Повышение качества нарезаемой метчиками резьбы в заготовках из волоконно-армированных композитных материалов

Во введении отражена область исследований, определена актуаль-
ность темы диссертационной работы, отражены методологические вопросы
и намечены способы решения стоящих перед исследователем задач.
В первой главе проведен комплексный анализ способов повышения
качества резьб в деталях из ВКМ и выбор направленности конструкторско-
технологических решений для условий обработки метчиками.
Обзор публикаций по теме диссертации, который отражен выше в раз-
деле автореферата «Степень разработанности темы, анализ научных работ
по теме диссертации», позволил выделить одну из ключевых проблем при
нарезании резьб в заготовках из ВКМ – глубокое распространение дефектов
под обработанной поверхностью, вызванное спецификой структуры компо-
зитных материалов (КМ). В данном случае качество поверхности детали
связано с отслаиваниями, распространяющимися вглубь заготовки. Суще-
ствующие конструкции метчиков имеют геометрические параметры рацио-
нальные для обработки металлов; для обработки ВКМ рациональность та-
ких параметров недостаточно изучена. Необходимо выявить рациональные
для условий обработки ВКМ геометрические параметры и реализовать их в
метчиках.
Выполненный анализ публикаций по лезвийной обработке ВКМ в це-
лом позволил выделить следующие четыре основных направления повыше-
ния ее качества.
1) Оптимизация режимов резания. Установлено, что данное направле-
ние применительно к резьбообработке недостаточно эффективно, что выра-
жается в незначительном по сравнению с другими методами обработки
уровне повышения качества поверхности детали.
2) Улучшение геометрии режущих лезвий инструментов. Установ-
лено, что данное направление является более эффективным, при этом
можно выделить следующие его поднаправления:
− оптимизация геометрических параметров, например, обеспечение
больших положительных значений передних и задних углов режущих лез-
вий для повышения эффективности перерезания волокон;
− создание комбинированных инструментов, включающих в себя
дополнительные чистовые элементы;
− повышение количества режущих зубьев для снижения величины
подачи на зуб и создания условий резания с уменьшением изгиба волокон;
3) Внедрение гибридных технологий, требующих применения специ-
ализированного оборудования. Примерами являются: методы лезвийной об-
работки с применением ультразвуковых колебаний, криогенного охлажде-
ния, локального нагрева, а также их комбинации;
4) Предварительное пластическое деформирование зоны резания и со-
здание поддерживающих усилий для волокон при их перерезании. Обзор
показал, что данное направление является одним из наиболее эффективных,
однако, сложность технической реализации предлагаемых решений не поз-
воляет реализовать их практическое внедрение.
Таким образом, было принято решение вести разработку нового спо-
соба резьбонарезания, ориентируясь на достижение рациональных для реза-
ния ВКМ геометрических параметров лезвий метчиков и на обеспечение ра-
ционального распределения напряжений и деформаций в зоне резания, что
позволяет уменьшить отрыв волокон от матрицы. На первом этапе исследо-
вания оценку степени эффективности предложенных методов решено вы-
полнить с помощью численного моделирования с использованием бессеточ-
ного метода гидродинамики сглаженных частиц (SPH) и, далее, подтвер-
ждением полученных результатов реализацией натурных экспериментов.
На втором этапе исследования запланировано разработать конструкцию
метчика с геометрическими параметрами лезвий, максимально полно отве-
чающими установленным для обработки ВКМ характеристикам.
Вторая глава посвящена выявлению путем моделирования стружко-
образования лезвийными инструментами рациональных условий обработки
ВКМ: рациональных геометрических параметров лезвий и условий форми-
рования стружки.
Для этого была разработана SPH-модель процесса резания заготовки
из ВКМ, отличительной особенностью которой от известных решений, яв-
ляется наличие граничного слоя между волокнами и матрицей, позволяю-
щего регулировать адгезионную прочность и, соответственно, оценивать
глубину отслаивания по границе раздела волокно-матрица.
Первоначально была решена задача верификации такого подхода, для
чего была разработана SPH-модель однонаправленного полимерного ВКМ
с углами армирования 135°, 90°, 45°, состоящего из углеволокна AS4 и эпок-
сидной матрицы MTM45-1. Абсолютно жесткий инструмент моделировался
с применением традиционных конечных элементов. Расчетная схема и ре-
зультаты моделирования представлены на Рисунке 1.
(а)(б)

