ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Введение

Одним из перспективных направлений развития промышленности, в частности, машиностроения, яв-ляется создание высокотехнологичных наземных транспортно-технологических машин с применением композиционных материалов. Композиционные материалы имеют высокие значения удельной прочности и жесткости, усталостной долговечности, могут эксплуатироваться в широком диапазоне температур, имеют малый температурный коэффициент линейного расширения, что делает их материалами с широкими технологическими возможностями [1]. На международном и российском рынках наибольшее аспространение среди различных типов композитов получили полимерные композиционные материалы (ПКМ).

Благодаря возможности создавать изделия с заданным, зачастую противоречивым комплексом свойств, небольшой массы и повышенной коррозионной стойкости, ПКМ нашли широкое применение при производстве как мелких, но конструктивно сложных и ответственных деталей, так и крупногабаритных корпусных деталей, несущих значительные нагрузки [2]. Однако расширению использования ПКМ в различных отраслях промышленности, в том числе в дорожно-строительном машиностроении, препятствует недостаточная осведомленность инженерных и научных работников в вопросах их прочности, надежности и долговечности. Эти свойства приобретают особое значение, поскольку они менее изучены по сравнению с такими традиционными конструкционными материалами, как металлы и их сплавы [3].

На долговечность изделий из ПКМ, помимо применяемых компонентов и способов формования [4], большое влияние оказывает качество их обработки, которая связана с подрезкой торцов и кромок, раскроем листов ПКМ, удалением и обработкой технологических припусков, а также с выполнением отверстий под крепежные и резьбовые соединения [5, 6]. Обработку ПКМ, как правило, осуществляют механическим, лазерным и гидроабразивным методами [7]. Благодаря простоте и универсальности наибольшее распространение получил механический способ обработки ПКМ. Механическая обработка изделий из ПКМ, как правило, осуществляется точением, фрезерованием и сверлением.

Выбор способа, режущего инструмента (его геометрии и материала режущей кромки) и определение оптимальных режимов механической обработки изделий из ПКМ является важной и актуальной задачей, направленной на обеспечение заданного качества обрабатываемой поверхности. Основная проблема решения данной задачи заключается в анизотропии и уникальности свойств ПКМ, которые зависят не только от структуры, состава и используемых компонентов, но и от способа формования изделий и их последующего отверждения.

При выборе инструментального материала для обработки ПКМ необходимо учитывать такие его свойства как высокая твердость, сопротивляемость на сжатие и изгиб, предел выносливости, ударная вяз-кость, теплостойкость, теплопроводность и износостойкость [8].

В качестве инструментальных материалов для обработки ПКМ используют быстрорежущие стали, твердые сплавы и алмазный режущий инструмент (инструмент с алмазным напылением).

Наибольшее распространение получил твердосплавный режущий инструмент и инструмент с алмазным напылением [9, 10]. В частности, широко используются рашпильные фрезы, у которых левые и правые спирали находятся на периферии инструмента, пересекаясь создают множество режущих ромбовидных зубьев. Данные фрезы используют для получения чистого реза при повышенных скоростях резания и подачи [10].

Широкое применение твердосплавного режущего инструмента при обработке ПКМ обусловлено их высокой износостойкостью и теплопроводностью. При этом более высокой стойкостью обладают мелко-зернистые сплавы с высоким содержанием кобальта [11].

Использование алмазного режущего инструмента позволяет снизить силы резания и температуру в зоне резания за счет более низкого, чем у твердосплавного инструмента, коэффициента трения.

Инструмент из быстрорежущей стали обладает высокими режущими свойствами, что достигается благодаря легированию такими элементами, как вольфрам, молибден, кобальт, ванадий, хром и др. Важнейшим легирующим элементом быстрорежущей стали является вольфрам. Недостатком инструмента из быстрорежущей стали является его более низкая износостойкость и теплопроводность по сравнению с твердыми сплавами.

Под воздействием механических и термических нагрузок в процессе механической обработки происходит деструкция компонентов ПКМ, что негативно влияет на качество получаемых изделий. Температура в зоне резания не должна превышать значения температуры, при котором происходит деструкция материала связующего.

