Full Text

Введение В современной технике и изделиях все чаще используют различные виды пластиков, в том числе с новыми свойствами. В связи с чем, при подготовке производства возникает необходимость разработки наиболее рационального технологического процесса. Для этого принято группировать обрабатываемые материалы по критерию обрабатываемости резанием таким образом, чтобы они соответствовали выбираемому инструменту: легкообрабатываемые пластики - быстрорежущие стали, среднеобрабатываемые пластики - твердые сплавы, труднообрабатываемые пластики - сверхтвердые материалы. Обрабатываемость резанием в первую очередь характеризуется степенью интенсивности износа режущего инструмента и обеспечением качества детали. На кафедре «Материалы, технологии и конструирование машин» Пермского национального исследовательского политехнического университета совместно с ООО «Кедрон» ведутся работы по проблемам точения пластиков. Студенты успешно проходят практику на предприятии и впоследствии трудоустраиваются. В настоящее время в учебном процессе большое внимание уделяется изучению новых современных материалов, в том числе пластиков, и проблемам их механической обработки. Компания ООО «Кедрон» является производителем точных изделий из фторопласта, полиамида и композиций на их основе, располагает современной производственной базой, оснащенной станками с ЧПУ. Производственные мощности обеспечивают полный цикл изготовления деталей от производства заготовок до механической обработки. Целью данной работы было проведение сравнительных стойкостных испытаний режущей части инструмента из разных марок (быстрорежущая сталь Р18, твердый сплав ВК8, химически осажденный алмаз CVD) для определения обрабатываемости резанием при точении пластиков марок Ф-4, ПА-6, Ф-4К20. Результаты внедрены в производство на предприятии ООО «Кедрон». Обзор литературы Вопросами механической обработки пластмасс занимались такие ученые, как Б.П. Штучный [1], А. Кобаяши [2], А.А. Степанов [3], Р.А. Тихомиров [4] и др. В рассматриваемой литературе указаны основные рекомендации по точению пластиков. Однако эти данные невозможно напрямую применить к современным материалам и режущему инструменту в связи с их существенным отличием от материалов и инструментов 70-80-х гг. прошлого века. В работе Б.П. Штучного [1] рассмотрены процессы обработки пластмасс: точение, сверление, фрезерование, разрезание, нарезание резьбы, абразивная обработка. Рекомендации по режимам резания пластмасс даны для групп материалов, близких по свойствам, структуре и агрегатному состоянию. Это позволяет расширить область использования приведенных рекомендаций и применять их при обработке новых материалов. С точки зрения технолога интересна работа Р.А. Тихомирова [4], в которой описаны различные методы механической обработки пластмасс. Рассматриваются возможности механического разрезания пластмасс приводными ножницами, абразивным инструментом, дисковыми фрезами, ленточными и дисковыми пилами, струями жидкости высокого давления, алмазным инструментом. Описываются возможности точения алмазными резцами, твердым сплавом и быстрорежущей сталью, фрезерование и сверление пластмасс, шлифование и полирование полимеров. Рассматриваются технологические особенности обработки стеклопластиков, реактопластов и термопластов. В данной работе хоть и в общем виде, но даны технологические рекомендации по механической обработке пластиков. В работе О.Ю. Еренкова [5] показано, что предварительное механическое нагружение (растяжение и сжатие) заготовок из полимерных материалов при последующем точении снижает шероховатость обработанной поверхности в 2 раза по сравнению с простым точением. Общую тенденцию к снижению шероховатости обработанной точением поверхности после предварительного деформирования путем сжатия можно объяснить следующим образом. После снятия сжимающей нагрузки на заготовку в объеме материала действуют остаточные растягивающие напряжения, обеспечивающие эффект двойного технологического разупрочнения поверхностного слоя заготовки. Во-первых, за счет их действия появляются поверхностные дефекты в виде микротрещин. Во-вторых, в вершинах имеющихся и появившихся микротрещин образуются зоны перенапряжения, или зоны пластической деформации. В данных зонах имеет место частичное разрушение как химических, так и межмолекулярных связей полимера, что и является основой смягчения условий дальнейшей токарной обработки и повышения качества обработанной поверхности. Такой же эффект наблюдался при предварительной обработке заготовок поверхностно-активными веществами. Данные получены для полимерных материалов капролон, фторопласт, текстолит и гетинакс. В работе Л.