Рисунок 1. Исходная схема (а) и результаты моделирования (б) процесса
свободного ортогонального резания однонаправленного
углеволоконного КМ
Далее была выполнена экспериментальная верификация результатов
моделирования путем сравнения результатов моделирования с данными
проведенного натурного эксперимента по резанию заготовки из соответ-
ствующего однонаправленного ВКМ. Полученные в натурном экспери-
менте изображения отрыва волокон качественно сходятся с аналогичных
полученными расчетами картин стружкообразования, что подтвердило
адекватность предлагаемого подхода моделирования и позволило перейти к
выявлению рациональных условий обработки ВКМ.
Результаты предварительных экспериментальных исследований по
изучению процесса нарезания резьб традиционными метчиками с прямыми
стружечными канавками в образцах из различных ВКМ позволили выде-
лить критическую зону, на которой дефекты обработки проявляются в боль-
шей степени, – вспомогательные режущие кромки, образованные боковыми
сторонами профиля резьбы метчиков. В качестве объяснения причины та-
кого явления была выдвинута гипотеза о нерациональности геометрических
параметров на данных участках, в частности нулевого значения нормаль-
ного переднего угла. Для проверки данной гипотезы были подготовлены мо-
дели процесса резания однонаправленного полимерного ВКМ (ОПВКМ) с
углом армирования 45° (наиболее критический случай) для передних углов
в диапазоне от –5 до +30°. Полученные результаты (Рисунок 2) свидетель-
ствуют о значительном снижении (до 60% в случае с 30°) глубины дефект-
ного слоя при увеличении переднего угла.
Также отчетливо видна тенденция приближения точки разрушения
волокон к точке контакта с режущим клином, что также свидетельствует о
повышении качества обработки с увеличением переднего угла.
Помимо анализа степени влияния углов резания на качество обра-
ботки была также проведена оценка эффективности косоугольной (КР) и
встречно-направленной (ВНР) схем резания по сравнению с традиционной
– ортогональной (ОР) которая показала (Рисунок 3) 20% – ное уменьшение
углов наклона армирующих
волокон при сравнении косо-
угольного резания с ортого-
нальным. Схема встречно-
направленного резания также
дает улучшенный результат,
однако приводит в ряде случав
к пакетированию стружки, что
в свою очередь может крайне
негативно сказаться на каче-
стве поверхности.
Полученные результаты
позволили сделать вывод о це-
Рисунок 2. Результаты измерениялесообразности использования
параметров дефектной зоны для случая в метчиках для обработки
обработки ОПВКМВКМ больших положительных
нормальных передних углов на
вспомогательных режущих кромках, образованных боковыми сторонами
профиля резьбы метчика, а также в применении схемы косоугольного реза-
ния.

(а)(б)

Рисунок 3. Результаты моделирования процесса обработки со схемами
ортогонального, косоугольного и встречно-направленного резания (а)
и сравнение углов изгиба армирующих волокон (б)

В третьей главе представлена разработка новой, в последствии, запа-
тентованной конструкции метчика, его математической модели конструк-
тивно-геометрических параметров, созданных на основе этой модели мето-
дики и алгоритма расчета метчиков и инструментов второго порядка.
Выявленные во второй главе рациональные условия обработки легли
в основу разработки конструкции специального метчика для обработки
ВКМ (Рисунок 4). Особенностью метчика является применение двух пар
встречно-направленных винтовых стружечных канавок, а также поочеред-
ная подрезка половин профиля резьбы с целью дробления припуска на об-
рабатываемой заготовке на правую и левую части.
(а)(б)(в)