Снижение температуры в зоне резания помимо использования алмазного режущего инструмента достигается путем подбора оптимальных режимов резания, а также охлаждением сжатым воздухом или охлаждающей жидкостью (при этом важно учитывать вероятность поглощения влаги полимерным композиционным материалом).

Цель работы заключается в экспериментальном определении факторов, оказывающих влияние на качество механической обработки ПКМ на примере фрезерования базальтопластика инструментом из быстрорежущей стали и разработке математической модели выбора оптимальной технологии выполнения обработки.

Материалы и метод проведения эксперимента

Для выполнения исследований были изготовлены плоские образцы базальтопластика по препреговой технологии вакуумформованием. Данная технология является сравнительно простой и позволяет получить высокое качество структуры композита. Образцы изготавливались из четырех слоев биаксиальной базальтовой ткани БТ400 с направлением волокон 0/90°.

Предварительно пропитанные связующим Epolam 2017 слои базальтовой ткани укладывались на плоскую оснастку, после чего формировался вакуумный мешок и создавалось вакуумное разряжение. Отверждение образцов осуществлялось в вакуумном мешке при нагреве до температуры t=80±2 °C с помощью инфракрасных ламп. Толщина полученных образцов составила 2,7 мм.

Полученный базальтопластик подвергался резке на фрезерном станке с числовым программным управлением (ЧПУ) концевой фрезой Ø 6 мм из быстрорежущей стали марки Р6АМ5.

Обработка образцов осуществлялась с использованием и без использования смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) на 4-х режимах: 1) n = 15000 об/мин, v = 3000 мм/мин (максимальный режим); 2) n = 5000

об/мин, v = 500 мм/мин (высокий режим); 3) n = 3000 об/мин, v = 100 мм/мин (средний режим); 4) n = 1000 об/мин, v = 100 мм/мин (низкий режим).

В качестве СОЖ был использован Эмульсол ЭГТ (ТУ 0258-004-27192068-2002). Резание осуществлялось на заданную длину l = 90 мм.

Результаты и обсуждение

Исследования качества поверхности реза базальтопластика осуществлюсь с помощью микровизора металлографического инвертированного Vizo-MET-221 при увеличении в 100 крат (рис. 1 и 2).

Рис. 1. Поверхность реза базальтопластика после фрезерования без применения СОЖ:

1. на максимальных режимах; б) на высоких режимах; в) на средних режимах; г) на низких режимах

Рис. 2. Поверхность реза базальтопластика после фрезерования с применением СОЖ:

1. на максимальных режимах; б) на высоких режимах; в) на средних режимах; г) на низких режимах

Выполнение механической обработки на максимальных режимах как с применением СОЖ, так и без ее использования приводит к горению связующего и интенсивному износу режущего инструмента (рис. 1а и 2а).

Без использования СОЖ наилучшее качество поверхности реза наблюдается у образца, обработанного на высоких режимах (рис. 1б) (однако наблюдается выкрашивание материала матрицы и ее расслоение), а с использованием СОЖ – у образца, обработанного на средних режимах (однако наблюдается вытаскивание волокон и растрескивание матрицы) (рис. 2в).

Применение низких режимов резания не позволяет получить хорошего качества реза (рис. 1г и 2г). Характерными дефектами базальтопластиков, обработанных как с использованием, так и без использования СОЖ является непрорезание волокон и ворсистость, что требует применения постобработки. Применение СОЖ позволяет избежать излома волокон и значительно снизить объем пиролитического остатка (рис. 2г), однако наблюдается растрескивание матрицы.

При использовании СОЖ в процессе механической обработки базальтопластика существует вероятность поглощения СОЖ в зоне реза, в результате чего свойства композита могут ухудшаться.

Следует отметить, что композит в процессе обработки подвергается воздействию СОЖ крайне непродолжительное время. При этом СОЖ обладает достаточно густой консистенцией. В совокупности эти два фактора не приводят к сорбции СОЖ композитом в процессе обработки.

Выполненные исследования позволяют судить о перспективности применения инструмента из быстрорежущей стали для выполнения механической обработки ПКМ при условии оптимизации показателей режимов резания.

