Экспериментальное исследование режимов резания при обработке стеклотекстолита

УДК 679

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ РЕЗАНИЯ ПРИ ОБРАБОТКЕ СТЕКЛОТЕКСТОЛИТА

В.Н. Лисицин, Н.Н. Трушин, И.В. Мешков

Проведено экспериментальное исследование влияния скорости резания и подачи на износ инструмента при фрезеровании стеклотекстолита. Рассмотрены особенности и проблемы фрезерования слоистого материала. Определены наиболее эффективные значения подачи и скорости резания путем анализа степени износа режущей части инструмента.

Ключевые слова: контурное фрезерование, композиционные материалы, стеклотекстолит.

Современный промышленный рынок заставляет отечественные машиностроительные предприятия увеличивать и часто менять номенклатуру своей продукции, оперативно адаптируясь к специфическим требованиям заказчиков. Это, в свою очередь, существенно увеличивает номенклатуру средств технологического оснащения, в том числе номенклатуру режущего инструмента, и непрерывно меняет порядок и технологию его изготовления или приобретения, что при существующих системах управления инструментальным обеспечением приводит к неоптимальному выбору инструмента. Реализация концепции комплексно-автоматизированных технологических систем требует для управления инструментальным обеспечением компьютерных систем, интегрированных в общую систему управления предприятием. Современное промышленное производство функционирует в условиях так называемого "информационного взрыва", при котором стоимость поиска информации, необходимой для оптимального управления производственным процессами, неуклонно возрастает по нелинейному закону. Это приводит к случайному выбору материалов и технологий, что снижает качество конечной продукции и её конкурентоспособность. Отметим также, что перестройка производства в России нарушила традиционный процесс передачи знаний от опытных специалистов к молодым, что также выдвигает определенные требования к эффективности систем управления производственными процессами.

В сложившихся технико-экономических условиях инструментальное обеспечение становится одной важнейших составляющих подготовки производства и формирования оптимальной организационно-технологической структуры производственных процессов с целью создания конкурентоспособной продукции. Совершенствование инструментального обеспечения является одним из условий выживания машиностроительных предприятий в жестких условиях рыночной экономики. Поэтому проблемы управления инструментальным обеспечением производственных процессов остро стоят практически на всех отечественных машиностроительных предприятиях [1].

Обработка резанием композиционных неметаллических материалов обладает рядом особенностей, отличающих ее от аналогичной обработки металлов. Эти особенности объясняются характерными свойствами и структурой обрабатываемых материалов, следовательно, прямой перенос закономерностей процесса резания металлов на эти материалы недопустим, несмотря на непрерывное совершенствование технологий в области обработки материалов. Специфические свойства композиционных неметаллических материалов вызывают трудности при изготовлении изделий из них с применением режущего инструмента, возрастают требования к износостойкости и качеству подготовки инструмента. Применяемые в настоящее время инструменты и режимы обработки не позволяют обеспечить требуемое качество изделий. Режущий инструмент интенсивно изнашивается, теряет свою работоспособность, в результате чего возрастают затраты на его эксплуатацию и ведут к браку изделий. Такие трудности значительно снижают долю механической обработки при изготовлении деталей из современных композиционных материалов, что ограничивает область их применения [2].

Известные исследования процессов резания и режущих инструментов для обработки композитов носят фрагментарный характер и не отражают современные конструкционные и инструментальные материалы, а также не сведены к формированию четких рекомендаций по выбору режимов резания для обработки композиционных неметаллических материалов

[3].

Дальнейшее совершенствование технологии обработки композиционных неметаллических материалов лезвийным инструментом сдерживается недостаточной изученностью перечисленных проблем. Актуальность разработки новых и совершенствования существующих методов эффективного использования режущего инструмента на операциях механической обработки конструкционных материалов, обладающих особыми конструкционными и эксплуатационными характеристиками, существует и в настоящее время. Поэтому необходим поиск рациональных конструкций и условий эксплуатации режущего инструмента для обеспечения требуемого качества изготавливаемой продукции из композиционных неметаллических материалов [2].

В отечественной промышленности одними из наиболее распространенных материалов электротехнического назначения являются слоистые пластики. Их доля составляет около 35 % от всех изготавливаемых материалов электротехнического назначения, при этом примерно 30 % из них -стеклотекстолиты. В России основной объем потребления стеклотекстоли-тов приходится на электротехническую отрасль, радиоэлектронную промышленность, машиностроение и оборонную промышленность для изготовления печатных плат [4].

Печатная плата (PCB - Printed Circuit Board) - общий термин, используемый для полностью изготовленных печатных схем и структуры проводящего рисунка. Широко используемые в промышленности печатные платы классифицируются на односторонние, двухсторонние и многослойные платы с жестким, гибким и гибко-жестким основанием [5].

