УДК 621.9
ПРОБЛЕМЫ РЕЗАНИЯ ВЫСОКОПРОЧНЫХ КОМПОЗИТОВ
Е. Е. ОРЛОВА, магистрант
Г. В. ГУРУЛЕВА, магистрант
– 665709, 0,
Братский государственный университет,
e-mail: *****@***ru
Аннотация: представлены исследования проблем резания высокопрочных композиционных материалов на полимерной основе, в частности стеклотекстолитов. Установлено, что на качество обработанной поверхности и интенсивность износа режущего инструмента оказывают влияние режимы резания и марка применяемого инструментального материала. Существующие исследования не в полной мере отражают влияние этих характеристик на процесс резания и параметры оценки годности детали, поскольку отсутствует варьирование скорости резания, а номенклатура исследованных инструментальных материалов ограничена. Результаты исследования влияния режимов обработки с варьированием скорости резания и применением высокопрочных инструментальных материалов позволят оптимизировать процесс обработки полимерных композитов с точки зрения производительности обработки, износостойкости режущего инструмента и качества обработанной поверхности.
Ключевые слова: композиционные материалы, режимы резания, качество поверхности, скорость резания
Введение. В настоящее время для изготовления деталей все чаще применяются материалы, обладающие высокими прочностными свойствами, что обусловлено развитием технологий и необходимостью совершенствования узлов и механизмов различных устройств. Традиционные конструкционные материалы, такие как стали и их сплавы, цветные металлы и их сплавы, способны обеспечить требуемую прочность деталей, однако имеют высокую стоимость и значительную массу. Для устранения этих проблем в промышленности реализуются технологии изготовления деталей из композиционных материалов. Наиболее широко распространены композиционные материалы на полимерной основе, армированные стеклянными, углеродными, борными и органическими волокнами и тканями [1 – 4]. Эти материалы, как правило, состоят из двух или более компонентов, обладающих различными физико-химическими свойствами и объединенных в единую макроструктуру. Композиты имеют высокую прочность в сочетании с низкой плотностью, способны сопротивляться коррозии и химическому воздействию, а также обладают сравнительно невысокой стоимостью. Однако полимерные композиты имеют ряд недостатков. Как известно, для изготовления деталей из полимерных композиционных материалов применяются экструзия, прессование, намотка и другие технологии, позволяющие получать необходимый профиль детали, однако во многих случаях для получения готовой детали необходимо применять механическую обработку. При этом возникают трудности, связанные со спецификой свойств полимерных композитов: деструкция полимерного связующего и появление в процессе механической обработки твердых структур, оказывающих негативное влияние на состояние режущей кромки инструмента; высокая твердость наполнителя; слоистая структура и т. п. [3]. Это вызывает интенсивный износ режущего инструмента и приводит к неудовлетворительному качеству обработанной поверхности.
Эти проблемы решаются подбором инструментальных материалов и режимов обработки, обеспечивающих высокую износостойкость режущего инструмента и качество обработанной поверхности.
Среди широкой номенклатуры полимерных материалов стоит выделить композиты, армированные стеклянными тканями. Они применяются для изготовления деталей различного назначения, например, в машиностроении в качестве конструкций, работающих в условиях повышенных вибраций и знакопеременных нагрузок, сеток для армирования отрезных дисков или фильтров очистки отходящих газов от пыли и промышленных стоков, в автомобилестроении в качестве глушителей, панелей, теплоизоляционных прокладок и т. п., в судостроении в качестве теплозвукоизоляции судовых установок и оборудования, в авиационной промышленности и ракетостроении в качестве корпусных деталей самолетов и ракет, в химической промышленности в качестве химически стойких труб и емкостей для хранения агрессивных жидкостей, в металлургии в качестве фильтров для расплавов металлов при литье и т. п. [3, 4].
Теория. Исследования по разработке рациональных параметров резания стеклопластиков и стеклотекстолитов отражено в работах [5 – 9], в которых приведены результаты исследований качества обработанной поверхности, мощности обработки и стойкости режущего инструмента в зависимости от режимов резания. При этом варьирование скорости резания не осуществляется, а устанавливается ее максимальное значение, ограниченное возможностями технологического оборудования, что связано с особенностями протекания пластических деформаций в процессе резания полимерных материалов. Поскольку полимеры обладают сравнительно высокими упругими свойствами, при недостаточно высокой скорости резания процесс обработки сопровождается значительной долей смятия материала и упругих деформаций, а возникающие упругие напряжения стремятся вернуть исходную форму детали и тем самым искажают профиль обработанной поверхности [3].
Помимо установления рациональных режимов резания необходимо учитывать параметры конструкции режущего инструмента и физико-механические свойства применяемых инструментальных материалов. В работах [10 – 14] приведены результаты стойкостных испытаний фрезерного инструмента, оснащенного различными инструментальными материалами с разной геометрией режущей части. Показано, что твердые сплавы с меньшим содержанием связки (Co) и размером зерна карбидной фазы (WC) имеют более высокий период стойкости. Однако существующие исследования не дают возможности сравнения марок твердых сплавов отечественного производства с зарубежными аналогами.
