Perm, Perm, Russian Federation
Perm, Perm, Russian Federation
Perm', Perm, Russian Federation
UDK 621.923.9 Прочие способы (процессы) шлифования и полирования
An urgent problem for improving the efficiency and machining operation quality for new polymer composite materials (PCM) based on carbon fiber in the operation of rocket and space equipment and aircraft engineering parts is solved in the article. One of the breakthroughs of the Russian domestic engineering is the introduction of wing elements of the new MS-21 civil airliner, the production of noise suppression bodies, compressor blades and other parts of gas turbine engines made of carbon fiber, requiring high-quality and productive machining. Machining operation of these products involves difficulties caused by the requirements of the design documentation to ensure the necessary degree of roughness, soundness of the machined surface and high strength of the finish-machined component. This article presents the results of a study of the application of high-performance technology of sequential blade-abrasive processing of carbon fiber-based PCM products. This article presents the results of a study of the application of high-performance technology of sequential blade-abrasive operation of carbon fiber-based PCM products. The rational geometry of the blade cutting tool for primary machining of the PCM is determined. An adequate empirical mathematical model of cutting modes influence on the surface layer roughness in the milling operation has been developed, as well as rational processing modes have been determined. The results of experimental studies of the abrasion of PCM with rigid grinding wheels made of white electrocorundum, green silicon carbide and elborum are presented. The dependences of the surface layer roughness on the grinding modes are given. According to the research results and the developed mathematical model, the rational characteristics of grinding wheels and processing modes are determined. For the first time, the issues of the influence of machining defects on the strength of PCM are viewed. Comparative tensile and tear strength tests of samples made by traditional edge cutting machining and sequential edge-cutting-abrasive operation are presented. The increase in tensile and tear strength of PCM parts manufactured according to the technology of sequential edge-cutting-abrasive operation by 20.30% compared to traditional edge-cutting operation has been proved.
sequential edge-cutting-abrasive operation, polymer composite materials, abrasion of PCM, grinding, milling of PCM, ma-chining
Введение
Настоящие темпы развития машиностроительной отрасли на территории Российской Федерации влекут за собой необходимость быстрой разработки и внедрения инновационных технологий в производственные процессы предприятий. Однако, несмотря на высокий уровень квалификации инженерно-технического состава, наиболее актуальным является вопрос освоения технологий механической обработки новых конструкционных материалов. Наибольшее развитие в данном направлении получают композиционные материалы на полимерной основе [1, 2]. Полимерные композиционные материалы представляют собой двухсоставной элемент, заключающий в себе полимерную матрицу и армирующие волокна, соединенные между собой на основе адгезионного сцепления при высокотемпературном прессовании. Комбинация вышеуказанных материалов позволяет обеспечить совокупность низкой массы и высокой прочности изделия, что влияет на повышение энергосиловых характеристик машин, путем замещения традиционных материалов и сплавов композитами [3].
Наиболее передовыми направлениями в машиностроительной отрасли, где композиты на полимерной матрице получили широкое применение, является авиастроение в конструкции нового магистрального лайнера МС-21, новых авиадвигателей ПД8, ПД-14 и ПД-35 , автомобилестроение в виде разработок кузовов, бамперов и других деталей из углепластика, в конструкциях изделий военно-промышленного комплекса, обечаек и корпусов ракетно-космической техники.
В свою очередь, ввиду особых анизотропных свойств полимерных композитных материалов (ПКМ) при механической обработке этих материалов возникает много проблем с обеспечением качества поверхностного слоя и образования дефектов. Оказалось, что прочности адгезионных связей между углеволокном и полимерной матрицей недостаточно при механической обработке. Происходит разрушение поверхностного слоя с образованием дефектов. К основным типам дефектов относятся деламинация крайних слоев, ворсистость обработанной поверхности, термодеструкция и образование микротрещин в матрице композита [4 – 6].
При исследовании причин возникновения и разработки методики устранения вышеуказанных дефектов определены основополагающие факторы, которые оказывают непосредственное влияние на качество обработанной поверхности. К ним относятся: геометрия режущего инструмента, твердость режущего инструмента и режимы механической обработки [6].
