми изделиями широкого применения полимерных композиционных материалов могут служить: сборочные единицы авиационных двигателей, элементы конструкций современных самолетов, сборочные единицы судов, детали кузовов автомобилей, товары народного потребления, в том числе спортивные товары и др. Таким образом, создание новых технологических процессов изготовления изделий из полимерных композиционных материалов, а также их механическая обработка весьма актуальны. Механическая обработка путем резания полимерных композиционных материалов необходима для получения требуемых показателей качества изделий, является трудоемкой, обладает рядом специфических особенностей, определяемых главным образом особенностями структуры и свойств материалов. В мировой технической литературе практически отсутствуют систематизированные сведения о резании полимерных композиционных материалов. Однако практика применения полимерных композиционных материалов промышленными предприятиями требует научно обоснованных рекомендаций по выбору режущего инструмента, специального оборудования и рациональных параметров режима обработки. Среди наиболее распространенных операций механической обработки в технологическом цикле производства изделий из полимерных композиционных материалов являются: сверление, фрезерование, точение, реже шлифование. Процессу резания полимерных композиционных материалов, с одной стороны, сопутствуют явления, наблюдаемые при резании любых материалов, такие как стружкообразование, силовые и тепловые явления, изнашивание режущего инструмента, а с другой стороны, каждое из перечисленных явлений сильно отличается от аналогичных явлений, возникающих при резании металлов. Авиационная, автомобильная и другая техника из полимерных композиционных материалов имеет высокую стоимость, не технологична в изготовлении, так как при механической обработке деталей из полимерных композиционных материалов сталкиваются со следующими основными проблемами: 1. Сложность получения высокого качества обрабатываемых поверхностей (отсутствия сколов и расслоений, необходимой шероховатости) из-за ярко выраженной анизотропии свойств и низкой адгезионной связи армирующих волокон (наполнителя) с матрицей (связующим) полимерных композиционных материалов [1-3]. 2. Низкая теплопроводность полимерных композиционных материалов, обусловливающая малый отвод теплоты из зоны резания [4, 5]. 3. Интенсивное абразивное воздействие твердого наполнителя полимерных композиционных материалов приводит к низкой стойкости режущего инструмента [2, 6, 7]. 4. Низкая производительность процесса из-за невысоких скоростей резания, так как недопустимо применение смазочно-охлаждающих жидкостей на водной основе (СОЖ) вследствие влагопоглощающих свойств ПКМ [2, 8]. 5. Упругое восстановление (усадка) формообразованных поверхностей полимерных композиционных материалов снижает точность обработки [2, 9]. 6. Выделение мелкодисперсных летучих токсичных частиц ПКМ при обработке [1, 2, 7, 10, 11]. Обзор научных статей показал, что дальнейшее повышение производительности механической обработки, повышение точности и качества обработанных поверхностей полимерных композиционных материалов возможно при применении высокоскоростной обработки [12, 13], алмазного инструмента [14, 15], комбинированных методов обработки, в том числе резания с вибрациями [16-19]. При традиционном резании принято считать, что практически все колебательные явления нежелательны. Во многих учебных изданиях, в том числе в работах [20, 21], указано, что необходимо использовать такие условия, при которых не возникают колебания. Станкостроительные компании стремятся увеличить точность и повысить жесткость станков и инструмента. Между тем с повышением жесткости системы станок-приспособление-инструмент-заготовка и уменьшением амплитуды колебаний этих систем увеличивается частота ω гармонической составляющей силы резания, выражаемой через переменную составляющую резания (psin ωt). В работе японского исследователя Д. Кумабэ [22] замечено, что переменная составляющая силы резания (psinωt) необходима для стружкообразования. Исходя из этого представляет интерес практическое использование переменной составляющей силы резания. Такая переменная составляющая представляет собой переменную импульсную силу резания, которую можно получить искусственно при вибрационном резании - принудительном возбуждении вибрациями режущего инструмента. Однако достаточно давно известны рекомендации проводить механическую обработку с наложением низкочастотных [23, 24], высокочастотных [22] колебаний, а также менее изученных ультразвуковых [19, 22, 25, 26]. Многие явления вибрационной обработки малоизучены, а вибрационная обработка полимерных композиционных материалов вовсе остается неизученной, особенно с теоретических позиций. Накладываемые вибрации при резании могут быть различных диапазонов: низкочастотные (f = 8…16 Гц), среднечастотные (f = 20…1000 Гц), высокочастотные (f = 1000…19 000 Гц), ультразвукового диапазона (f = 20 000…50 000 Гц). Кроме этого, существуют три направления наложения вибраций по отношению к направлению резания: - по главной составляющей силе резания; - по радиальной составляющей силе резания; - по осевой составляющей силе резания. Применительно к распространенной операции сверления механической обработки изделий из полимерных композиционных материалов - задание вибраций осуществимо в двух направлениях: вдоль оси инструмента и тангенциальное (крутильное). Обзор публикаций по вибрационному сверлению полимерных композиционных материалов показал, что разные исследователи, научные группы и производственные