Влияние режимов резания и жесткости конструкции на точность механической обработки деталей из ПКМ на станках с ЧПУ

Технологии машиностроения

УДК 621.91.014:678.7.06-419

ВЛИЯНИЕ РЕЖИМОВ РЕЗАНИЯ И ЖЕСТКОСТИ КОНСТРУКЦИИ НА ТОЧНОСТЬ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ПКМ НА СТАНКАХ С ЧПУ

М.И. Чижов, М.С. Огурцов, А.В. Сергеенко

В статье описаны факторы, оказывающие значительное влияние на точность при механической обработке деталей двойной кривизны из полимерных композиционных материалов (ПКМ). Приведены статистические экспериментальные данные при контурной обрезке стеклопластика и анализ приведенных режимов резания

Ключевые слова: полимерные композиционные материалы, стеклопластик, механическая обработка, скорость резания, жесткость

В настоящее время в авиационных конструкциях широко применяются полимерные композиционные материалы (ПКМ). Препреги на основе угле и стекловолокон интенсивно вытесняют металлические детали из конструкции самолетов. Использование композитов позволяет значительно уменьшить вес изделия.

Т ехнологический процесс изготовления конструкций из ПКМ является трудоемким и не обходится без стадии механической обработки, не смотря на то, что конструкция изделия готовиться одновременно с материалом. Механическая обработка конструкций из ПКМ, как правило, заключается в снятие технологического припуска по контуру детали, поверхностном фрезеровании, перфорировании поверхности и сверлении отверстий. Процесс обработки конструкций из ПКМ значительно отличается от обработки традиционных металлических конструкций, представляя собой, в сущности, стирание материала.

К инструменту для обработки деталей из углепластиков, стеклопластиков, сотовых конструкций предъявляются высокие специфические требования. Проблемы,

характерные для обработки деталей из ПКМ: расслоение деталей, перегрев, образование заусенцев, абразивный износ режущего инструмента. Для предотвращения

вышеназванных проблем, возникающих при обработке конструкций из ПКМ, необходимо учитывать характеристики материала,

технологию его изготовления и конструктивные

особенности деталей. При механической

обработке на высоких скоростях резания

Чижов Михаил Иванович - ВГТУ, д-р техн. наук,

профессор, e-mail: mihailc@list.ru

Огурцов Михаил Сергеевич - ВГТУ, студент,

e-mail: mikhail.ogurtcov@bk.ru

Сергеенко Александр Викторович - ВГТУ, студент,

e-mail: aleksandr.sergeenko@gmail.com

происходит резкое увеличение температуры в зоне резания, что приводит к расплавлению наполнителя и налипанию связующих смол на режущие кромки инструмента. Учитывая

сложную форму фрез, которые применяются при механической обработке, разогретые смолы в зоне резания губительно сказываются как на стойкости инструмента, так и на

характеристиках обрабатываемой поверхности. Увеличение температур в зоне резания приводит к подгоранию материала (рис. 1) и нарушению его свойств. Во время

механической обработки на низких скоростях резания не происходит разрезание препрега, что приводит к деформации детали и

смещению контура обреза. Контур обреза деталей из ПКМ чаще всего тонкостенный от 2 до 3,5 мм и характеризуется двойной кривизной, что усложняет базирование и закрепление детали в рабочей зоне станка. Недостаточная жесткость деталей в зоне обработки является основной причиной возникновения вибраций и их деформации. Причиной образования заусенцев может являться как неверно подобранная скорость резания, так и геометрия режущей кромки

инструмента.

Рис. 1. Подгорание контура

Инструмент, применяемый при обработке конструкций из ПКМ на станках с ЧПУ, относительно дорогой и увеличение ресурса его работы уменьшает стоимость обработки и

временя, затрачиваемое на смену инструмента. Решение вышеперечисленных проблем позволит увеличить стойкость инструмента, повысить качество обрабатываемых поверхностей деталей из ПКМ и определить оптимальные режимы резания. При обработке деталей из ПКМ следует использовать инструмент из специальных сплавов, которые обладают относительно высокой устойчивостью к абразивному износу. К таким материалам относятся твердые сплавы и материалы на основе поликристаллических алмазов.

Были проведены предварительные исследования для определения факторов, в наибольшей степени влияющих на механическую обработку стеклопластика (в табл. 1 представлены особенности конструкции обрабатываемых деталей).

Таблица 1

Укладка слоев детали

В [1] показано, что основным фактором, влияющим на стойкость инструмента, является скорость резания. Для исследования влияния резания на процесс механической обработки деталей из стеклопластика применялось планирование многофакторного эксперимента и метод регрессионного анализа [2].

За критерий оптимальности принято среднее арифметическое отклонение контура обреза от теоретической модели детали (в мм). В качестве факторов, характеризующих динамику снятия технологического припуска, приняты показатели режимов резания: подача ^),

скорость резания (V), жесткость детали в месте обреза (к - значения варьируются от 1 до 10, 10 -жесткость максимальна). Остальные факторы (геометрия инструмента, температурные изменения в станке, тип препрега, раскладка слоев, толщина заготовки, режимы термостатирования, кривизна обрабатываемой

поверхности и др.) в исследованиях поддерживались постоянными.