По результатам литературного обзора установлено, что обеспечение показателей качества поверхностного слоя, достигается путем применения высокоскоростного фрезерования, применения методики термомеханического воздействия, разработки специальной геометрии режущего инструмента и применения сверхтвердых режущих материалов. Каждая из представленных технологий не исключает образование дефектного слоя и сопровождается трещинами в матрице, деламинацией и другими отклонениями от требований конструкторской документации.
Одним из эффективных методов механической обработки ПКМ является абразивная обработка гибким инструментом. Однако применение гибких лепестковых шлифовальных кругов является безразмерной обработкой и не может применяться в серийных технологических процессах ввиду отсутствия контроля над снимаемым припуском и, как следствие, над производительностью процесса.
На основании проведенного анализа механической обработки ПКМ различными лезвийными инструментами предполагается, что обработка жестким абразивным инструментом, позволит обеспечить наилучшую шероховатость обработанной поверхности Ra = 0,4…0,8 мкм и точность IT6, IT7 , однако, этот метод механической обработки является малоисследованным [7 ‒ 9]. При предварительном сопоставлении показателей качества, полученных при обработке лезвийным и абразивным инструментом, последний занимает преимущественную позицию.
Повышение качества поверхностного слоя при абразивной обработке обеспечивается за счет применения высоких скоростей резания 35…50 м/с, что превосходит лезвийную обработку в 10 ‒ 15 раз, а так высокое режущее воздействие на перерезаемые тонкие волокна углепластика острой и твердой режущей кромки абразивных зерен. В результате, абразивное зерно перерезает с высокой скоростью весьма твердое углеволокно ПКМ не деформируя, не вытягивая и не ломая его, что, как доказано, происходит при лезвийной обработке [8].
В тоже время, стоит отметить, что применение абразивной обработки не позволяет снимать большие припуски с заготовки, требуется проведение большого числа проходов, что влияет на снижение производительности механической обработки. Отсюда следует, что обеспечение высокой производительности технологического процесса механической обработки может быть достигнуто путем применения последовательной лезвийно-абразивной обработки. Эффективность данной технологии возникает в результате снятия большого припуска на черновом этапе обработки и последующей финишной обработкой жестким шлифовальным кругом с целью устранения дефектов и повышения качества поверхностного слоя и прочности деталей из ПКМ. Эти предположения необходимо проверить экспериментально.
Методика проведения экспериментального исследования
В основу экспериментальных исследований заложен сравнительный анализ качества поверхностного слоя по параметру шероховатости Ra, полученного в результате механической обработки тремя видами специального лезвийного режущего инструмента для обработки композитов и различных видов абразивного инструмента. В работе использовался метод применения полного факторного эксперимента вида 23. Определялась рациональная геометрия и режимы лезвийной обработки. Также проводился сравнительный анализ качества поверхностного слоя по шероховатости при обработке жесткими шлифовальными кругами, где определялись рациональные характеристики шлифовальных кругов и режимов резания. Эксперименты проводились по плану 23 в виде восьми опытов с получением линейной математической модели зависимости шероховатости от переменных режимов резания (табл. 1).
В качестве переменных факторов приняты такие режимы лезвийной обработки фрезерованием как глубина резания t, мм; частота вращения шпинделя n об/мин (диаметр фрезы 10 мм); минутная подача S, мм/мин. Уровни варьирования факторов представлены в табл. 2. В качестве переменных факторов, влияющих на качестве поверхностного слоя при абразивной обработке, определены: глубина шлифования на проход t, мм; скорость подачи стола S, м/мин; зернистость F шлифовального круга. Уровни варьирования представлены в табл. 2.
В качестве обрабатываемого материала принимался углепластик ВКУ-39 с укладкой слоев 0/45/90/-45. Станочное оборудование и средства технического оснащения представлены (СТО) в табл. 3. Станочное оборудование модернизировано дополнительно системой вытяжки отработанных продуктов в виде пыли при резании ПКМ с целью обеспечения дополнительной защиты здоровья оператора (рис. 1).