В качестве композиционного материала для изготовления печатных плат в отечественной промышленности используется фольгированный стеклотекстолит марки СТЭФ-1. Стеклотекстолит обладает следующим физическими свойствами [6]:

- стойкость к кратковременному нагреву 200 0С;

- разрушающее напряжение при изгибе перпендикулярно слоям по основе ткани не менее 390 МПа;

- разрушающее напряжение при растяжении по основе ткани не менее 320 МПа.

Подготовка элементов технологической системы "станок-инструмент - заготовка" (СИЗ) к обработке стеклотекстолита осуществлялась следующим образом. Для фрезерования фольгированного стеклотекстолита рассматривались фрезы с алмазной обработкой режущих кромок, иногда называемые «кукуруза», а также фрезы с винтовыми режущими кромками, снабженными стружколомающим элементом (фрезы типа CBD).

Фрезы типа CBD (рис. 1) обладают малым зубом и большими винтовыми стружечными каналами. Такие фрезы обеспечивает чистовое фрезерование контуров и пазов при малой вибрации, передаваемой от заготовки к шпинделю [7].

I

CBD Series

Рис. 1. Фреза типа СББ

Для экспериментального исследования обрабатываемости стеклотекстолита СТЭФ-1 была выбрана фреза с винтовыми режущими кромками, снабженными стружколомающими элементами. Удаление стружки из зоны резания очень важно для качества поверхности и срока службы фре-

182

зы, при этом важно проверить тягу отвода стружки из зоны резания, так как процесс фрезерования стеклотекстолита происходит без использования смазочно-охлаждающей жидкости.

При этом отвод тепла из зоны резания происходит с помощью двух воздушных потоков. Первый воздушный поток создает вращение шпинделя, второй воздушный поток создает механизм отвода мелкой стружки. Слой фольги обеспечивает при этом дополнительное рассеивание тепла с поверхности материала.

Критичными видами дефектов при фрезеровании стеклотекстолита для печатных плат радиоэлектронной аппаратуры являются образование кратера при первом касании инструмента заготовки, повреждение токо-проводящего слоя прижимным механизмом установочного приспособления и рабочей частью стола станка, разлохмачивание и растрескивания стеклотекстолита.

С целью уменьшения вероятности проявления указанных дефектов используется пакет из нескольких слоев, схема которого представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схема контурного фрезерования стеклотекстолита: 1 - фреза типа СЕБ; 2 - верхняя прокладка; 3 - заготовка; 4 — нижняя прокладка;

5 - стол

Необходимостью использования нижней прокладки является обеспечение гарантированного зазора между инструментом и столом станка.

Материал заготовки - фольгированный стеклотекстолит марки СТЭФ-1 толщиной 1 мм, материал прокладок - тот же стеклотекстолит СТЭФ-1 толщиной 1 мм.

Подбор режимов фрезерования производился следующим образом. При фрезеровании стеклотекстолита необходим выбор оптимальной скорости подачи: при слишком малой подаче отдельные режущие кромки не

183

смогут достаточно глубоко проникнуть в обрабатываемый материал и вместо резания возникнет заглаживание материала. При этом возникает перегрев материала в зоне обработки и образование пленки нагара на режущих кромках фрезы.

При слишком большой величине подачи возникает резкое снижение стойкости и увеличивается вероятность поломки фрезы.

С целью уменьшения износа режущих кромок фрезы и предотвращения растрескивания материала в начале контура необходимо просверлить отверстие сверлом с диаметром, равным диаметру фрезы.

В некоторых случаях используют нижнюю прокладку в пакете с заранее отфрезерованным пазом, что способствует лучшему отводу стружки и охлаждению инструмента.

Качество фрезеруемой поверхности зависит и от направления фрезерования. Рекомендуется наружные контуры фрезеровать, обходя заготовку против часовой стрелки, а внутренние контуры («окна»), - обходя по часовой стрелке.

Подготовка и проведение опытного исследования процесса фрезерования стеклотекстолита в производственных условиях состояло в следующем. В технической литературе [8] отмечено, что слоистые пластики, армированные стекловолокном, асбоволокном и углеродными волокнами, рекомендуется обрабатывать фрезами с твердосплавными пластинами при скоростях резания от 125 до 300 м/мин и подачах от 0,1 до 0,3 мм/зуб.

В работе [2] режимы резания рекомендуется устанавливать в соответствии с требуемым качеством и производительностью в следующих пределах: подача на зуб от 0,15 до 0,17 мм/зуб, скорость резания от 45 до 48 м/мин и глубина резания от 0,3 до 0,6 мм.

