Оптимизация процесса обработки отверстий в многокомпонентных пакетах из металлов и полимерных композиционных материалов
Введение …………………………………………………………………………………………………. 4
1 Состояние вопроса, постановка целей и задач исследования …………… 13
1.1 Конструктивные особенности смешанных пакетов, содержащих металлы
и композиционные материалы ………………………………………………………………… 13
1.2 Технология обработки отверстий в смешанных пакетах …………………….. 20
1.3 Обзор исследований процесса обработки отверстий в смешанных
пакетах …………………………………………………………………………………………………… 27
1.4 Постановка цели и задач исследования ……………………………………………… 36
2 Методика исследования процесса обработки отверстий в смешанных
пакетах теоретико-вероятностным методом ……………………………………….. 39
2.1 Методика проведения исследования ………………………………………………….. 39
2.1.1 Образцы для проведения исследования ……………………………………….. 39
2.1.2 Оборудование и оснастка для проведения исследования ……………… 41
2.1.3 Средства измерения образцов ……………………………………………………… 45
2.2 Методика исследования влияния методов охлаждения и состава
смешанного пакета на параметры отверстия в слое алюминиевого сплава . 56
2.3 Условия построения плана экспериментов и значения переменных……. 59
2.3.1 Построения плана экспериментов и значения переменных для
исследования по определению зависимости параметров точности
отверстий от режимов резания в процессе развёртывания ……………………….. 59
2.3.2 Построения плана экспериментов и значения переменных для
исследования влияния метода охлаждения зоны резания и состава
соседних слоев смешанного пакета на параметры отверстия в слое из
алюминиевого сплава при развёртывании……………………………………………….. 67
Выводы по главе …………………………………………………………………………………….. 69
3 Результаты экспериментальных исследований ……………………………….. 70
3.1 Исследование по определению зависимости параметров отверстий от
режимов резания в процессе сверления …………………………………………………… 70
3.2 Исследование по определению зависимости параметров точности
отверстий от режимов резания в процессе развёртывания ……………………….. 72
3.3 Исследование влияния метода охлаждения зоны резания и состава
соседних слоев смешанного пакета на параметры отверстия в слое из
алюминиевого сплава при развёртывании……………………………………………….. 89
3.3.1 Результаты обработки образцов из алюминиевого сплава ……………. 90
3.3.2 Результаты обработки образцов в виде двухслойных пакетов
титановый сплав/алюминиевый сплав …………………………………………………….. 96
3.3.3 Результаты обработки образцов в виде двухслойных пакетов
ПКМ/алюминиевый сплав …………………………………………………………………….. 101
3.3.4 Анализ результатов исследования……………………………………………… 107
Выводы по главе …………………………………………………………………………………… 117
4 Практическая реализация результатов исследования……………………. 119
4.1 Оптимизация процесса развёртывания отверстий по
производительности ……………………………………………………………………………… 119
4.2 Оптимизация процесса развертывания отверстий по качеству
обработанных отверстий ………………………………………………………………………. 123
4.3 Результаты исследования влияния методов охлаждения зоны резания и
состава смешанного пакета на качество и точность отверстий, обработанных
развёртыванием ……………………………………………………………………………………. 127
Выводы по главе …………………………………………………………………………………… 129
Заключение ………………………………………………………………………………………….. 131
Библиографический список…………………………………………………………………… 133
Список сокращений и условных обозначений ……………………………………….. 146
Приложение А ……………………………………………………………………………………… 147
Приложение Б ………………………………………………………………………………………. 149
Приложение В ………………………………………………………………………………………. 151
Во введении представлены состояние проблемы, актуальность темы ис-
следования и степень ее разработанности, сформулированы цели и задачи, обо- значена научная новизна исследования, отмечена теоретическая и практическая значимость работы, перечислены положения, выносимые на защиту, приведены методология исследования, степень достоверности и апробация результатов.
Первая глава посвящена анализу особенностей использования ПКМ в СП. Обозначены факторы, ухудшающие эффективность обработки СП, содер- жащих слои из титановых и алюминиевых сплавов. Рассмотрены основные тех- нологические подходы к обработке отверстий в СП, приведены примеры техно- логического оборудования и инструментального обеспечения.
Из проведённого анализа теории и практики в технологии обработки точ- ных отверстий в конструкциях, содержащих металлические сплавы и ПКМ, сде- лан вывод, что для реализации данного процесса доступно современное обору- дование и инструмент. Достаточно изученными являются процессы обработки СП, содержащих слои из ПКМ и титановых сплавов. В то же время нерешенным остается ряд задач, возникающих при реализации технологического процесса обработки более сложных пакетов, содержащих слои из ПКМ и разнородных по обрабатываемости резанием металлов.
Известно, что обработка титановых сплавов сопряжена с образованием высоких температур. В то же время, матрица ПКМ чувствительна к нагреву, следовательно, вопрос по охлаждению зоны резания представляет значительный интерес. В связи с этим целесообразно рассмотреть альтернативные методы охлаждения зоны резания и установить влияние состава изделия, режимов обра- ботки и методов охлаждения на параметры отверстий в СП.
Наибольшую сложность представляет обработка слоев из алюминиевых сплавов в составе СП, в ходе, которой высока вероятность образования нароста на инструменте. Таким образом, целесообразно изучить процесс наростообразо- вания для данных слоев более подробно.
Недостаточно изучены процессы сверления и развёртывания СП, содер- жащих слои из алюминиевых, титановых сплавов и ПКМ. Необходимо продол-
жить исследования, направленные на разработку эффективного инструмента для сверления отверстий в таких СП.