Математическая модель выбора оптимального технологического процесса механической обработки ПКМ

Для обработки кромок изделий из ПКМ длиной l может быть использовано m возможных технологических процессов, отличающихся типом используемого инструмента и вариацией режимов обработки, которые являются n факторами производства. При этом каждый производственный процесс характеризуется соответствующими технологическими коэффициентами, которые определяют затраты отдельного фактора производства на единицу длины обработки при использовании данного технологического процесса. Эти коэффициенты можно представить в виде матрицы способов производства.

(1)

где а₁₁, а₂₁, …, а_n1 – технологические коэффициенты первого производственного процесса, а₁₂, а₂₂, …, а_n2 – технологические коэффициенты второго производственного процесса, а_1m, а_2m, …, а_nm – технологические коэффициенты m-ого производственного процесса.

В представленной матрице (1) столбцы выражают технологические процессы, а строки затраты факторов производства (на единицу длины обработки), соответствующие различным процессам.

Тогда, количество отдельных факторов, необходимое для обработки определенной длины l изделия при использовании m-ого технологического процесса будет равно a_1ml, a_2ml, …, a_nml.

Анализ способов производства характеризуется конечным числом процессов, из которых выбирается один оптимальный или комбинация некоторого количества так, чтобы достигался наибольший производственный эффект.

Производственную функцию можно представить в виде системы уравнений:

(2)

В данной системе (2) m-й столбец содержит количества отдельных факторов производства, необходимые для обработки кромок изделия длиной l при использовании m-го технологического процесса. В строках системы определяются количества того же фактора производства, необходимые для обработки кромок изделия длиной l с использованием различных технологических процессов.

Для выбора оптимального технологического процесса рассмотрим два фактора производства: 1) тип нструмента, характеризующийся периодом стойкости инструмента; 2) режим обработки, характеризующийся скоростью резания. Предположим, что обработка кромок изделий из ПКМ может осуществляться тремя технологическими процессами. Технологические коэффициенты а_im (I = 1, 2; m = 1, 2, 3), опреде-ляющие количество i-того фактора, необходимое для обработки кромок изделий ПКМ длиной l представим в виде таблицы (табл. 1).

Таблица 1

Технологическая матрица

В последнем столбце приводится значение количества отдельных факторов, которые могут быть использованы в технологическом процессе, т. е. период стойкости инструмента не может быть меньше c₁, а скорость резания не может быть меньше с₂.

Обозначив через μ₁, μ₂, μ₃ «масштабы применения», то есть длину обработки кромок изделий из ПКМ с помощью каждой из рассматриваемых технологий, то задачу можно сформулировать следующим образом:

(3)

При выполнении побочных условий (4):

(4)

и граничных условий (5):

(5)

Далее с помощью симплекс-метода определяется оптимальные значения масштабов применения способов обработки и руководствуясь их значениями определяется наиболее эффективный метод обработки.

Также возможно решение двойственной задачи, которая заключается в том, чтобы найти такие λ₁ и λ₂, чтобы выполнялось условие (6):

(6)

При выполнении побочных условий (7):

(7)

и граничных условий (8):

(8)

Применяя симплекс метод, определяются значения λ₁ и λ₂, тогда v_min = l_max.

Заключение

Для обеспечения высокого качества механической обработки изделий из ПКМ, повышения производительности процесса их резания и снижения себестоимости технологического процесса необходимо решить ряд задач, связанных с изучением кинематики процесса резания, геометрии и изнашивания режущего

инструмента, применяемых инструментальных материалов, деформации и стружкообразования при резании, тепловых явлений, сопровождающих процесс резания, функционирования системы резания, ее оптимизации и управления, а также точности и качества обработанной поверхности изделий из ПКМ.

Комплексное изучение этих вопросов позволит разработать новые прогрессивные технологические методы и рекомендации механической обработки различных видов ПКМ, определить пути интенсификации процесса резания за счет комбинации поверхностных и энергетических воздействий на ПКМ, оптимизировать параметры обработки и разработать технологические решения по их изменению.