Принципы эффективной механической обработки композитных материалов с использованием твердосплавных инструментов

УДК 621.9.02

ПРИНЦИПЫ ЭФФЕКТИВНОЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТВЕРДОСПЛАВНЫХ ИНСТРУМЕНТОВ

В.В. Истоцкий

Показано, что для эффективного резания композитных материалов необходимо применять прерывистые режущие кромки, сжатие материала в зоне резания, винтовые зубья и высокие скорости резания.

Ключевые слова: резание композитных материалов, прерывистые режущие кромки, инструменты.

Трудно назвать точное время, когда металлические изделия передадут главенствующую роль т.н. композитным материалам - может этого и не произойдёт, но уже сейчас механическая обработка этих материалов ставит больше задач, чем их заслуженные конкуренты.

Остановимся на одном виде композитных материалов, предназначенном для эксплуатации при повышенных температурах и знакопеременных нагрузках. Для их обозначения будем использовать общепринятую европейскую аббревиатуру.

Композиты с полимерной матрицей (PMC) - наиболее распространённый вид композитов. Они известны как полимеры, армированные волокнами из высокопрочных органических материалов.

Композиты с керамической матрицей (CMC) - применяются для изделий, работающих в условиях высоких температур. Они армированы короткими волокнами или нитевидными кристаллами, такими, как карбид кремния или нитрат бора.

Композиты с металлической матрицей (MMC) - находят применение в автомобилестроении, матрицей является металл (обычно алюминий), наполнителем являются частицы карбида кремния. Эти композиты по сравнению с композитами (PMC):

могут эксплуатироваться в значительно более высоких температурах;

более эффективны в малогабаритных, тяжело нагруженных элементах конструкций.

Все эти композиты армируются либо волокнами в виде сеток с квадратными ячейками, либо в виде равноотстоящих параллельных нитей.

Процесс резания этих материалов необыкновенно сложен, и в сравнении с обработкой металлов, приходится учитывать реологические свойства, анизотропию механических свойств, неоднородность структуры и температурные ограничения.

Вариация выходной характеристики — силы резания при обработке композитов больше, чем при обработке металлов. Иными словами, необходимо применять новые технические решения - обычное прямоугольное резание крайне неэффективно.

Срезание широких слоёв металла неэффективно даже при обработке металлов. Деление широких стружек на отдельные элементы реализовано в конструкции т.н. «кукурузных» фрез [1]. Это решение не считается эффективным даже при обработке металлов - причиной являются очень малые значения заданных углов зубьев и трудоёмкость изготовления таких инструментов.

Опыт обработки пластмасс показывает, что при обработке лучшие результаты получаются при значениях передних и задних углов в диапазоне 15...200, то есть угле заострения режущего клина в 50...600. Отрицательные передние углы практически не допускаются.

Эффективным способом разделения широких лезвий на отдельные элементы являются винтовое затылование концевых фрез [2].

Формирование задних боковых поверхностей зубьев (рис. 1) позволяет по схеме обычного резьбошлифования обеспечить задание углы, порядка 20.25°, а в качестве заготовок использовать обычные концевые фрезы.

Рис. 1. Фреза, стружкоделительные канавки которой выполнены по схеме винтового затылования

335

При винтовом затыловании боковые поверхности стружкораздели-тельных канавок представляют собой многозаходные правые и левые винтовые поверхности. Профиль этих канавок (рис. 1, вид А) может быть, как симметричным, так и несимметричным и соответствует профилю шлифовального круга, используемого для винтового затылования.

Шлифовальный круг поочерёдно обрабатывает противоположные стороны стружкоделительных канавок, разворачиваясь на углы а1 и а2.

Необходимые расчёты параметров затылования шагов Р1 и Р2, чисел заходов 11 и ¡2, углов подъёма основной стружечной канавки ю, параметра деления Ак, приведены в работе [2].

Разделение режущей кромки на сегменты снижает температуру в зоне резания и способствует удалению из неё стружки, которая скорее напоминает опилки или пыль, возникающие при деревообработке.

Изготовление фрез по схеме винтового затылования, возможно только на 4 - 5 координатных шлифовально-заточных станках с ЧПУ, причём особую сложность представляет изготовление торцовых зубьев. Для их симметричного резания необходимо использовать принципы 3Б моделирования на виртуальных аналогах, используемых станков [3], традиционное вычерчивание к успеху не приводит.

Фреза (см. рис.1) не учитывает в своей конструкции реологические свойства обрабатываемых композитов, которые отличаются от металлов тем, что резание протекает значительно эффективнее при предварительном сжатии обрабатываемого материала [4].

Это указывает на значительное влияние остаточных деформаций и относительно низкий модуль упругости обрабатываемых материалов.

Это обстоятельство частично учитывает фреза (рис. 2), особенностью которой является использование в качестве режущих элементов участков обычной, трапецеидальной резьбы, разделённых стружечными канавками.

