Механическая обработка КМ.

Используются два основных метода механической обработки: разделительная штамповка и обработка резанием.

Основные операции разделительной штамповки при изготовлении деталей из листовых материалов- вырубка, пробивка, отрезка, разрезка, обрезка и зачистка. Операции разделительной штамповки выполняют с подогревом и без подогрева заготовки.

Многообразие получаемых КМвызываент множество задач и столько же технологических решений, связанных с проблемами их обработки резанием.

Изготовление изделий из листовых, цилиндрических и других заготовок изкомпозиционных материалов производится методами механической обработки(точение, фрезерование, строгание, сверление, шлифование). Качество поверхности изделий, используемых в авиационной, ракетно-космической технике, играет исключительно важную роль в обеспечении высоких эксплуатационных показателей.

Для волокнистых ПКМ качество повехностного слоя может быть оценено: шероховатостью поверхности,ворсянистостью (количество не срезанных волокон на базовой плоскости в %),, степень деструкции (число свободных радикалов на поверхности), глубина дефектного слоя.

В зависимости отвида материала и содержащегося в нем армирующего компонента применяютсяразличные виды инструмента [223]:

- при обработке древесных и полимерных композиционных материалов, содержащих наполнители с невысокой твердостью, используются обычные видыинструмента с углами заточки, зависящими от вида и механических свойствматериалов;

- при обработке стеклопластиков используются инструменты на керамической основе или абразивные инструменты;

- при обработке композиционных материалов, содержащих арамидные волокна, используются инструменты на алмазной основе или оснащенные твердымсплавом, а также лазерные методы обработки.

 

Примеры изделий, полученных механической обработкой заготовок

из композиционных неметаллических материалов на древесной основе и полимерные композиты

 

При обработке резанием происходит нарушение связи между частицами материала по строго заданному направлению, когда обрабатываемый материал разделяется на части с образованием стружки или без нее.

Исходные характеристики процесса резания обусловлены рядом факторов,которые группируются следующим образом:

1. Факторы, относящиеся к заготовке: вид материала, его физико-механические свойства, наличие в материале связующего и др.

2. Факторы, относящиеся к резцу: угловые параметры, физико-механические свойства материала резца, геометрия резца, степень шероховатостиграней, острота резца и др..

3. Режимы и размеры обработки: толщина и ширина слоя, скорости подачии резания, толщина снимаемого припуска,направление резания по отношению кнаправлению волокон и др.

Особенности процесса резания композиционных материалов следующие:

1. Относительная сложность получения высокого качества поверхностивследствие невысоких прочностных характеристик композиционных материалов,а также из-за слоистой структуры.Анизотропия механических свойств.Обработка вдоль волокон отличается от поперечной. При движении режущего инструмента вдоль волокон образуются.задиры, что ухудхают качество поверхности.Волокнистая структура ПКМ. АН в процессе механической обработки.разлохмачивание, происходитвыкрашивание ПС, образуется ворс. Это увеличивает шероховатость и требует зачистки. Поэтому используют инструмент остро заточенный.

2. Высокая твердость некоторых видов наполнителя.Высокая твердость АН, особенно угле-и боропластиков, требует использования сверхтверд. материалов для инструмента.Высокая твердость приводит к абразивному износу режущего инструмента.

3. Низкая теплопроводность композиционных материалов, что обуславливает слабый отвод тепла вместе со стружкой и в обрабатываемое изделие.Низкая теплопроводность ПКМ.В100раз меньше, чем у МЕ, из-за чего реж. инстр. перегревается. Основная доля теплоты уходит в инструмент (90%,а у МЕ столько в стружку). Следует уменьшать подачу и скорость резания.Низкие температуры начала протекания термодеструкции композиционных материалов (250...350 °С) в сочетании с крайне низкой их теплопроводностью (в 100…600 раз меньше, чем у конструкционных сталей) вызывают необходимость, несмотря на относительно небольшие удельные давления на инструмент, назначать на операциях механической обработки малые скорости резания [1, 6]. Это во многих случаях существенно ограничивает производительность обработки.

Так тончайшая полимерная прослойка при обработке древесно-фенольной композиции, пятнисто покрывающая инструмент, является энергетическим ПАВ. Мигрируя по поверхности алмазосодержащего слоя и его дефектам, деструктированный полимерпонижает его поверхностную энергию и облегчает механический отрыв микрочастиц инструментального материала. Этим объясняется интенсивный износ инструмента из свехтвердых материалов при резании полимеров. В поверхностном слое ПКМ после алмазно-абразивной обработки возникают трещины и поры. Подача оказывает наибольшее влияние на формирование тепловыделения по сравнению со скоростью резания. При больших подачах при алмазном шлифовании, разрезании и сверлении алмазным инструментом под действием больших удельных сил и высокой температуре образуются прижоги и выгорают органические компоненты композита. Структура поверхностного слоя состоит после алмазно-абразивной обработки состоит из четырех субмикрослоев: наружного структурированного полимера (до 5 мкм, 3-5% общей толщины),механически уплотненный слой деструктированный полимер (до 7 мкм, 5-10%), разрыхленный слой механодиспергированногонаполнителя и деструктированного полимера (10-150 мкм, 50-60%), переходной в исходную структуру ПКМ (15-50 мкм, 30-40%).