Рисунок 4. Общий вид на метчик для нарезания резьб в ВКМ (а) и профиль
резьбы на режущей части левого направления (б) и правого (в)
Такие особенности инструмента позволили реализовать наиболее эф-
фективные геометрические параметры на профилирующих участках режу-
щих кромок и исключить из работы неблагоприятные с точки зрения усло-
вий резания остальные участки режущих кромок. Этим было обеспечено
наличие большого положительного нормального переднего угла Н , как для
правой, так и для левой сторон профиля резьбы. Данная конструкция позво-
лила улучшить геометрические параметры режущих лезвий под обработку
конкретных видов ВКМ за счет варьирования исходными конструктивными
параметрами. В частности, были получены формулы для расчета передних
и задних углов (Рисунок 5а) на правых и левых вспомогательных ре-
жущих кромках:

sin( к )∙cos( п )−sin⁡( рп )∙cos⁡( рп )∙sin⁡( п )
п= ()(1)
cos⁡( рп )∙cos⁡( п )∙cos⁡( к )∙√1+cos⁡( рп )2 ∙sin⁡( рп )2

п

= ( ∙ ( р ))(2)

sin( к ) ∙ cos( л ) − sin⁡( рл ) ∙ cos⁡( рл ) ∙ sin⁡( л )
л = (3)
cos⁡( рл ) ∙ cos⁡( л ) ∙ cos⁡( к ) ∙ √1 + cos⁡( рл )2 ∙ sin⁡( рл )2
()
л

= ( ∙ (− р ))(4)

где к – угол наклона стружечной канавки, е и ре – вспомогательные углы
для правой и левой сторон профиля резьбы (е= л, п), – расстояние от оси
метчика до текущей точки, – радиус метчика, р – угол наклона винта
резьбы.
Также были получены зависимости для расчета максимально возмож-
ного угла наклона винтовой линии стружечных канавок на цилиндре наруж-
ного диаметра инструмента и центрального угла канавки ψ’к между край-
ней точкой B, расположенной на спинке пера со стороны торца и точкой A,
расположенной на режущей кромке предыдущего пера (Рисунок 5б):
∙ п ∙ (1 − ) ∙ ( )
( ) =(4)
2 ∙ ( − 0 )
р ∙ 180°
к′ =− к(5)
∙

где – диаметр резьбы, п – центральный угол от точки на вершине зуба у
его режущей кромки до точки на его затылочной кромке в торцовой плос-
кости, = 0,18 … 0,3 – коэффициент запаса для свободного входа торца
метчика в ранее просверленное отверстие, – угол конуса режущей части,
0 – диаметр отверстия под резьбонарезание, р – длина режущей части, –
винтовой параметр, к – полный центральны угол стружечной канавки.
(а)(б)

Рисунок 5. Передний γпN и задний αпIII углы на вспомогательной режущей
кромке (а) и схема к расчету максимально возможной величины угла
наклона винтовой стружечной канавки ω (б)

Разработанный метчик обладает конструктивной особенностью, за-
ключающейся в близости соседних перьев, которая накладывает технологи-
ческие ограничения на процесс затылования по профилю резьбы и спинке
зуба. Таким образом, были получены формулы для расчета максимальных
диаметров абразивных кругов для обоих случаев:

( 1 − ℎ)2 + ( 1 − )2 = 2
2∙
кр=,⁡⁡⁡⁡⁡{( 2 − ℎ)2 + ( 2 − )2 = 2(7)
cos⁡( )
( 3 − ℎ)2 + ( 3 − )2 = 2

где ρ – радиус кривизны эллипса, который определяется из
соответствующей системы уравнений, 1 , 1 , 1 ⁡и⁡ 1 , 1 , 1 – координаты
точек, определяющих положение и диаметр окружности (Рисунок 6а).
22 2
( − 1 ) + ( − 1 ) − ( кр − ) = 0
2,(8)
22 2
( − 1 ) + ( − 1 ) − ( кр − ) = 0
{2

где , , , , 1 , 1 – координаты точек , ⁡и 1 в системе координат
с центром в точке соответственно (Рисунок 6б).

