Способ токарной обработки заготовок из углепластика
METHOD OF LATHE TURNING OF WORK-PIECE OF CARBON-FIBER COMPOSITE

Изобретение относится к обработке материалов резанием и может быть использовано при механической обработке заготовок из полимерных композиционных материалов, преимущественно из углепластика.
Известен способ механической обработки, например токарной, заготовок из пластмасс, для осуществления которого применяют специальный режущий инструмент, оснащенный твердыми сплавами (В.Н. Подураев. Резание труднообрабатываемых материалов: Учебное пособие для вузов. - М.: Высшая школа, 1974, с. 574).
Однако реализация такого способа не обеспечивает получение качественной поверхности после обработки ввиду наличия существенных отличий в физико-химических свойствах металлов и пластмасс. При этом образуется значительная шероховатость поверхности, элементы которой создают концентраторы напряжений, негативно влияющие на прочностные характеристики готовой детали в целом.
Ближайшим аналогом является способ токарной обработки заготовок из капролона, при котором заготовке и режущему инструменту сообщают относительное движение формообразования, а подачу осуществляют дискретно, при этом заготовку из капролона подвергают предварительной обработке путем обкатывания (Патент РФ на изобретение №2497670, В29С 37/00, опубл. 10.11.13).
Однако известный способ не позволяет обеспечивать высокую производительность и получать высокое качество обрабатываемой поверхности при точении углепластика, так как обкатывание заготовки из углепластика не оказывает влияния на механическую прочность наполнителя - углеволокон и не уменьшает адгезионные связи между волокном и матрицей.
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение производительности обработки заготовки и качества обработанной поверхности.
Указанная задача достигается тем, что в способе, включающем токарную обработку заготовок из углепластика, при котором заготовке и режущему инструменту сообщают относительное движение формообразования, а подачу осуществляют дискретно, при этом заготовку из углепластика подвергают предварительной обработке, согласно изобретению предварительную обработку заготовки из углепластика производят поверхностным деформированием путем ударного воздействия шариком, а последующую токарную обработку производят при глубине резания, равной глубине распространения деформации по сечению заготовки.
Предварительная обработка заготовки из углепластика поверхностным деформированием путем ударного воздействия шариком позволяет снизить прочность поверхностного слоя углепластика на 12-16%. За счет этого снижается сила резания при последующем точении заготовки, увеличивается скорость резания и повышается качество обрабатываемой поверхности. Сферическая поверхность шарика является наиболее оптимальной по сравнению с другими криволинейными поверхностями, как показали сравнительные экспериментальные исследования.
Пример реализации способа
Заготовку из углепластика закрепляют в токарном станке известным способом. Затем производят предварительную обработку заготовки из углепластика поверхностным деформированием путем ударного воздействия шариком, который, например, соединен со штоком вибратора.
При этом за счет энергии удара в полимерной матрице углепластика образуется такая структура материала, в которой часть связей разрушена, а часть напряжена и имеет низкую энергию активации связей, что является причиной формирования внутренних трещин в объеме матрицы. В углеродных армирующих волокнах происходит концентрация напряжений, что приводит к снижению их механической прочности. В межфазной прослойке между армирующим волокном и матрицей также образуются трещины и расслоения, что снижает адгезионную прочность соединения волокон с матрицей. В целом имеет место аддитивный эффект технологического разупрочнения поверхностного слоя заготовки из углепластика.
Затем производят точение заготовки режущим инструментом. При взаимодействии поверхностного слоя углепластика с режущим клином инструмента облегчается процесс деформирования срезаемого слоя за счет образования зоны предразрушения благодаря эффекту технологического разупрочнения. Магистральная трещина приобретает более устойчивое направление развития вдоль линии среза, что является предпосылкой повышения качественных показателей обработанной поверхности, так как снижается вероятность образования вырывов, сколов и подобных дефектов обрабатываемого резанием материала. При точении заготовки величину глубины резания назначают равной величине глубины распространения деформации от ударного воздействия шариком по поверхности заготовки. При выполнении такого условия обеспечивается максимальная эффективность точения, так как в зоне резания подвергаться воздействию режущего инструмента гарантированно будет именно та часть материала заготовки, структура которой технологически разупрочнена. Величина глубины распространения деформации от ударного воздействия шариком рассчитывается по формуле:
где h - глубина распространения деформации, мм; Р - нормальная сила удара шариком, н; ƒ - коэффициент затухания ударной волны; σ - предел прочности материала заготовки, Па.
В отличие от аналогов предлагаемый способ обеспечивает повышение производительности обработки заготовки и качества обработанной поверхности за счет технологического разупрочнения поверхностного слоя обрабатываемой заготовки из углепластика за счет ударного воздействия шариком.