Повышение эффективности и качества обработки отверстий на основе стабилизации процесса сверления изделий из полимерных композиционных материалов

Развитие авиационной и космической техники связано с расширением применения композиционных материалов, которые обладают высокими физико-механическими, теплофизическими, диэлектрическими характеристиками.

Полимерные композиционные материалы (ПКМ) представляют собой сочетание высокопрочных волокон с матрицей. Матрица обеспечивает монолитность композита, фиксирует форму изделия и взаимное расположение армирующих волокон, распределяет действующие внешние напряжения по объему композита, обеспечивая равномерную нагрузку на волокна и ее перераспределение при разрушении части армирующих волокон. В качестве матрицы используются эпоксидные и полиамидные смолы. Волокна производят из графита, бора, стекла, карбида кремния, сапфира.

Современные методы армирования материалов волокнами впервые стали использоваться в промышленности в 1940;х годах для получения стеклопластиков на основе ненасыщенных полиэфирных смол.

Одни и те же ПКМ, содержащие армирующие волокна, одни исследователи, как например, А. А. Степанов, называет ВКПМ (высокопрочные композиционные полимерные материалы), другие исследователи, как например, О. Г. Цыплаков, называет волокнистыми полимерными композиционными материалами.

ПКМ получили широкое распространение в авиационной промышленности благодаря сочетанию механических, физических и химических свойств. Например, по основным показателям — плотности, модулю упругости, прочности при растяжении, ползучести, усталостной прочности, демпфирующей способности и коррозионной стойкости — ПКМ в диапазоне температур от -60 °С до +200 °С превосходят алюминиевые сплавы.

Среди ПКМ на органической основе высокой прочностью и модулем Юнга обладает армированная углеродными волокнами смола. Применение.

ПКМ на основе углеродных волокон — одно из эффективных средств снижения массы конструкций, обусловленное по сравнению с традиционными конструкционными материалами рядом неоспоримых преимуществ: высокие характеристики прочности и жесткостистойкость к вибрационным и акустическим воздействиямсвойство сдерживать развитие трещинкоррозионная стойкость изделийтехнологичность (возможности создания крупногабаритных конструкций сложной аэродинамической формы и др).

ПКМ обладают способностью поглощать и гасить акустические шумы. Во многом благодаря последнему свойству, из ПКМ (стеклои углепластиков марок КМУ 4э, КМУ 11э разработанных Всероссийским Институтом авиационных материалов), на Пермском заводе «Машиностроитель» изготавливают звукопоглощающие панели для авиадвигателей серии ПС-90А2.

Конструкции звукопоглощающих панелей содержат огромное количество отверстий. Отверстия в панелях имеют различное назначение (для поглощения шума, крепежных элементов и др.). Традиционное получение отверстий в звукопоглощающих панелях из ПКМ методом сверления — имеет недостатки: низкое качество обработанных отверстий (наличие сколов), низкая стойкость режущего инструмента, малая производительность процесса.

Процесс механической лезвийной обработки углепластиков в настоящее время мало изучен, по целому ряду причин. Углепластики, как новый класс материалов первоначально использовался в оборонной промышленности, этот материал не был доступен широкому кругу исследователей, возникающие вопросы обработки решали частным образом.

Исследования резания неметаллов начались в первой половине XIX века. Теория резания неметаллических материалов заимствовала методы исследования и законы резания из теории обработки металлов и переносила их в практику обработки пластмасс, текстолита и др.

Среди отечественных ученых проводивших исследования обработки пластмасс, т. е. особых классов материалов близким по свойствам к ПКМ, были А. И. Исаев, М. Ф. Семко, П. Р. Родин, Б. П. Штучный, В. И. Дрожжин,.

Н.И. Житник. Среди зарубежных ученых следует выделить работы А. Ко-баяши. Исследованию резания стеклопластиков посвящены работы: П. И. Булевского, А. В. Руднева, Р. А. Тихомирова, А. П. Никитина.

Научные вопросы прикладного значения по обработке отверстий в неметаллических слоистых материалах решали JI.C. Кравченко, Н.А. Кришто-па. Наиболее систематизирован материал о различных видах механической обработки ПКМ у А. А. Степанова.

Среди современных исследователей механической обработки углепластиков судостроительного назначения отметим работы В. М. Петрова, О. А. Иванова [47].