Выбор параметров исследования обосновывается физико-механическими свойствами связующего материала композита, который представляет собой эпоксидную смолу. Последняя, относится к классу термореактивных полимеров, поэтому необходимо вести контроль температуры с целью снижения вероятности достижения температуры разложения смолы. Параметр шероховатости Ra определен с учетом комплексности предоставляемой информации о качестве обработанной поверхности, в том числе и наличии дефектного слоя.
Общий вид проведения экспериментальных исследований при шлифовании на плоскошлифолвальном станке типа 3Г71 представлены на рис 1.
Выбор параметров исследования обосновывается физико-механическими свойствами связующего материала композита, который представляет собой эпоксидную смолу. Последняя, относится к классу термореактивных полимеров, поэтому необходимо вести контроль температуры с целью снижения вероятности достижения температуры разложения смолы. Параметр шероховатости Ra определен с учетом комплексности предоставляемой информации о качестве обработанной поверхности, в том числе и наличии дефектного слоя.
Общий вид проведения экспериментальных исследований при шлифовании на плоскошлифолвальном станке типа 3Г71 представлены на рис 1.
Анализ результатов исследований
В результате проведенных сравнительных экспериментальных исследований фрезерования различными концевыми фрезами установлено, что наилучшие показатели шероховатость поверхностного слоя обеспечивает применение твердосплавной концевой прямозубой фрезы. Данный инструмент позволяет снизить шероховатость поверхностного слоя с Ra = 1,303 мкм до Ra = 0,537 мкм при прочих равных режимах обработки, что и стандартной концевой фрезой, и специальной фрезой роутером. Результаты экспериментальных исследований представлены в табл. 4. При визуальном анализе поверхностного слоя под микроскопом обнаружено наличие дефектов, т. е. обработка фрезерованием лучшим инструментом сопровождается образованием трещин между препрегами заготовки (рис. 2).
Кроме того, проявились дефекты, характерные для фрезерования в виде образования деламинации и ворсистости крайних слоев заготовки (рис. 3).
Причинами образования этих дефектов является упругая деформация твердых армирующих волокон, хрупкое разрушение матрицы под действием силы давления передней поверхности режущих лезвий фрезы, что приводит к разрушению адгезионных связей матрицы и волокон, изгибу и вырыву волокон из матрицы, обрыву, поломки части волокон и частичному их разрушению. Наибольшую величину ворсистости можно наблюдать у выходной кромки, что говорит о накопительном характере упругой деформации волокон эффекте и предразрушении связующего композита в виде трещин (рис. 4).
Стабильно течение процесса обработки, влечет за собой низкое образование дефектов на обработанной поверхности, располагающихся в теле заготовки, но не исключая их наличие на боковых кромках. Так же следует отметить, что основной причиной снижения параметра шероховатости обработанной поверхности является износ инструмента и образование трещин, что представлено на рис. 5.
Образование микронеровности в поперечном сечении заготовки вызвано трещинами в матрице полимерного композиционного материала, что приводит к деламинации и образованию волнистости поверхностного слоя (рис. 6).
Как можно отметить, в поперечном сечении заготовки по причине трещинообразования возникает возвышение и волнистость поверхности, достигающей в размере от 0,05 мм, до 0,15 мм. В дополнение к образованию микронеровностей обработанная поверхность содержит в себе элементы вырывания образованные вдоль линии микротрещины, что при измерениях параметра шероховатости представляет собой максимум впадины. На основании проведенного экспериментального исследования можно утверждать, что применение лезвийного инструмента при фрезеровании полимерных композиционных материалов из углепластика ВКУ-39 может сопровождаться использованием специальной твердосплавной концевой фрезой роутером при глубине резания t = 1,0 мм, частоте вращения шпинделя n = 2240 об/мин и подаче S = 65 мм/мин, что позволит обеспечить наилучшие показатели шероховатости обработанной поверхности.
В свою очередь, устранение дефектов поверхностного слоя в результате абразивной обработки исследовано с применением абразивных шлифовальных кругов из электрокорунда белого, карбида кремния зеленого и эльбора. Наихудшие результаты шероховатости обработанной поверхности в ходе экспериментальных исследований продемонстрировал шлифовальный круг из эльбора. Данное явление может быть объяснено следующим механизмов протекания процесса резания: ввиду высокой твердости абразивного зерна исключается его износ и вырывание из связующего круга, что приводит к забиванию пор между абразивными частицами. Отсутствие явления самозатачивания влечет за собой рост упругих деформаций, т. к. снижается режущая способность периферии абразивного круга.