(а)(б)

Рисунок 6. Схемы для определения максимальноых диаметров абразивных
кругов для затылования по спинке зуба (а) и профилю резьбы (б)
В результате проделанной работы разработана методика расчета ос-
новных конструктивных, геометрических и технологических параметров
специального метчика для обработки ВКМ, которая позволяет, используя
один и тот же алгоритм действий рационализировать указанную конструк-
цию под обработку конкретного вида ВКМ. Данный алгоритм предусматри-
вает следующую последовательность действий:
1 Блок. Формируются исходные данные (для примера рассмотрим
резьбы М10, М16 и М22), выделяется варьируемый параметр (в качестве ко-
торого для примера примем угол наклона винтовых канавок ωк ) и прово-
дится первичный «отсев» заведомо ложных вариантов (рисунок 7) (в данном
случае это варианты, у которых фактический угол канавки принимает отри-
цательное значение, что свидетельствует о невозможности их затылования,
а относительная площадь малого пера меньше 5%, так как есть риск быст-
рого выхода из строя подобного метчика).
2 Блок. Для полученного диапазона варьируемого параметра опреде-
ляются геометрические параметры, которые сравниваются с рекомендуе-
мыми для данных условий значениями. Для примера остановимся на мет-
чике М16 и для него определим соответствующие геометрические пара-
метры. В качестве нормативного источника воспользуемся справочником
В.И. Баранчикова “Обработка специальных материалов в машинострое-
нии”, в котором для данных условий рекомендуется диапазон γ = 10…30°.
Ранее приведенные результаты моделирования свидетельствуют о повыше-
нии качества обработки ВКМ с ростом величины переднего угла. Таким об-
разом выберем вариант с углом ωк = 30°.
3 Блок. По принятым значением определяются технологические пара-
метры (параметры инструментов второго порядка), к которым относятся
максимальные диаметры кругов для затылования по профилю и задней по-
верхности. Соответствующие графики представлены на Рисунке 8 и в соот-
ветствии с ними целесообразно приять предельное значение вспомогатель-
ного заднего угла α1 = 0,3°, а для затылования по спинке зуба соответ-
ственно α = 5°.
4 Блок. Окончательно формируется облик требуемого метчика.
(а)(б)

Рисунок 7. Фактический угол канавки (а) и площадь малого пера (б)
(а)(б)(в)(г)

Рисунок 8. Результаты расчета по разработанной методике:
(а) – результаты расчета вспомогательных передних углов метчика М16
для левой кромки, (б) – для правой; (в) – результаты расчета угла наклона
режущей кромки; (г) – результаты расчета максимального диаметра
абразивного круга для затылования по профилю резьбы
На основании математической модели и методики расчета был спро-
ектирован и изготовлен метчик, показанный на рисунке 9. В качестве мате-
риала была использована инструментальная легированная сталь ХВСГ
ГОСТ 5950-2000. Поведенные испытания показали увеличение фактической
площади профиля резьбы на 15%.
В четвертой главе представлена разработка запатентованного ги-
бридного способа обработки, включающего в себя резание с дополнитель-
ным воздействием струи жидкости, что обеспечивает рациональное распре-
деления напряжений и деформаций в зоне резания и тем самым уменьшение
отрыва волокон от матрицы. Выполнено расчетное и экспериментальное
подтверждение эффективности данного способа, а также предложена осно-
ванная на этом подходе новая конструкция метчика.