Расширение спектра использования углепластиков в различных отраслях народного хозяйства требуют разработки эффективных технологий их механической обработки. Основные трудности заключаются в отсутствии методики назначения режимов обработки, которая позволила бы определить параметры качества механически обработанной поверхности ПКМ. Недопустимо применять подходы к описанию процесса резания металлов к ПКМ, что связано с анизотропными свойствами ПКМ.

Анизотропные свойства ПКМ требуют многофакторного рассмотрения процесса резания с учётом, как многофазного строения ПКМ, так-И направления укладки армирующих волокон. Таким образом, анизотропия свойств ПКМ предопределяет особенности процессов, проходящих в зоне контакта, оказывает существенное влияние на качество обрабатываемой поверхности и стойкость инструмента. При решении этой прикладной задачи необходим комплексный подход. На сегодняшний день отсутствуют исследования по прогнозированию и технологическому обеспечению геометрических показателей качества обработанных отверстий методом сверления. Это не позволяет осознанно управлять процессами сверления, с целью обеспечения заданного качества обработки при наивысшей её производительности, а также изыскать пути повышения интенсификации процессов и расширения их технологических возможностей.

Дальнейшее развитие технологий сверления ПКМ, повышения качества и производительности обработки возможно лишь на базе теории, описывающей основные закономерности функциональных характеристик процессов сверления и их связи с формированием качества обработанных отверстий. Отмеченное выше явилось предпосылкой для постановки этой работы, основная цель которой — развитие теории процесса сверления ПКМ, разработка новых усовершенствованных способов сверления, технологическое обеспечение заданных параметров качества и производительности обработки.

В соответствии с указанными целями в работе было выполнено следующее:

— аналитически получены выражения для нахождения силовых параметров, являющихся основными функциональными параметрами* (осевая сила, суммарный крутящий момент) при сверлении ПКМ;

— разработаны способы стабилизации процесса сверления ПКМ (один способ на основе вибросверления ПКМ с разработанной методикой определения задаваемых параметров вибраций, второй способ на основе конструк-торско-технологических решений для реализации сверления с охлаждением воздушным потоком);

— разработаны практические рекомендации по технологическим параметрам сверления, позволяющих достигать удовлетворительное качество обработанных отверстий изделий из ПКМ.

Решению поставленных в работе задач посвящено 5 глав.

В первой главе показана актуальность производства звукопоглощающих панелей авиационных двигателей из ПКМ, проанализированы существующие и применяемые структуры ПКМ. На основании рассмотрения технологических особенностей обработки резанием изделий из ПКМ на промышленных предприятиях и по данным литературы, определены основные пути совершенствования их обработки:

— повышение качества обрабатываемых отверстий в ПКМ на базе выбора специальной геометрии инструмента;

— использование высокоэффективного способа получения отверстий (сверление с осцилляциями) на основе разработки особой кинематики резания с вибрациями с учетом строения ПКМ;

— сверления с предварительно охлажденным воздушным потоком.

Вторая глава посвящена теоретическому определению силовых параметров процесса сверления, с учётом строения ПКМ и особенностей геометрии специального инструмента. Решение теоретической задачи позволило, установить пульсирующий характер силовых параметров процесса (осевой силы, крутящего момента), что в последствии позволило реализовать динамическую стабилизацию процесса сверления за счет компенсирующих колебаний.

Третья глава посвящена конструкторско-технологической реализации стабилизации процесса сверления изделий из ПКМ. Разработана методика назначения параметров компенсирующих колебаний при сверлении ПКМ (определение частот и амплитуд вынужденных колебаний). Предложена конструкция оправки для производственной реализации процесса вибрационного сверления ПКМ.

В четвертой главе приводится методика* проведения экспериментальных исследований, для проверки влияния компенсирующих колебаний при сверлении изделий из ПКМ, а также проверки влияния охлаждения воздушным потоком при сверлении. Приводятся описания спроектированного вибрационного стенда, чертежи вихревой трубы и применяемой технологической оснастки.