На рис. 2 на развёртке по наружному диаметру О, показана одноза-ходная винтовая поверхность с шагом Р. Последовательно расположенные зубья 1 и 2 смещены относительно друг друга на половину шага Р, и это обуславливает различный характер работы противоположных сторон зубьев. Зубья с положительным углом а выполняют традиционное резание, причём точка С в течение одного оборота фрезы совершает конструктивное перемещение на один шаг в точку С1. Точка имеющая отрицательный угол а не может совершать традиционное резание, и при перемещении в точку ^ в основном деформирует слой срезаемого материала толщиной а (рис. 2, вид Б).

При высоких скоростях резания V = 180... 200 м/мин, деформированный слой не успевает упруго восстановиться, поэтому резание вершиной зуба, т.е. линий СО происходит в более благоприятных условиях.

Задача проектирования этой очень технологичной в изготовлении фрезы - правильно выбрать значения шага P, угла подъёма стружечной канавки w, скорости резания V и минутной подачи. Эта информация обычно составляет «know how» фирм производителей.

А-А

ml

Рис. 2. Фреза с односторонним винтовым затылованием стружкоделительных канавок

На рис. 3 показана двузубая фреза, особенностью которой являются стружечные канавки с левой винтовой поверхностью под углом ю и разнонаправленные 1 и 2 режущие элементы, разделённые стружечными и стружкоразделительными канавками.

Зубья 1, образованные левой резьбой, не отличаются от показанных на рис. 2, а зубья, обозначенные вторым номером, образованы правой резьбой, они смещены относительно первого ряда на половину шага Р и вершина зубьев с'С' на первом зубе.

Форма стружкоделительных канавок (рис. 3, вид Б) тоже разнонаправленная и способствует эффективному резанию точек С, С1, С с положительными задними углами а.

Точки с отрицательными задними углами - а выполняют деформацию срезаемого слоя А, что способствуют эффективности резания фрезы в целом.

Ширина деформирующих элементов «Ь» (рис. 2 и 3) также оказывает влияние на процесс деформирования (чем больше, тем интенсивнее он воздействует).

Обработка правых и левых стружкоделительных канавок на одной фрезе довольно затруднительна, а на универсальном оборудовании практически невозможна.

Рис. 3. Фреза с использованием правых (1) и левых (2) режущих

элементов

На шлифовально-заточных станках с ЧПУ программирование существенно облегчается, если образующую внутренней поверхности стружкоделительных канавок выполнять не в виде окружности (рис. 3, сечение А-А), а в виде спирали Архимеда, превышающий на назначаемую конструктивно вершину зубьев на величину ДО. При таком решении не возникает опасности подрезания (интерференции) зубьев, а по техническим возможностям станков с ЧПУ несложно в библиотеку стандартных программ ввести дополнительную функцию.

Ориентируясь на приведённые ранее данные о композитных материалах, можно рекомендовать конструкцию с винтовым затылованием (см. рис. 1) для обработки термореактивных пластиков СБИР/СБИР (армированных углеродным волокном/армированных стекловолокном).

Все рассмотренные в настоящей статье инструменты, а также другие [5], специализированные для обработки других современных материалов, успешно изготавливаются на фирме ООО НПП «РИТ-Инжиниринг» и прошли промышленную апробацию на ряде предприятий авиастроения РФ.

Список литературы

1. ТУ 2-035-591-77 Фрезы концевые с винтовым расположением неперетачиваемых пластин.

2. Протасьев В.Б., Степанов Ю.С., Ушаков М.В. Прогрессивные конструкции затылованных инструментов / под ред. Ю. С. Степанова. Серия «Библиотека инструментальщика». М.: «Машиностроение». 2003. 224 с.

3. Протасьев В.Б., Истоцкий В.В. Проектирование фасонных инструментов, изготавливаемых с использованием шлифовально-заточных станков с ЧПУ. М.: ИНФРА-М. 2011. 128 с.

4. Омельченко Л.А., Протасьев В.Б. Учёт реологических свойств обрабатываемых материалов при использовании процессов резания // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 4. Тула: Изд-во ТулГУ, 2014. С. 122-127.

5. РИТ-Инжиниринг. Инструмент для обработки пластиков и композитных материалов: каталог. Тула: Типография «Борус». 2016. 40 с.

Истоцкий Владислав Владимирович, канд. техн. наук, директор, v ist@,mail.ru, Россия, Московкая область, Чехов, НПП «РИТ-Инжиниринг»

PRINCIPLES OF EFFECTIVE MACHINING OF COMPOSITE MATERIALS USING SOLID

CARBIDE TOOLS

V. V. Istockiy

It is shown that for efficient cutting of composite materials necessary to use discontinuous cutting edges, the compression of the material in the cutting zone, screw teeth high cutting speeds.

Key words: composite materials cutting, discontinuous cutting edges, tools.

Istotskiy Vladislav Vladimirovich, candidate of technical science, director, v ist@,mail.ru, Russia, Moscow region, Chehov, JSC «RIT-Engineering»