Для использования этих данных на станке и создания таблицы программы эксперимента переведем скорость резания в частоту вращения шпинделя и скорость подачи (в м/мин) по формулам

где п - частота вращения шпинделя, об/мин; V - скорость резания, м/мин; Э - диаметр фрезы, мм.;

где Sm - подача, м/мин; Sz - подача, мм/зуб; n - частота вращения шпинделя, об/мин; z - число зубьев фрезы.

В табл. 1 представлена программа для контурного фрезерования стеклотекстолита на станке Schmoll MX c числовым программным управлением CNC-7 фирмы Exellon [10].

n = 1000F/pD,

Таблица 1

Текст программы фрезерования прямолинейного контура заготовки из фольгированного стеклотекстолита

Кадры программы Комментарии

M48 Начало заголовка

METRIC Используется метрическая система измерения

VER, 1 Использование осей X и У

FMAT, 2 Формат программы 2

T01C2.5F1.4S30 Выбор инструмента, подачи, частоты вращения

DETECT, ON Обнаружение сломанного инструмента

% Стоп

G00X038500Y-060375 Выход в точку для начала движения

G42 Включить компенсацию фрезы справа

M15 Движение шпинделя к заготовке по оси Ъ

G01Y-067325 Линейное движение по координате У

M16 Убрать зажим

G40 Выключить компенсацию

G00X038500Y-067675 Выход в точку для начала движения

G42 Включить компенсацию фрезы справа

M15 Движение шпинделя к заготовке по оси Ъ

G01Y-074500 Линейное движение по координате У

X045500 Линейное движение по координате X

Y-067675 Линейное движение по координате У

M16 Убрать зажим

G40 Выключить компенсацию

G00X045500Y-67325 Выход в точку для начала движения

G42 Включить компенсацию фрезы справа

M15 Движение шпинделя к заготовке по оси Ъ

G01Y-060500 Линейное движение по координате У

X038375 Линейное движение по координате X

M16 Убрать зажим

G40 Выключить компенсацию

M30 Конец программы

В табл. 2 приведены параметры режима обработки, полученные по итогам одиннадцати экспериментов.

Во всех экспериментах использовалась фреза диаметром 2,5 мм, толщина обрабатываемого пакета составляла 3 мм.

185

Таблица 2

Режимы резания для экспериментального исследования

№ п/п Обороты шпинделя, тыс. 1/мин Подача, м/мин Время обработки, мин Износ инструмента, мкм

1. 6 2,04 1 40

2. 15 3 5 34

3. 20 3 5 31

4. 25 6 5 33

5. 30 3 5 40

6. 35 16 1 50

7. 38 22,8 1 Поломка

8. 30 2,04 10 4

9. 30 1,4 10 2

10. 30 1 10 4

11. 30 1,4 46 10

При малых скоростях резания происходит вырывание волокон из материала и быстрый износ режущей части инструмента; при слишком высоких происходит заглаживание обрабатываемой поверхности стеклотекстолита.

При низкой подаче происходит также заглаживание поверхности, при большой подаче происходит поломка инструмента.

На рис. 3 и 4 представлены копии экранов с замером изношенной режущей части фрезы при фрезеровании стеклотекстолита при скорости подачи 1,4 м/мин и частоте вращения шпинделя 30000 об/мин.

Замер произведен на лазерном измерительном оборудовании фирмы DMG MORI c высокопроизводительным программным обеспечением Microsoft vision VIO.

На рис. 3 видно, что режущие кромки фрезы имеют сколы, а износ режущей части неравномерный из-за неоднородности материала.

На рис. 4 видно, что минимальный износ режущей части составил 10 мкм, износ режущей части на первом и четвертом зуб несколько больше, чем у третьего и четвертого, которые обрабатывали непосредственно заготовку.

Опции СЦяяс ПоМоць

Функции измерения Сигма

Максимальные знамения 4 " Измерит, окно макс. \ н | Измерит, окно авт.

О,- Отраженный свет-ВЫКЛ Ц—^ Печатать

Настройки

Принтер этикеток

Формат ввода

Принтер протокол«

Free PDF

Ball uff

Отраженный сеет Чувствительность камеры

Контраст

Постпроцессор Настройки 2.Камера Проходящий свет

.........LH1

¡ i ¡-......