Пятая глава посвящена результатам экспериментальных исследований. В ней рассмотрен комплекс вопросов, связанных:

— с получением эмпирических силовых характеристик на основе полного факторного эксперимента;

— с экспериментальными исследованиями эффективности процесса сверления ПКМ с вибрациями и сверления с предварительно охлажденным воздухом;

— с разработкой практических рекомендаций по назначению^{рациональных} параметров режима сверления ПКМ и требований к инструменту.

Научная новизна работы. Совокупность полученных в диссертации научных результатов обеспечивает решение' проблемы технологического обеспечения динамической стабильности сверления ПКМ на базе разработки теоретических основ и новых технических решений конструктивно-технологических средств их реализации.

К ним можно отнести:

• Математические модели силовых характеристик (осевая сила, крутящий момент) — присверлении отверстий в ПКМ с учётом геометрических параметров специального режущего инструмента настроения ПКМ. На’основе полученных аналитических выражений установлено, — что осевая сила и крутящий момент непостоянны в течение времени одного оборота сверла. Определены пути управления" процессом сверления ПКМс целью его стабилизации.

•- Два новых способа" сверления ПКМ, повышающих качество обработки отверстий: сверление с компенсирующими-колебаниями, и сверление с воздушным охлаждением. На разработанный способ^ сверления ПКМ' с компенсирующими колебаниями подана заявка на патент РФ.

• Эмпирические зависимости силовых характеристик при* традиционном сверлении углепластиков марки КМУ-11э, дополненные поправочным коэффициентом, учитывающим строение ПКМ.

• Эмпирические зависимости величины заусенцев вокруг отверстия, при сверлении ПКМ, от величины износа инструмента по задней поверхности.

Практическая ценность работы.

• Разработаны, и апробированы методики назначения параметров вибрационного сверления’ПКМ для получения высокого качества обработанных отверстий, повышения стойкости режущего инструмента;

• Разработано и апробировано технологическое оснащение двух новых способов сверления (вибросверления и сверления с охлаждением), повышающее стойкость режущего инструмента, улучшающее качество обработанной поверхности.

• Даны рекомендации по параметрам режима сверления ПКМ.

Результаты диссертационной работы докладывались в период с 2005 г. по 2008 г. на научно-технических конференциях: «Аэрокосмическая техника и высокие технологии» г. Пермь, (2005) — «XXVI Российская школа по проблемам науки и технологий» г. Миасс, (2006) — «Новые материалы и технологии в авиационной и ракетно-космической технике» г. Королёв, (2006) — «Материаловедение и технология конструкционных материалов.» г. Волжский, (2007) и др.

Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 14 печатных работах и патенте РФ.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы, приложения. Содержит 170 страниц текста, включая 25 таблиц, 81 рисунок, список литературы из 126 наименований.

ВЫВОДЫ.

1. Исследованы функциональные (силовые) характеристики процесса сверления ПКМ. Получены эмпирические выражения силовых параметров на основе полного факторного эксперимента. Результаты исследований подтвердили достоверность полученных аналитических расчетных выражений с относительной погрешностью по осевым силам — 17%, суммарному крутящему моменту — до 8%.

2. Результаты статистической обработки пассивного эксперимента показали, что при вариантах сверления с охлаждением и с вибрациями, зафиксированы большие показатели стойкости сверл, меньшие вариации значений стойкости, а также меньшие значения и меньшие вариации осевой силы, крутящего момента. Т. е. результаты экспериментов показали стабильность выходных характеристик процессов сверления с вибрациями и сверления с охлаждением.

3. Установлено повышение стойкости свёрл при сверлении с компенсирующими колебаниями на 35−45%, при сверлении с охлаждением воздушным потоком на 20−25%, по сравнению с традиционным сверлением. Разработанные конструкторско-технологические средства оснащения для реализации сверления с охлаждением воздушным потоком позволяют улучшить условия труда за счет совмещения роли охлаждающего канала и канала отвода фрагментов резания ПКМ в одном элементе — пылеструж-коприёмнике. Установлено повышение стойкости свёрл при комбинированном способе сверления с вибрациями и охлаждением — на 40−48%, по сравнению с традиционным сверлением.

4. Разработаны рекомендации сверления ПКМ, позволяющие назначать рациональные параметры режима сверления, обеспечивающие требования технических условий чертежей по заданной величине допускаемых отслоений, повышение стойкости инструмента. При малых значениях подач (0,02−0,04 мм/об) отсутствуют сколы. При больших значениях подач ухудшается качество — появляются сколы вокруг отверстия на выходе сверла. Для обеспечения наилучшего качества, значения благоприятных подач при сверлении отверстий 0 6,5 мм составляют 0,04−0,06 мм/об.