Н. Шафигуллина [6] установлены закономерности влияния вида, количества и дисперсности наполнителя на эксплуатационные свойства полимерных наполненных композиционных материалов. Определено, что механическая обработка дисперсно-наполненных композиционных материалов наиболее оптимальна в интервале наполнения 0,2-0,4. Установлено, что эпоксидные композиты, наполненные гранитным порошком, обладают высокими физико-механическими, технологическими свойствами и качеством обработанных изделий. Введение в композиционные материалы полиамидного волокна повышает их упругие, прочностные, технологические свойства и качество обработанных изделий. Изучено влияние рецептурно-технологических факторов на технологические параметры обработки. Установлено, что изделия из полиэфирных наполненных композиционных материалов следует обрабатывать при более низких значениях подачи (при фрезеровании и сверлении Sz = 0,1…0,2 мм/об) и более высоких значениях скорости резания (при фрезеровании n = 1000…1500 об/мин; при сверлении n = = 500…1000 об/мин), чем изделия из эпоксидных и эпоксиполиуретановых композитов. В работе М. Валид [7] получены математические модели для расчета зависимости динамических составляющих силы резания и вибраций державки резца при точении синтеграна от подачи и скорости резания методом планирования эксперимента. В работе О.А. Иванова [8] изучены процессы разрушения в композиционных углепластиках при механической обработке. В работе М.В. Доц [9] исследовано влияние режимов резания на шероховатость обработанной поверхности и глубину дефектного слоя при точении стеклопластика твердосплавными резцами ВК8. Выявлено, что при скорости резания более 80 м/мин, подаче более 0,3 мм/об и значении силы резания более 350 Н на поверхности детали появляются прижоги, однако при обработке с малыми скоростями резания и подачей 0,1 мм/об наблюдаются вырывы частиц наполнителя. Установлено, что на рост величины дефектного слоя наибольшее влияние оказывает подача. Так, при ее изменении с 0,1 до 0,71 мм/об дефектный слой увеличивается в 2,0-3,7 раза для разных типов пластин. В работе Е.Б. Бондарь [10] предложена модель оптимизации при точении стеклопластика твердосплавными резцами ВК8, позволяющая определять режимы резания, марку твердого сплава и тип режущей пластины, обеспечивающие максимальную производительность или минимальную себестоимость обработки. В работах [11-14] рассмотрены вопросы силового взаимодействия при обработке резанием полимерных композиционных материалов. В современных зарубежных публикациях [15-20] также представлены различные аспекты обработки полимеров и композитов резанием. Существующие коммерческие организации (ООО «Фирма Элмика» и др.), которые являются поставщиками импортных пластиков и, как правило, лишь частично дают рекомендации по их обработке, не публикуют полные данные своих исследований, поэтому невозможно оценить достоверность предоставляемой информации. Таким образом, определение обрабатываемости различных марок пластиков при точении с целью разработки наиболее рационального технологического процесса, обеспечивающего максимальную стойкость инструмента, является актуальной научной задачей. Экспериментальное исследование Сравнительные стойкостные испытания различных марок режущей части инструмента (быстрорежущая сталь Р18, твердый сплав ВК8, алмаз CVD) проводились в производственных условиях при точении деталей типа «кольцо» из трех различных марок пластиков (Ф-4, ПА-6, Ф-4К20). Предварительно в лабораторных условиях подбирались оптимальные режимы резания с точки зрения обеспечения максимальной стойкости и производительности обработки. При этом режимы должны были обеспечивать требуемые параметры качества детали (точность размеров и шероховатость поверхности). Глубина резания выбиралась равной припуску на обработку конкретной поверхности детали, чтобы снять припуск за 1 проход и тем самым максимально сократить время обработки. В результате экспериментальных исследований было установлено, что достижение требуемой шероховатости 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 выбиралась из соображений обеспечения рационального соотношения стойкости инструмента и производительности обработки. Для обработки пластика Ф-4 резцом из быстрорежущей стали Р18 оптимальный диапазон значений скорости резания составил 150-200 м/мин, для обработки пластика ПА-6 резцом из твердого сплава ВК8 - 250-300 м/мин, для обработки пластика Ф-4К20 резцом из алмаза CVD - 500-600 м/мин. Результаты экспериментальных исследований показали, что при обработке пластиков нужно использовать острую режущую кромку, чтобы избежать подмятия обрабатываемого материала под режущий клин, что достигается большими значениями переднего (5°-8°) и заднего (6°-10°) углов режущей пластины. Оптимальное