Результаты и обсуждение. Несмотря на то, что рекомендации по выбору режимов обработки полимерных материалов указывают на необходимость установки высоких скоростей резания для обеспечения качества обработанной поверхности [3], целесообразно провести исследования по фрезерованию стеклотекстолитов с варьированием скорости резания для установления ее зависимости на качество обработанной поверхности. В сочетании со стойкостными испытаниями режущего инструмента это позволит оптимизировать процесс фрезерования стеклопластиков и стеклотекстолитов для получения высокого качества обработанной поверхности, высокой износостойкости режущего инструмента и производительности обработки, что обеспечит повышение экономического эффекта при внедрении технологии в производство. При этом пределы варьирования скорости резания необходимо выявить в процессе предварительных испытаний без планирования эксперимента, где за основу взять уже имеющиеся результаты исследований с положительным эффектом качества обработанной поверхности, установив глубину резания и подачу в соответствии с рекомендациями [5 – 9].
Для оценки работоспособности инструментальных материалов различных производителей, необходимо проведение стойкостных исследований с применением зарубежных твердых сплавов таких производителей как Sandvik, Mitsubishi и др. Это позволит оценить экономическую эффективность технологии обработки в сравнении с обработкой отечественными марками твердых сплавов. Также необходимо проведение исследований с применением минералокерамики и сверхтвердых материалов, таких как кубический нитрид бора и алмаз, что позволит оценить целесообразность их применения при резании композиционных материалов. Подобно исследованиям режимов резания, стойкостные испытания необходимо провести при фрезеровании стеклотекстолитов с варьированием подачи, глубины резания и скорости обработки для возможности оптимизации технологии обработки полимерных композитов.
Выводы. Обзор научной литературы в области проблем резания высокопрочных композитов показывает следующие результаты:
1. Известные исследования в области обработки композиционных материалов не позволяют оптимизировать процесс фрезерования полимерных композитов из-за отсутствия варьирования скорости резания и ограниченности номенклатуры инструментальных материалов;
2. Необходимо проведение дополнительных исследований с варьированием скорости резания и применением инструментальных материалов отечественных и зарубежных производителей;
3. Для оценки целесообразности и экономической эффективности технологии фрезерования полимерных композитов необходимо проведение экспериментов с применением минералокерамики и сверхтвердых материалов.
Список литературы
1. олимерные смеси: рецептура и свойства / пер. с англ. . М.: Машиностроение, 2009. 1224 с.
2. Deborah D. posite materials: science and applications. Functional materials for modern technologies. Printed in Great Britain, 2004. 293.
3. , , Обработка специальных материалов в машиностроении: Справочник. Библиотека технолога. М.: Машиностроение, 2002. 264 с.
4. , , Технология композиционных материалов – учебное пособие для студентов специальности «Технология машиностроения». Братск: БрГУ, 2012. 152 с.
5. , , Совершенствование технологии формообразования высокопрочных стекловолокнистых композиционных материалов на полимерной основе // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). 2012. № 3. С. 150 – 153.
6. , , Особенности фрезерования полимерных композиционных материалов // Системы. Методы. Технологии. 2013. № 2. С. 88 – 90.
7. , , Повышение эффективности обработки высокопрочных композиционных материалов // Труды Братского государственного университета. Серия: Естественные и инженерные науки. 2013. Т. 1. С. 146 – 149.
8. , , Рационализация процесса фрезерования труднообрабатываемых композиционных материалов твердосплавным инструментом // Механики – ХХI веку. VII Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием: сборник докладов. Братск, 2008. 428 с.
9. , , Качество поверхности композиционного материала стеклотекстолит после фрезерования // Инновационные технологии и экономика в машиностроении. Сборник трудов V Международной научно-практической конференции. Томск, 2014. Т.1. 490 с.
10. , , Организация инструментального хозяйства при обработке композиционных материалов // СТИН. 2010. № 11. С. 2 – 4.
11. Lobanov D. V., Yanyushkin A. S., Rychkov D. A., Petrov N. P. Optimal organization of tools for machining composites // Russian Engineering Research. 2011. Т. 31. № 2. С. 156 – 157.
12. Определение периода стойкости режущего инструмента при фрезеровании стеклотекстолита // Потенциал современной науки. 2014. № 2. С. 48 – 52.
13. , , Разработка технологии подготовки режущего инструмента для обработки слоистых композиционных материалов // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). 2014. № 2 (63). С. 6 – 13.
14. , , Новые конструктивные решения сборного фрезерного инструмента для обработки композиционных неметаллических материалов // Труды Братского государственного университета. Серия: Естественные и инженерные науки. 2013. Т. 1. С. 153 – 157.
Cutting problems composites with high strength
E. E. Orlova, graduate student, e-mail: *****@***ru
G. V. Guruleva, graduate student, e-mail: *****@***ru
Bratsk State University, 40 Makarenko st., Bratsk, 665709, Russian Federation
Abstract: presented research problems cutting high-strength composite materials based on polymers, in particular fiberglass. Research shows that the quality of the machined surface and the wear of the cutting tool is influenced by cutting conditions and tool material grade used. Existing studies have not fully reflect the impact of these characteristics on the cutting process and evaluation parameters life details, since there is no variation of the cutting speed and tool materials studied range is limited. Results of studies on the effect of varying the processing speed of the cutting tool and the application of high-strength materials allow to optimize the processing of polymeric composites in terms of processing capacity, the wear resistance of the cutting tool and the surface quality.
Keywords: composite materials, cutting conditions, surface quality, cutting speed