Упругие деформации, в свою очередь, вызывают рост сил резания и напряжений внутри заготовки, т. о. стимулируется повышение температуры и образование трещин, деламинации и термодеструкции на поверхностном слое заготовки. Аналогичную динамику течения процесса резания показывает применение в качестве материала абразивных частиц карбида кремния зеленого. На основании возникновения дефектов данного рода, вышеуказанные шлифовальные круги не рекомендуются к применению при абразивной обработке ПКМ.
Наиболее лучшие показатели шероховатости обработанной поверхности были достигнуты путем применения высокопористых шлифовальных кругов из электрокорунда белого 25AF46 G14 V35 2250. Результаты экспериментальных исследований представлены в табл. 5.
Стабильность процесса плоского шлифования и сохранения режущей способности обеспечивается при глубине резания до 0,15 мм, что подтверждается оценкой износа абразивного круга. Рис. 7 демонстрирует локальное изнашивание периферии полимерной матрицей и перерезанными армирующими волокнами композита. Сохранение пористости режущего инструмента, обеспечивает действие свойства его самозатачивания. Так же стоит отметить, что вышеуказанные значения глубины обработки, сопровождаются допустимой температурой верхних слоев заготовки.
Как можно отметить, повышение качества поверхностного слоя при визуальном осмотре достигнуто при повышении количества проходов. Первый проход при глубине резания 0,05 мм и скорости подачи стола 5 м/мин позволяет устранить ворсистость крайних слоев заготовки, полученную ранее. Однако ввиду глубины и протяженности трещин в матрице композита, повышение качества обработанной поверхности требует увеличение количества проходов до полного исключения дефектов. Путем многопроходного движения инструмента достигается точность поверхности IT6-7 (рис. 8)
Обеспечение хорошего качества поверхностного слоя является следствием высокой пористости и рациональной зернистости шлифовальных кругов. Высокая пористость кругов в совокупности с зернистостью позволяют сохранять режущую способность периферии круга и тем самым обеспечивать способность самозатачиваться в процессе резания (рис. 9).
По результатам экспериментальных исследований, представленным в табл. 4 – 5, а также матрице планирования полного факторного эксперимента разработаны линейные математические модели зависимости шероховатости поверхностного слоя от режимов лезвийной обработки фрезерованием и абразивной обработки плоским шлифованием (табл. 6).
Данные математические модели прошли проверку и получили положительную оценку однородности выборочной дисперсии по критерию Кохрена Gр, значимости выборочных коэффициентов уравнения регрессии по критерию Стьюдента tр и адекватности математической модели по критерию Фишера Fp.
Очень важным этапом экспериментального исследования является сравнительная оценка прочности изделий из ПКМ, обработанных традиционным лезвийным инструментом и изготовленных методом последовательной лезвийно-абразивной обработки с целью установления зависимости влияния дефектов поверхностного слоя при механической обработке на снижения прочности изделий из ПКМ. Испытания проводились на
универсальной разрывной электромеханической машине Instron 5965 путем последовательного нагружения образца на растяжение до 70 Кн и записи линейного удлинения. В качестве заготовок приняты четыре образца, обработанных по новой технологии последовательной лезвийно-абразивной обработки (№ 1 – 4), а также четыре образца, обработанных лучшим среди исследованных лезвийным инструментом (№ 5 – 8) на рациональных режимах резания согласно математической модели. Автоматически проводилась запись нагрузки и величины растяжения образца при его разрыве. Результаты экспериментальных исследований сведены в табл. 7. и представлены на графиках записи испытаний на рис. 10
В результате анализа полученных данных установлено, что применения последовательной комбинированной лезвийно-абразивной обработки приводит к повышению прочности ПКМ на разрыв и разрушение в среднем на 25 % по сравнению с лезвийной обработкой фрезерованием за счет снижение величины дефектов в поверхностном слоя в виде трещин, разрывов и деламинации крайних слоев обработанной заготовки. На основании этих результатов можно утверждать, что и сопротивление усталости при знакопеременных нагрузках изделий из ПКМ также существенно повысится, что является весьма важным фактором для повышения надежности и долговечности работы изделий авиационной и ракетно-космической техники.