5. Увеличение скорости резания и подачи приводит к снижению стойкости, за счёт роста сил резания.

6. При затуплении сверл с подрезающими кромками, наполнитель ПКМ со стороны выхода свёрл расслаивается, выкрашивается связующее (матрица) ПКМ со стенок отверстия, т.к. осевая составляющая усилия резания начинает нарастать значительно интенсивнее, чем в случае обработки обычными сверлами. Однако до наступления износа по задней поверхности h3 =0,2 мм следует отметить удовлетворительную работу сверл с подрезающими режущими кромками.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

На основании проведенного комплекса исследований осуществлено теоретическое и практическое решение актуальной, имеющей важное народнохозяйственное значение, научно-технической проблемы обеспечения стабильного качества обработки отверстий при сверлении изделий из полимерных композиционных материалов на базе разработки теоретических основ и конструктивно-технологических средств их реализации. Основные выводы по работе сводятся к следующему:

1. На базе системного подхода при моделировании силовых характеристик (осевой силы, крутящего момента) процесса сверления отверстий в ПКМ с учётом геометрических параметров специального инструмента (сверла с ПРК), получены аналитические выражения для их описания, учитывающие строение ПКМ и технологические условия выполнения операций сверления. Полученные закономерности являются основой для управления главными выходными характеристиками качества обработанных отверстий — величины заусенца, стойкость инструмента, а также назначения рациональных. | технологических условий выполнения операций сверления. По полученным аналитическим выражениям выполнены расчеты для случая сверления отверстий диаметром 6,5 мм в элементах звукопоглощающих панелей авиационного двигателя ПС-90А2 из углепластика марки КМУ-11э.

2. Установлено, что превалирующее влияние на качество обработанных отверстий при сверлении ПКМ оказывают силовые характеристики процесса, определяемые строением ПКМ. Показано, что осевая сила, крутящий момент непостоянны в течение времени одного оборота сверла при сверлении анизотропных ПКМ, причем разброс силовых характеристик и дефектов обработанных отверстий минимизируется за счёт изменения кинематики движения режущих лезвий, при наложении компенсирующих колебаний.

3. Предложен способ сверления ПКМ, предусматривающий подавление колебаний силовых характеристик, возникающих при сверлении анизотропных ПКМ. Подавление осуществляется за счет наложения компенсирующих крутильных или осевых осцилляций, что позволяет повысить качество обработанных отверстий и снизить себестоимость обработки, за счет повышения стойкости инструмента.

4. Выполнено комплексное экспериментальное исследование функциональных (силовых) характеристик процесса сверления ПКМ. Результаты исследований подтвердили достоверность полученных аналитических расчетных выражений с наибольшей относительной погрешностью по осевым силам — 17%, крутящему моменту — 8%. Получены уточненные эмпирические выражения для расчёта осевой силы и суммарного крутящего момента при сверлении ПКМ.

5. Выполненные экспериментальные исследования выходных характеристик процесса сверления ПКМ (величина скола вокруг отверстия), позволили получить зависимости величин сколов вокруг отверстия от степени износа инструмента по задней поверхности.

6. Разработаны рекомендации по сверлению ПКМ, позволяющие назначать рациональные параметры режима сверления (при обработке отверстий 02 мм — п=6700 об/мин, S=0,05 мм/об- 06,5 мм — п=1000 об/мин, S=0,06 мм/об), обеспечивающие требуемое качество обработанных отверстий. Эти параметры режима сверления являются нормативными руководящими материалами для технологов при разработке операций сверления ПКМ.

7. Разработан научно-технический комплекс, объединяющий теоретические основы и конструктивно-технологические средства обеспечения стабильности качества обработки при сверлении, базирующиеся на прогнозировании и управлении динамикой процесса сверления.

8. Практическая реализация результатов исследований осуществлена внедрением технологических операций сверления с осциллирующими колебаниями, сверления с воздушным охлаждением на ОАО «ПЗ Машиностроитель» при изготовлении элементов звукопоглощающих панелей.