значение радиуса при вершине резца 0,5-0,8 мм. На точность обработки пластиков точением существенное влияние оказывают конструктивные особенности деталей, такие как длина обработки (вылет от шпинделя), толщина стенок детали, поскольку пластики обладают повышенной упругой деформацией (маленькой жесткостью). Вследствие чего при проектировании операции следует предусматривать технологические способы повышения жесткости детали при обработке: люнеты, пробки, ребра жесткости. С целью предотвращения деформации тонкие детали необходимо зажимать равномерно по окружности вместо зажима их в трех точках. Для обеспечения точности размеров необходимо учитывать температурные деформации пластиков, которые возникают при нагреве детали в процессе обработки и последующем охлаждении. Для уменьшения температурных деформаций при точении применяют жидкостное или воздушное охлаждение. Поскольку большинство пластиков отличается высоким коэффициентом теплового расширения, контроль размеров осуществляют на охлажденных деталях. Кроме того, пластики сильно подвержены образованию остаточных напряжений в поверхностном слое детали, которые приводят к существенным (по сравнению с металлами) деформациям вследствие последующего перераспределения остаточных напряжений. Для снятия остаточных напряжений детали из пластиков рекомендуется подвергать отпуску при температуре 50 °С с выдержкой 24 ч. После термообработки выполняют окончательные операции по точению. Обработка детали из пластика марки Ф-4 осуществлялась быстрорежущим (Р18) и твердосплавным (ВК8) инструментами. В результате стойкостных испытаний установлено, что стойкость инструмента из быстрорежущей стали Р18 составила в среднем Т = 250 мин, стойкость инструмента из твердого сплава ВК8 составила в среднем Т = 300 мин. Режущая кромка в обоих случаях слегка затуплялась (площадка износа по задней поверхности до 0,2 мм), что приводило к существенному ухудшению шероховатости обработанной поверхности, поэтому инструменты направлялись на переточку. Применение водоэмульсионной СОЖ в обоих случаях не оказало существенного влияния на стойкость резцов. Сравнительный экономический анализ показал, что при обработке Ф-4 применение резца с пластинкой из быстрорежущей стали Р18 значительно целесообразнее, чем с пластинкой из ВК8. Кроме того, при заточке на быстрорежущей стали легче получить острую кромку, чем на твердом сплаве. Пластик марки Ф-4 имеет незначительную твердость (по Бринеллю 30-40 МПа), пластичен и достаточно хорошо поддается обработке быстрорежущим инструментом. Таким образом, его можно отнести к легкообрабатываемым пластикам. В результате экспериментальных и производственных испытаний разработана наиболее рациональная с точки зрения обеспечения максимальной стойкости инструмента технология точения детали «кольцо» из пластика марки Ф-4. Токарная операция осуществляется на станке с ЧПУ резцом из быстрорежущей стали Р18 без СОЖ (рис. 1). Режимы резания: глубина резания t = 0,5…1,0 мм, подача S = 0,15 мм/об, число оборотов шпинделя n = 4000 об/мин. Стойкость инструмента из быстрорежущей стали Р18 составляет Т = 250 мин. Обработка детали из пластика марки ПА-6 осуществлялась быстрорежущим (Р18) и твердо- Рис. 1. Обработка детали из пластика марки Ф-4 сплавным (ВК8) резцами. В результате стойкостных испытаний установлено, что при точении без СОЖ стойкость инструмента из быстрорежущей стали Р18 составила в среднем Т = 20 мин, стойкость инструмента из твердого сплава ВК8 составила в среднем Т = 150 мин. При точении с поливом водоэмульсионной СОЖ стойкость инструмента из быстрорежущей стали Р18 составила в среднем Т = 25 мин, стойкость инструмента из твердого сплава ВК8 составила в среднем Т = 200 мин. Стойкость инструмента из быстрорежущей стали оказалась низкой, режущая кромка быстро теряла остроту, что приводило к ухудшению шероховатости детали. Стойкость инструмента из твердого сплава оказалась достаточно высокой, причем при использовании водоэмульсионной СОЖ стойкость твердосплавного инструмента значительно увеличилась. В данном случае преимущество использования твердосплавного резца из ВК8 очевидно. Пластик марки ПА-6 имеет чуть большие по сравнению с Ф-4 твердость (по Бринеллю 100 МПа), прочность и антифрикционные свойства. Пластик марки ПА-6 плохо поддается обработке быстрорежущим инструментом, но хорошо обрабатывается твердосплавным инструментом. Таким образом, его можно отнести к среднеобрабатываемым пластикам. По результатам экспериментальных работ разработана следующая технология точения детали «кольцо» из пластика марки ПА-6. Токарная операция осуществляется на станке с ЧПУ резцом из твердого сплава ВК8 с применением водоэмульсионной СОЖ (рис. 2). Установлены следующие режимы резания: глубина резания t = 0,5…1,0 мм, подача S = 0,12…0,22 мм/об, число оборотов шпинделя n = 1000…1200 об/мин. Стойкость инструмента из твердого сплава ВК8 составляет Т = 200 мин. Обработка детали из пластика марки Ф-4К20 (композиция на основе Ф-4, в качестве наполнителя 20 % кокса) осуществлялась твердосплавным (ВК8) и алмазным (CVD) резцами. В результате стойкостных испытаний установлено, что стойкость инструмента из твердого сплава ВК8 составила в среднем Т = 25 мин, а стойкость инструмента из алмаза CVD составила в среднем Т = 500 мин. Режущая кромка пластины из твердого сплава ВК8 (рис. 3, а) имела площадку износа по задней поверхности размером 0,4 мм, без сколов, лунок и выкрашиваний, что говорит об абразивном характере износа. Режущая кромка пластины из алмаза CVD (рис. 3, б) не имела площадку износа по задней поверхности, при достижении резцом предельной стойкости на режущей кромке наблюдались с равной вероятностью округление режущей кромки (радиус округления около 0,1 мм) и выкрашивание (отдельные микросколы размером до 0,1´0,1 мм либо выкрашивание на всю длину кромки глубиной около 0,1 мм). Применение водоэмульсионной СОЖ в обоих случаях не оказало существенного влияния на стойкость резцов. С учетом стоимости инструмента, количества и стоимости переточек применение алмазного резца признано экономически значительно более выгодным. Материал Ф-4К20 применяется для изготовления уплотнительных изделий подвижных соединений и изделий антифрикционного на- Рис. 2. Обработка детали из пластика марки ПА-6 значения, так как материал Ф-4К20 по сравнению с Ф-4 имеет в 600 раз большую износостойкость. В то же время такое резкое увеличение износостойкости композиции приводит к существенному изменению в обрабатываемости резанием. Пластик марки Ф-4К20, несмотря на маленькую твердость (по Бринеллю 49-54 МПа), обладает сильно выраженными абразивными свойствами из-за наличия частичек кокса, что приводит к существенному изменению технологии обработки пластика марки Ф-4К20 по сравнению с чистым Ф-4. Пластик марки Ф-4К20 плохо поддается обработке твердосплавным инструментом, но хорошо поддается обработке алмазным инструментом. Таким образом, его можно отнести к труднообрабатываемым пластикам. а б Рис. 3. Характер износа режущей кромки инструментов из ВК8 (а) и CVD (б), ´50 В результате проведенных экспериментальных работ разработана оптимальная технология точения детали «кольцо» из пластика марки Ф-4К20. Токарная обработка производится на станке с ЧПУ резцом из алмаза CVD без СОЖ (рис. 4). Режимы резания: глубина резания t = 0,5…1,0 мм, подача S = 0,1 мм/об, число оборотов шпинделя n = = 2000 об/мин. Стойкость инструмента из алмаза CVD составляет Т = 500 мин. Рис. 4. Обработка детали из пластика марки Ф-4К20 Из рассмотренных примеров видно, что различные марки пластиков, несмотря на кажущееся сходство (как в случае материала Ф-4 и его композиции Ф-4К20), существенным образом отличаются друг от друга по критерию обрабатываемости резанием. Причем это различие обусловлено абразивными свойствами компонентов пластиков, которые проявляются при механической обработке. Заключение На основании проведенного исследования можно сделать следующие выводы. 1. Различные марки пластиков необходимо разделять по критерию обрабатываемости резанием на группы, соответствующие выбираемой марке режущей части инструмента: легкообрабатываемые пластики - быстрорежущие стали, среднеобрабатываемые пластики - твердые сплавы, труднообрабатываемые пластики - сверхтвердые материалы. Обрабатываемость резанием в первую очередь характеризуется степенью интенсивности износа режущего инструмента. 2. Сравнительные стойкостные испытания при точении деталей типа «кольцо» из трех различных марок пластиков показали, что при обработке достигается следующая максимальная стойкость: Ф-4 инструментом из Р18 стойкость Т = = 250 мин без СОЖ, ПА-6 инструментом из ВК8 стойкость Т = 200 мин с водоэмульсионной СОЖ, Ф-4К20 инструментом из CVD стойкость Т = = 500 мин без СОЖ. 3. Показано, что различные марки пластиков, несмотря на кажущееся сходство (как в случае материала Ф-4 и его композиции Ф-4К20), могут существенным образом отличаться друг от друга по критерию обрабатываемости резанием, что обусловлено их абразивными свойствами, которые проявляются при механической обработке.

About the authors

D. I Tokarev

Perm National Research Polytechnic University

A. A Drozdov

Perm National Research Polytechnic University

M. N Gulyaev

Perm National Research Polytechnic University

L. D Sirotenko

Perm National Research Polytechnic University

V. F Islamov

LLC "Kedron"

References

Statistics

Views

Abstract - 33

PDF (Russian) - 9

Refbacks

• There are currently no refbacks.