 

Термо-пары	Удаление горячего спая ПРТП, мм	Обрабатываемый материал
		Углепластик	Органо стеклопластик
		Температура Θ, К
1	0*	510	570
2	0,05	420	480
3	0,10	360	380
4	0,15	310	320
5	0,20	290	300

В основу разработок однослойного алмазно-абразивных инструментов положен в ИСМ им. В.Н. Бакуля НАН Украины положен принцип минимизации температурных полей в инструменте и обрабатываемой заготовке за счет прерывистой рабочей поверхности инструмента (однослойного на никелево-гальванической связке, полученного из зерна АС-15 и АС-32 зернистостью от 200/160 до 630/500), углов наклона рабочих элементов к геометрической оси инструмента, размеров рабочих элементов.Для разрезания рекомендуют использовать отрезной алмазный круг диаметром 75,100,125мм на оправке с прижимной пластиной с высокой скоростью резания 40-50м/с.

Исследования показали, что в области высоких скоростей резания (25…100 м/с) при температурах, значительно (до 2…4,5 раз) превышающих критические температуры термодеструкции композиционных материалов, существует широкий диапазон условий обработки, при котором обеспечивается высокое качество поверхностного слоя. Это объясняется малым при высокоскоростной обработке, недостаточным для протекания термоокислительных процессов, временем действия контактной температуры на заготовку. Результаты исследований позволяют рекомендовать метод высокоскоростной обработки как эффективное средство, повышающее интенсивность процесса обработки резанием композиционных материалов в 50- 100 раз. Применение метода может ограничиваться техническими возможностями оборудования, большими габаритами (инерционными силами) или недостаточной жесткостью заготовки.

 

 

4. Абразивное воздействие наполнителя. Наличие в зоне резания твердыхсоставляющих приводит к абразивному износу инструмента.

5. Деструкция полимерного связующего при резании. В результате этоговозникает механохимический адсорбционный износ инструмента.Деструкция ПСв зоне резания под действ высоких температур и давлений происходит.массовое разрушение химических связей в полимерной матрице, при этом образуются свободные монорадикалы, обладающие высокой химической активностью.Они вступают во взаимоотн. м/у материалом и инструментом и возникает дополнит. абсорбционный износ.

6. Высокие упругие свойства материалов. Увеличение площади контактаупругого композиционного материала с задней поверхностью инструмента, чтоприводит к повышению значений нагрузки со стороны задней поверхности.Высокие упругие свойства.Деформируясь в зоне резания ПКМ взаимодействует не только с режущей кромкой, но и с теми частями инструмента, которые не предполагаютсядля участия в резании. И после прохождения инструмента ПКМ увеличивает свои размеры. Поэтому усилие резания уменьшаются в10-20раз.

7. Технологический критерий износа. При обработке композиционных материалов образуются характерные дефекты поверхности (сколы, расслоения,прижоги), в связи с этим, при определении допустимого износа преобладает технологический фактор. Поэтому допустимый износ инструмента при обработкекомпозиционных материалов всегда ниже, чем при обработке металлов.

8. Низкая теплостойкость композиционных материалов. При высоких температурах в зоне резания происходит выгорание связующего(при темп.=200-300С происходит термическое разрушение ПС), на обработаннойповерхности появляются прижоги. Поэтому требуется более низкий уровень температур в зоне резания. Это усугубляется еще и тем, что в большинстве случаевне допускается применение СОТС, т.к. многие материалы обладают таким свойством, как влагопоглощение.

9.Специфика стружкообразования. Она в виде мелкодисперсной пыли,затруднено ее удаление из зоны резания.

10. При обработкепористых материалов необходимо применять острозаточенный режущий инструмент, большие скорости и малые подачи. Не рекомендуется применять обычные СОТС, которые впитываясь в поры вызывают коррозиюю В целях предотвращения закрытия пор необходимо использовать хорошо заправленный инструмент. Допустимый износ инструмента по задней поверхности должен быть уменьшен в 1,5..2 раза по сравнению с требованиями при обработке конструкционной стали. Применение абразивного инструмента не допускается.

11. При обработке волокнистых ПКМ необходимо применять радиус округления режущей кромки не должен превышать поперечного размера армирующего волокна, допустимый износ по задней поверхности 0,1-0,2 мм. При фрезеровании за счет выбора конструктивных параметров необходимо обеспечивать непрерывный контакт инструмента с ОМ.