станкостроительные компании проводили практические эксперименты, в ходе которых были получены различные эффекты от накладываемых колебаний при различных условиях обработки. Эти результаты сведены в таблицу. Параметры режима обработки при вибрационном сверлении ПКМ Исследователи Материал заготовки (образца) Амплитуда, мкм Частота, Гц Диаметр, мм Частота вращения, об/мин Скорость подачи, мм/мин Замеченный эффект V.A. Phadnis, F. Makhdum, A. Roy, V.V. Silberschmidt [27] CFRP 12 27 800 6 40 16 Снижение осевой силы резания; существенное снижение крутящего момента. Изменение формы стружки. Снижение числа сколов и деламинации V.A. Phadnis, F. Makhdum, A. Roy, V.V. Silberschmidt [28] CFRP 20 32 200 6 260, 540, 800, 1200, 1700 50 Снижение силовых факторов на 30 %. Снижение коэффициента трения до околонулевых значений F. Makhdum, V.A. Phadnis, A. Roy, V.V. Silberschmidt [29] CFRP 12 27 800 3 40 2, 4, 8, 12, 16 и 20 Снижение сил резания на 80 %. Снижение температурного фактора. Повышение качества обработки. Повышение округлости (точности) отверстий Компания «Guhring» [30] (Германия) ПКМ ≤160 300 Нет данных Нет данных Нет данных Повышение производительности, сокращение времени обработки, снижение осевой силы Компания «Guhring» [30] (Германия) ПКМ ≤15 20 000÷ 50 000 Нет данных Нет данных Нет данных Снижение силовых факторов T. Ishida, K. Noma, Y. Kakinuma [31] Углепластик (CFRP) 9,1 70 200 3,5 8000 270 Вышеперечисленный обзор показал, что сверление с вибрациями наиболее эффективно в ультразвуковом диапазоне, особенно с точки зрения повышения качества обработки полимерных композиционных материалов. Запишем законы ультразвуковых колебаний. С технической точки зрения ультразвуковые колебания реализовать проще по синусоидальному закону. Тогда требуется перевести частоту ультразвуковых осевых колебаний в циклическую частоту и установить начальную фазу. Уравнение гармонических колебаний (1) где А - амплитуда; w - циклическая частота; t - время колебаний, с. Амплитуда должна быть меньше продольной подачи. Согласно рекомендациям из работы [1], величина подач для сверления отверстий в ПКМ диаметром d = 2 мм составляет S = 0,03…0,1 мм/об, а для диаметров d = 6,5 мм выбирается S = = 0,05…0,12 мм/об. Выбираем амплитуду для диаметров 2 мм - A2 = 0,015 мм = 15 мкм; для диаметров 6,5 мм - A6,5 = 0,030 мм = 30 мкм. Напишем уравнения гармонических колебаний ультразвукового сверления для частотного диапазона f = 20 000… 50 000 Гц. Начальная фаза колебаний равна нулю. Итак, начальная фаза равна нулю: Определяем циклическую частоту для f = 20 кГц: Определяем циклическую частоту для f = 50 кГц: Перепишем формулу (1) после подстановок в форме гармонических колебаний: - для амплитуды A2 = 0,015 мм, частоты f = 20 кГц: - для амплитуды A2 = 0,015 мм, частоты f = 50 кГц: - для амплитуды A6,5 = 0,030 мм, частоты f = 20 кГц: - для амплитуды A6,5 = 0,030 мм, частоты f = 50 кГц: Построим графики зависимостей колебаний от времени обработки (рисунок) по синусоидальному закону. С помощью приведенных частотных параметров возможно реализовать ультразвуковое сверление полимерных композиционных материалов. Рис. Осциллограммы колебаний ультразвукового сверления: 1 - с амплитудой A = 0,015 мм, частотой f = 20 кГц, для диаметра d = 2 мм; 2 - с амплитудой A = 0,015 мм, частотой f = 50 кГц, для диаметра d = 2 мм; 3 - с амплитудой A = 0,030 мм, частотой f = 20 кГц, для диаметра d = 6,5 мм; 4 - с амплитудой A = 0,030 мм, частотой f = 50 кГц, для диаметра d = 6,5 мм Сотрудники кафедры «Инновационные технологии машиностроения» ПНИПУ (г. Пермь) обладают необходимыми компетенциями в области лезвийной и алмазной обработки полимерных композиционных материалов, а также на кафедре имеется промышленное оборудование для проведения испытаний различных методов размерной обработки. Институт металлорежущих станков Штутгартского университета широко известен своими успешными научно-исследовательскими и прикладными работами по разработке новых методов обработки самых разных материалов и технологических средств их реализации. Например, на базе Института металлорежущих станков Штутгартского университета созданы технологии ультразвукового сверления камня и других материалов [32-34]. Смоделировано и изготовлено технологическое оснащение для этого процесса. Выводы 1. Рассмотрены разные эффекты при вибрационном, разных диапазонов колебаний сверлении полимерных композиционных материалов. Выявлено, что наибольшую эффективность приносит ультразвуковой диапазон. 2. Найден резерв повышения качества обработки полимерных композиционных материалов за счет снижения усилий резания и изменения коэффициента трения, наблюдаемого при использовании ультразвуковых колебаний. 3. Эффект от ультразвука со снижением коэффициента трения будет наблюдаться и на алмазно-абразивном, и на лезвийном инструменте. 4. Для более углубленного изучения процесса вибрационного сверления полимерных композиционных материалов необходимо открыть финансирование по линиям РНФ (Российский научный фонд) + + DFG (Немецкое научное сообщество) или РФФИ (Российский фонд фундаментальных исследований)+ + DFG, что позволит развить эту тему двум университетам: Институту металлорежущих станков Штутгартского университета и Пермскому национальному исследовательскому политехническому университету. Обе организации могут дополнить друг друга.

About the authors

A. S Dudarev

Perm National Research Polytechnic University

A. G Dobrinski

Institute for Machine Tools University of Stuttgart

References

Statistics

Views

Abstract - 20

PDF (Russian) - 8

Refbacks

• There are currently no refbacks.