Выводы
- На основании проведенных исследований впервые установлено, что применение новой технологии последовательной лезвийно-абразивной обработки изделий из ПКМ приводит к существенному снижению величины дефектов в поверхностном слоя в виде трещин, разрывов и деламинации крайних слоев обработанной заготовки, что обеспечивает гарантированное повышение прочности на разрыв и разрушение изделий на 20…25 % по сравнению применяемой на практике обычной лезвийной обработкой фрезерованием.
- Новая технология последовательной лезвийно-абразивной обработки изделий из ПКМ может быть реализована при соблюдении следующих требований:
– в качестве предварительного лезвийного режущего инструмента необходимо применение твердосплавной прямозубой фрезы с целью снижения величины деламинации крайних слоев заготовки;
– режимы предварительной лезвийной обработки должны быть определены с учетом требований конструкторской документации и производительности производственного процесса. Рекомендуются следующие режимы резания при фрезеровании: скорость резания 65…70 м/мин, подача S = 65 мм/мин и глубина резания 1,0 мм;
– для окончательной операции финишной обработки и устранения ранее образованных дефектов поверхностного слоя в ПКМ рекомендуется применение высокопористых шлифовальных кругов с зернистости не выше F60. Рекомендуется следующая характеристика шлифовального круга 25А F46 G14 V35 2250;
– в зависимости от требований по величине и площади дефектов обработанной поверхности рекомендуется варьирование количества проходов при финишной обработке при соблюдении режимов резания: скорость подачи стола 5 м/мин и глубина шлифования t = 0,05 мм;
– контроль шероховатости поверхности проводить в совокупности с визуальным осмотром при помощи цифрового микроскопа с целью определения величины и площади дефектов на обработанной поверхности.
1. Makarov V.F. Investigation of the problems of machining operation of modern high-strength composite materials used for the aircraft engineering and rocket and space equipment production of parts // Bulletin of PNRPU, 2015, vol. 17, No. 2, pp. 30-41.
2. Yaroslavtsev V.M. Highly efficient technologies for machining of products made of composite materials: textbook. Moscow: Moscow: Publ. house of MSTU named after N.E. Bauman, 2012.
3. Yaroslavtsev V.M. Machining of polymer composite materials: textbook. Moscow: Publ. house of MSTU named after N.E. Bauman, 2012. 180 p.
4. Machining of composite materials in the assembly of aircrafts. Sumy: Publishing house ITD "University Book", 2013, 97 p
5. Kozulko N.V. Abrasive processing mechanization of parts from polymeric composite materials for paste operation. Vestnik of Don State Technical University. 2018;18(2):179-189.
6. . Dudarev A.S. Diamond tool designs for drilling and milling polymer composite materials. STIN, 2013, No. 6, pp. 9-15.
7. Makarov V.F., Volkovsky A.A., Sabirzyanov A.I. ncrease of productivity and composite abrasion quality based on choice and abrasive tool rational use // Science-intensive technologies in mechanical engineering,2020, No. 9, pp. 40-48.
8. Volkovsky A.A., Makarov V.F. Comparative quality analysis for treated surface in flat grinding of polymer composite materials. // Bulletin of PNRPU. Mechanical engineering. Materials science. - 2023, vol. 25, No. 1. pp. 73-82.
9. Volkovsky A.A.., Makarov V.F. Comparative quality analysis for treated surface in abrupt and traditional grinding of polymer composite materials based on carbon fiber. / Science intensive technologies in mechanical engineering, 2023, no. 2 (140), pp. 15-25.
10. Volkovskiy A.A., Makarov V.F. The study of grinding polymer composite material // Proceedings of the 7th International Conference on Industrial Engineering (ICIE 2021). ICIE: International Conference on Industrial Engineering. Chelyabinsk, 2022, pp. 548-555.