Рисунок 9 – CAD модель метчика и изготовленный метчик
Существующие решения по направленному деформированию зоны
резания при обработке ВКМ включают в себя применение опережающего
клина или ролика. Однако, указанные способы труднореализуемы в виду
малых размеров данных деформирующих элементов. Исходя из этого, был
предложен вариант с заменой данных твердых элементов на струю жидко-
сти под давлением. Цель подвода данной струи заключается в повышении
качества обработанных поверхностей за счет создания поддерживающего
усилия для перерезаемых волокон, в направлении противоположном движе-
нию резания, которое минимизирует отрыв волокон от матрицы. Преиму-
ществом данного метода, отличающим его от существующих решений, яв-
ляется возможность его реализации на базе действующего производствен-
ного оборудования за счет применения традиционных режущих инструмен-
тов, снабженных каналами для подвода СОЖ под давлением со стороны пе-
редней поверхности к зоне резания. В случае обработки ВКМ такие инстру-
менты необходимо модернизировать, для подачи струи на обрабатываемую
поверхность непосредственно перед стружкой. Для проверки данной гипо-
тезы были подготовлены соответствующие модели резания заготовки из
ОПВКМ с подводом воды и без нее (Рисунок 10).

(а)(б)

Рисунок 10. Теоретическая схема обработки с подводом струи жидкости
к зоне резания (а) и сравнение результатов моделирования процесса
резания заготовки из ОПВКМ с углом армирования 45°
с введением водяной струи (В) и без (БВ) (б)
Как видно из представленных результатов моделирования, опережаю-
щая струя воды, воздействуя на перерезаемое волокно, препятствует его от-
гибу в противоположном от режущего клина направлении, что приводит к
снижению степени распространения отслаивания по границе раздела во-
локно-матрица. Такая “поддержка” армирующих волокон привела к улуч-
шению условий перерезания, что в случае заготовок с углом армирования
как 45°, так и для остальных случаев, выражается в смещении точки разру-
шения волокна к месту контакта с режущим клином. Расчеты показали сни-
жение на 25% глубины распространения отслаиваний.
Для верификации моделирования и подтверждения эффективности
предложенного способа проведен натурный эксперимент по гибридной об-
работке образцов на основе связующего, состоящего из эпоксидной смолы
Этал-370 и отвердителя Этал-45М, армированного однонаправленным вы-
сокомодульным стекловолокном марки Т-60/2(ВМП)-14. Данный экспери-
мент был проведён на базе роботехнологического комплекса гидроабразив-
ной резки AWJet Robotics 3020 с использованием специальной оснастки (Ри-
сунок 11). Далее с целью определения размеров дефектной зоны под обра-
ботанной поверхностью проводилась дефектоскопия по разработанной ме-
тодике на основе применения средств капиллярной дефектоскопии (крас-
ный пенетрант AEROPEN-KD RF-1) и методов оптического анализа (с по-
мощью микроскопа Digital Microscope 1600X и программного обеспечения
Fiji). Оценке подвергалась глубина дефектной зоны ∆ и ее площадь , ко-
торые показали 13%- и 16%-ное снижение соответствующих значений при
сравнению с традиционной обработкой. Таким образом, полученные ре-
зультаты свидетельствуют о повышении качества обработанный поверхно-
сти, что подтверждает ранее выдвинутую гипотезу и позволяет перейти к
более детальному изучению рассматриваемого вопроса.
Проведенные исследования показали эффективность разработанной
конструкции метчика с улучшенной геометрией лезвий на наиболее крити-
ческих участках – на вспомогательных режущих кромках, а также целесо-
образность применения способа лезвийной обработки композитных загото-
вок с опережающим воздействием струей жидкости. Такой результат иссле-
дований стал причиной их объединения в конструкции сборного резьбона-
резного инструмента. Наиболее перспективной оказалась конструкция мет-
чика с внутренним подводом жидкости через смонтированные в его корпусе
медные трубки (Рисунок 12).
Для внутреннего подвода жидкости в конструкцию раннее разрабо-
танного метчика вдоль его оси был добавлен канал. Далее в отверстия, про-
сверленные по центру стружечных канавок на режущей части, должны быть
помещены медные трубки с завальцованными торцами, предварительно со-
гнутые на специальном стенде для направления струи в сторону вершины
соответствующих зубьев, которые затем фиксируются точечной сваркой.
Данная конструкция обеспечивает точечный подвод струй жидкости к соот-
ветствующим зубьям метчика на заборной части, тем самым обеспечивая
процесс резания согласно разработанному способу.
(а)(б)