На основе рекомендаций фирмы изготовителя фрез-роутеров, используемых при проведении исследований, факторы изменялись в следующих пределах:

S=0,144 - 0,24 мм/об V=75 - 125 м/мин t=8 - 10 баллов

Т.к. мы не учитываем погрешность установки детали в рабочей зоне станка и погрешность движения по осям, то для измерения отклонения позиционирования при обработке использовался контактный датчик ЯМР60 с радиопередачей сигнала для станков с ЧПУ (рис. 2).

Для определения среднеарифметического отклонения контура обреза проводилось измерение отклонение измерений от теоретического контура детали через каждые 150 мм.

Рис. 2. Измерение детали средствами

ЯМР60

Таблица 2 Результаты эксперимента

№ п/п Отклонение контура, мм V, м/мин мм/об к, баллы

1 0,513 100 0,144 8

2 0,217 200 0,144 8

3 0,734 100 0,24 8

4 0,318 200 0,24 8

5 1,987 100 0,144 4

6 0,89 200 0,144 4

7 2,43 100 0,24 4

8 1,127 200 0,24 4

Номер слоя Направление укладки Материал

1 0° КМКС- 2м.120.Т10.37

2

3 Вдоль соответствующих кромок КМКС- 2м.120.Т10.37

4

5

6

7 КМКС- 2м.120.Т10.55

8 0° КМКС- 2м.120.Т10.55

9 КМКС- 2м.120.Т10.37

10 9 о о КМКС- 2м.120.Т10.37

11

Известно [3], что отклонение геометрии поверхности при обработке можно описать степенной зависимостью, устанавливающей связь между режимами резания и геометрией инструмента. При стабилизации геометрии связь между среднеарифметическим отклонением контура обреза можно представить в виде Я^С^^к3, где С0 - постоянный коэффициент, т, п и р - неизвестные показатели степени [3].

Эта зависимость нелинейная, поэтому логарифмируя, сводим ее к линейному виду:

1п Я=1п С0 + п 1п S+ т 1п V + р 1п t

вводим обозначения:

1п Я = Y; 1п С0 = Ь0; т = Ьь V = XI ; п = Ь2; S

= Х2 ; р = Ь3; к = Х3;

тогда Y = Ь0 + Ь1 1п XI + Ь2 1п х2 + Ь3 1п х3 (2) Уравнение (2) является постулированной эмпирической моделью зависимости

среднеарифметического отклонения контура обреза от режимов резания и жесткости конструкции. После преобразования с введением членов, учитывающих взаимодействие факторов, записываем в кодированных переменных:

Yl = Ь0 + Ь Х1+ Ь2 Х2+ Ь3Х3+ Ь]2 Х1 Х2+ Ь23 Х2 Х3+ Ь13 Х1 Х3+ Ь23 Х2 Х3+ Ь123 Х1Х2 Х3

Для определения коэффициентов этого уравнения воспользуемся программой «Statistica».

В результате проведенных экспериментов получена модель вида:

Y = 1,0270 - 0,389x1 - 0,5815x3 + 0,211x1 Х3

По величине и знаку коэффициентов регрессии можно судить об их влиянии на значение параметра оптимизации. Если ^>0, то увеличение х1 вызывает увеличение параметра оптимизации. Таким образом, уменьшение скорости резания и жесткости конструкции ведет к увеличению отклонения контура обреза при обработке контура. Причем погрешность при обработке, главным образом, зависит от жесткости конструкции. Влияние подачи несущественно и при изучении отклонения в данных интервалах варьирования ею можно пренебречь.

Влияние смешанного произведения

факторов оценивается значимостью и знаком коэффициента Ьщ. При Ьщ>0 величина Y будет возрастать, если х1 и х3 находятся

одновременно на верхних или нижних уровнях.

Математическое планирование

эксперимента позволило установить, что минимальные отклонения контура при

механической обработке конструкций из ПКМ на станке с ЧПУ достигается на режимах V = 200 м/мин к=8 баллам. Изменение подачи на оборот в интервалах от 0,144 до 0,24 влияния почти не оказывает.

Таблица 3 Коэффициенты уравнения 3

bo bi b2 b3

1,027000 -0,389000 0,125250 -0,581500

b12 b13 b23 b 123

-0,040750 0,211000 -0,044750 0,028331

Литература

1. Горбунов Б. И. Обработка металлов резанием, металлорежущий инструмент и станки: учеб. пособие. -М.: Машиностроение, 1981. - 287 с.

2. Адлер Ю. П., Маркова Е. В., Грановский Ю. В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. - М.: Наука, 1976. - 279 с.

3. Пляскин И.И. Оптимизация технических решений в машиностроении. - М.: Машиностроение 1982. - 176 с.

Воронежский государственный технический университет

INFLUENCE MODES OF CUTTING AND HARSHNESS OF CONSTRUCTION ON PRECISION OF MECHANICAL TREATMENT OF DETAILS OF COMPOSITION MATERIALS

ON THE NC MACHINE

M.I. Chizhov, M.S. Ogurtcov, A.V. Sergeenko

There are factors in article that have significant influence on precision of mechanical treatment of details with double curving of polymeric composition materials (PCM). There is statistical experimental data of contour cutting glass reinforced plastic and analysis of shown modes of cutting

Key words: polymeric composite materials, glass reinforced plastic, machining, cutting speed, rigidity of construction