Свойства	Размерность	Алмаз	Карбид кремния SiC	Электрокорунд Al 2O 3
Плотность *)	кг/м3	(3,48-3,56)· 103	(3,12-3,20) · 103	(2,00-2,10) · 103
Микротвердость	ГПа	100	30-33	20-24
Модуль упругости	ГПа	900	365	-
Предел прочности на сжатие	ГПа	2,00	1,50	0,76
Коэффициент теплопроводности	Дж/(м·с·К)	147	15,54	19,74
Удельная теплоемкость	Дж/(кг·К)	504	588	756
Коэффициент линейного расширения	1 град·10-6	0,90-1,45	6,50	7,50
Предел прочности при изгибе	МПа	210-490	50-150	80-90
Абразивная способность		1,00	0,25-0,45	0,12-0,25
Теплостойкость	К	970-1170	1470-1570	1770-1970
*)Зависит от марки и величины кристалла

ИНСТРУМЕНТ для обработки отверстий:Сверлаимеют специальные углы заточки.Из-за высокой тверд. АН основной.материал-ВК3 Сверло характеризуется остротой режущей кромки, ее высота выше,чем у МЕ(=0,1-0,15мм).Канавки полируют для улучшения схода стружки.также используют синтетические алмазыАС-6 применение ультрозвука увеличивает стойкость сверла. Повышение эффективности операций сверления отверстий в различных композиционных материалах может быть достигнуто за счет применения специализированных сверл, индивидуально разработанных для каждой группы материалов. Каждая из геометрий этих серий сверл учитывает специфические требования и особенности обработки каждого материала и оптимизирована за счет использования различных значений передних углов и углов при вершине.

Нарезать резьбу рекомендуется твердосплавным инструментомю Задний угол следует увеличить примерно в 2 раза по сравнению с обработкой конструкционной стали.

Инструменты со вставками из поликристаллического алмаза (PCD) или твердосплавные сверла с алмазным напылением специально разработаны для увеличения жизненного цикла инструмента, поскольку алмаз обладает отличной стойкостью при обработке различных типов углеродных волокон и пакетной обработки разнообразных материалов, включая титан. Для достижения высокой производительности при обработке кромок деталей из композиционных материалов целесообразно применять фрезы с пластинами из поликристаллического алмаза PCD или твердого сплава с алмазным напылением.

Применение новых сверл и фрез позволяет повысить качество механической обработки этих труднообрабатываемых материалов. Твердосплавные сверла с алмазным напылением, а также со вставками из поликристаллического алмаза идеально подходят для получения высококачественных отверстий в композитах. Все геометрии этих новых серий сверл разработаны с учетом специфических требований и особенностей обработки каждого конкретного материала. Эффективность фрезерования и обработки кромки деталей из композиционных материалов можно значительно повысить за счет применения фрез с PCD-пластинами.

 

Перспективные технологией.-исп. лазерного или гидравлического. инструмента. Перспективное оборуд.:

1.Гидрорезак.Струя жидкости под Р=2000атмВ ходе механических испытаний, где сравнивалось использование гидроабразивной резки, борфрезы и алмазного инструмента для грубого шлифования, было доказано, что ]:

· Детали, прошедшие гидроабразивную обработку, показали лучшие результаты в испытаниях на сжатие.

· Детали, обработанные шлифовальным инструментом, обладали самой высокой межслоевой прочностью.

· Обработка борфрезой придала заготовкам лучшую усталостную стойкость.

В 2014 году сохранилась тенденция к увеличению числа публикаций о гидроабразивной и лазерной резке углепластика. Относительно новой разработкой можно назвать использование жидкой двуокиси углерода под высоким давлением (3000 бар) для резания деталей из углепластика. По своим преимуществам этот способ близок к обычной гидроабразивной резке, но не требует последующей чистки и сушки заготовки.

2.Лазерный резак. .Мощность установки 2кВт.

 

ЗАЧИСТКУ произв. Наждачной шкуркой, алмазнымкругом и керамическим. ОБОРУДОВАНИЕ: учитывая большие размеры и сложную форму исп. пневматические машины с применение сжатого воздуха Р=5-6атм. и 4000-10000 об/мин.

Используют станки сверлильные, фрезерные, кординатно-расточные.

Резкусотоблоков производят полотном ленточной пилы без развода зубьев.

Оснастка: ЗакреплениеМЕ сот с использованиемполиэтиленгликоля, стемпературой плавления=52-54С,которую заливают в соты и застывает при комнатнойтемпературе;потом его расплавляют,промывают соты и сушат.НЕМЕ соты:к торцам приклеиваютпрорезиненная ткань,на столе станка создаютвакуум и ткань прижимают к столу.