(в)

Рисунок 11. Установка для проведения эксперимента по обработке с жид-
костью (а), результаты измерения площади дефектного слоя и глубины
дефектного слоя ∆ для двух случаев обработки: (б) – традиционное реза-
ние и (в) – резание с подводом жидкости
(а)(б)(в)(г)

Рисунок 12. Метчик с прогрессивной геометрией режущей части и гибрид-
ным воздействием на зону резания: (а) – вид на «правое» перо, (б) – вид на
«левое» перо, (в) – схема подвода струй жидкости, (г) – точки подвода
струй жидкости к вершинам зубьев метчика
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ
Основные результаты
1. На основе проведенного анализа установлено, что наиболее пер-
спективными направлениями повышения качества нарезаемых резьб в дета-
лях из ВКМ являются совершенствование геометрических параметров лез-
вий метчиков и дополнительное (кроме самого лезвия) воздействие на зону
резания.
2. Разработана SPH-модель процесса резания заготовки из ВКМ, с гра-
ничными слоями между его волокнами и матрицей; на базе модели создана
методика расчета глубины образуемого лезвийным инструментом дефект-
ного слоя под обработанной поверхностью. На основе данных модели и ме-
тодики установлены рациональные геометрические параметры лезвий мет-
чика и условия резания.
3. Разработана математическая модель новой запатентованной кон-
струкции метчика со встречным расположением винтовых стружечных ка-
навок и чередующейся подточкой зубьев, обеспечивающего рациональные
для обработки ВКМ значения нормальных передних углов на профилирую-
щих участках режущих кромок, а также разработана основанная на этой мо-
дели в виде алгоритма методика расчета рассматриваемых инструментов и
инструментов второго порядка. На основе указанной модели и методики
данный инструмент был изготовлен, его эффективность подтверждена
натурными экспериментами нарезания резьб в ВКМ.
4. С использованием разработанных SPH-модели процесса резания за-
готовки из ВКМ и методики расчета предложен запатентованный способ ги-
бридной обработки заготовок из однонаправленных ВКМ, включающий в
себя резание лезвием инструмента и воздействие на обрабатываемую по-
верхность струи жидкости под давлением. Эффективность данного способа
была проверена численными расчетами и натурными экспериментами. До-
полнительно была разработана конструкция метчика с улучшенной геомет-
рией режущей части и указанным выше гибридным резанием.
5. Результаты исследований опробованы в опытном производстве и
внедрены в учебный процесс.
Основные научные выводы
1. SPH моделированием процесса резания заготовок из однонаправ-
ленного полимерного ВКМ установлено, что с увеличением переднего угла
лезвия инструмента до = 30° глубина дефектного слоя, образованного от-
рывом волокон от матрицы, снижается до 60%, при этом косоугольная схема
резания обуславливает 20%-ное уменьшение углов изгиба армирующих во-
локон при сравнении с ортогональной схемой.
2. Разработанная математическая модель новой запатентованной
конструкции метчика со встречно-расположенными винтовыми канавками,
отражающая взаимосвязь его конструктивных чертежных параметров, угло-
вых параметров лезвий и параметров инструментов второго порядка для его
изготовления, является достаточной для определения всех геометрических
параметров данного инструмента.
3. Установлено, что применение встречного воздействия струи жид-
кости под давлением на обрабатываемую поверхность заготовки непосред-
ственно у образуемой стружки уменьшает длину обусловленного движе-
нием лезвия инструмента отрыва волокон от матрицы. Результатами SPH-
моделирования заготовки из однонаправленного ВКМ, состоящего из эпок-
сидной матрицы MTM45-1 с углеродными волокнами AS4, установлено, что
для угла ориентации волокон 90° снижение глубины дефектного слоя со-
ставляет 50%, для 135° – 35% и для 45° – 25%. Натурными экспериментами
установлено, что такое применение указанной жидкости уменьшает глу-
бину дефектной зоны и ее площадь на 13 и 16%, соответственно.