Прервать Сохранить

сохранить изображение

software V6.0.2.56 DMG-KGB-COUNTEft X: -0.140 IE303 Z: 139.064 1E303

Рис. 3. Просмотр изношенной режущей часть фрезы

Функции измерения Сигма

j^jj Максимальные знамения

~ Измерит, окно макс, |_jJ Измерит, окно авт, -О; Отраженный свет-ВК/1

LqJ Печатать

2.438 140.555

Опции Оранс Ппамц»

ori.com

Станок DMC635V ,

Адаптер 2 ВТ40 ,

Настройки

Принтер этикеток

3 rather QL-570 Принтер протокола

FreePDF

±ш

я

Balluff Постпроцессор

Отраженный свет Настройки 2.Камера

Чувствительность камеры Проходящий свет

Контраст

Яркость

Старт

Прервать Сохранить Назад

Software V6,02,56 DMG-KGB-COUNTER X:-0,140 -1.359 Z; 139.084 -1,471

Рис. 4. Замер изношенной режущей части фрезы

По результатам экспериментов было установлено, что для твёрдо-сплавной фрезы типа СББ диаметром 2,5 мм и толщине пакета 3 мм оптимальная скорость резания составляет 235,5 м/мин с подачей 1,4 м/мин. Установленные режимы резания обеспечивают шероховатость Яа=40 мкм. Согласно ОСТ 3-1291-82 максимальное значение шероховатости Яа должно быть в пределах от 50 до 25 мкм [9].

187

Выводы. В связи с недостаточной изученностью обработки композитов необходимо исследовать влияние режимов резания, параметров инструмента и методов обработки на различные марки стеклотекстолита. Необходимы также исследования особенности обработки изделий из композитов инструментом из высокопрочных, износостойких инструментальных материалов, выпускаемых отечественной и зарубежной промышленностью.

Список литературы

1. Трушин Н.Н. Организационно-технологическая структура производственного процесса на машиностроительном предприятии. Тула: ТулГУ, 2003. 230 с.

2. Лобанов Д.В., Янюшкин А.С., Рычков Д.А. Технологические методы изготовления и выбора режущего инструмента для фрезерования композиционных материалов на полимерной основе // Вестник ЮУрГУ. сер. "Машиностроение". 2015. Т. 15. № 1. С. 35 - 46.

3. Махмудов М. Механическая обработка печатных плат. М.: Радио и связь, 1986. 72 с.

4. Архангельский Б.А. Пластические массы. Справочное пособие по применению пластических масс в судостроении и в смежных областях: справочное издание. Л.: Судпромгиз, 1961. 721 с.

5. ГОСТ Р МЭК 61188-5-1-2012. Печатные платы и печатные узлы. Проектирование и применение. Часть 5-1. Анализ соединений (посадочные места для монтажа компонентов). Общие требования.

6. ГОСТ 12652-74. Стеклотекстолит электротехнический листовой.

7. Каталог расходных материалов и инструментов фирмы "Остэк". URL: http://www.ostec-st.ru/catalog/equipment/frezy-i-svYerla/sbf-freza-s-mal ym-zubom-i-bolshim-struzhechnym-kanalom-vershina-frezy-lastochkin-khvost/ (дата обращения: 21.03.17).

8. Корягин С.И., Пименов И.В., Худяков В.К. Способы обработки материалов: учеб. пособие. Калининград: Калининград. ун-ты. 2000. 204 с.

9. ОСТ 1291-82. Конструкторские нормы. Шероховатость поверхности. Указания по выбору.

10. Каталог оборудования и инструментов фирмы Schmoll. URL: http://www.schmoll-maschinen.de/en/applications.html (дата обращения: 21.03.17).

11. Каталог оборудования и инструментов фирмы DMG MORI. URL: http: //ru. dmgmori. com/продукты/y стройства-предварительной-наладки/yстройства-предварительной-наладки-инструмента/vio (дата обращения: 21.03.17).

_Резание материалов и проектирование специального инструмента_

Лисицин Владимир Николаевич, инженер-технолог, Россия, Тула, Конструкторское бюро приборостроения имени академика А. Г. Шипунова,

Трушин Николай Николаевич, д-р техн. наук, проф., Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Мешков Игорь Владимирович, начальник отдела, Россия, Тула, Конструкторское бюро приборостроения имени академика А. Г. Шипунова

EXPERIMENTAL RESEARCH OF MODES OF CUTTING OF FIBERGLASS'S

PROCESSING

V.N. Lisitsin, N.N. Trushin, I. V. Meshkov

We present an experimental study of the influence of cutting speed and feed on tool wear in milling offiberglass. The peculiarities and problems of milling of the layered material. We determine the most effective feed and cutting speed by analyzing the degree of wear of the cutting tool.

Key words: contour milling, composite materials, fiberglass.

Lisitsin Vladimir Nikolaevich, engineer, Russia, Tula, Instrumental Design Bureau named after academician A. G. Shipunov,

Trushin Nikolay Nikolaevich, doctor of engineering sciences, professor, Russia, Tula, Tula state university,

Meshkov Igor Vladimirovich, head of department, Russia, Tula, Instrumental Design Bureau named after academician A. G. Shipunov