Эффективным подходом к изучению закономерностей процесса обработки отверстий в СП является использование теоретико-вероятностных методов, ко- торые позволяют на основе планирования эксперимента и анализа полученных данных установить основные закономерности влияния параметров обработки на производительность процесса и качество получаемых отверстий.
Целью диссертационной работы является повышение производительности процесса осевой лезвийной обработки, качества поверхности и точности отвер- стий в многокомпонентных СП из углепластиков, алюминиевых и титановых сплавов на основе оптимизации технологических параметров.
Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Выявить закономерности влияния на шероховатость и точность об- работанных отверстий в СП следующих технологических параметров операции развёртывания:
– режимов резания;
– методов охлаждения зоны резания и смазочно-охлаждающих техноло-
гических средств (СОТС);
– состава СП (для отверстия в слое из алюминиевого сплава).
2. Разработать эмпирические регрессионные модели, описывающие вли-
яние режимов операции развёртывания на точность и шероховатость поверхно- сти отверстий в СП.
3. Оптимизировать многопараметрический процесс развертывания от- верстий в СП с учетом требуемых параметров качества поверхности, точности и экономической эффективности.
4. Разработать рациональную геометрию режущего инструмента для сверления СП из углепластиков, алюминиевых и титановых сплавов, обеспечи- вающего параметры качества отверстий, достаточные для исключения из техно- логического процесса операции зенкерования.
Во второй главе приведены методики проведения исследований процесса обработки отверстий теоретико-вероятностными методами. В качестве объекта исследования выбран пятислойный смешанный пакет состава От4(4 мм)/Вт6(6 мм)/ ПКМ(16 мм)/Вт6(6 мм)/1933(8 мм). В качестве основного технологического оборудования выбрана сверлильная машина PFD-1500, позволяющая изменять режимы резания путем замены блока редуктора. Для проведения испытаний вы- браны ступенчатое сверло для обработки отверстий в СП, содержащих металлы и ПКМ и составная развертка производства фирмы MAPAL (артикул 30558110). Спиральное сверло является собственной запатентованной разработкой. Осо- бенностью данного инструмента является разделение зоны резания на два участ- ка. Выбор составной развертки был обусловлен возможностью снятия режущей части инструмента без демонтажа тела инструмента целиком. Это необходимо для проведения исследования на наростообразование. Преимущество снятия только вершины инструмента связано с тем, что таким образом достигается ми- нимальная погрешность установки инструмента.
Измерение диаметров обработанных отверстий проводилось с помощью координатно-измерительной машины (КИМ) Carl Zeiss CONTURA G2. Опреде-
ление шероховатости в металлических сплавах осуществлялось контактным ме- тодом на профилометре Taylor Hobson, шероховатость в углепластике и высота нароста контролировались на оптическом профилометре Bruker ContourGT-K1.
Измерение нароста проводилась на передней поверхности режущего зуба инструмента (рисунок 1).
Рисунок 1 – Измерение нароста
Так как образование и срыв нароста является случайным процессом, то для повышения достоверности измерения нароста сканированию подвергался каждый зуб инструмента (рисунок 2).
Рисунок 2 – Топография нароста
Нахождение величины нароста для каждого зуба заключалось в измерении его максимального значения с последующим вычислением среднего значения для всего процесса обработки.
В данной главе также приведены методика и результаты исследования влияния методов охлаждения и состава смешанного пакета на параметры отвер- стия в слое алюминиевого сплава. Выявлено, что отверстия, получаемые в слоях из алюминиевых сплавов, имеют диаметры, превышающие диаметры в других слоях пакета. В качестве гипотезы было принято, что это связанно с воздействи- ем слоев СП, находящихся перед слоем алюминиевого сплава, так как при обра- ботке только слоя алюминиевого сплава подобных проблем не возникало.
Для исследования влияния предыдущего слоя СП на параметры обрабо- танных отверстий в слое из алюминиевого сплава были изготовлены образцы со- става 1933, ПКМ/1933, Вт6/1933. В качестве наиболее благоприятного условия обработки выбрана обработка слоя алюминия вне СП. В качестве промежуточ- ного уровня планирования эксперимента был выбран пакет состава ПКМ/1933, так как при обработке ПКМ не наблюдается наростообразование и нагрев до вы- соких температур. Наиболее сложным случаем обработки является сочетание Вт6/1933 так как при обработке данного сочетания и было выявлено превыше- ние диаметров отверстия в слое из алюминиевого сплава. Очевидно, это связано с тем, что обработка титановых сплавов сопряжена с возникновением высоких температур. В связи с этим было рассмотрено влияние методов охлаждения зоны резания на параметры образуемых отверстий. Исследованы следующие вариан- ты методов охлаждения при обработке отверстия: без охлаждения, с охлаждени- ем воздухом и углекислым газом. Для оценки эффективности охлаждения ис- пользовалась тепловизионная система FLIR. Распределение температурных по- лей отображалось на дисплее ПК в режиме реального времени. Данные об изме- нении температуры в заданной области приведены на рисунке 3.
Рисунок 3 – Тепловые поля операции развёртывания: а) инструмент, б) обрабатываемый материал
Для определения режимов резания, обеспечивающих наибольшую произ- водительность процесса развёртывания и требуемые показатели качества отвер- стий в рассматриваемом СП, с использованием ПО Statistica 6 был построен трехуровневый композиционный план экспериментов для многокритериальной оптимизации. В качестве основных факторов выбраны режимы обработки – по-
Таблица 1 – Уровни варьирования основных факторов
Основные факторы Скорость резания, V, (м/мин)
Подача, S, (мм/об)
Значения блокового фактора приведены в таблице 2. Таблица 2 – Уровни варьирования блокового факторов
Блоковый фактор Уровень 1 Block: припуск на развёртывание, t (мм) 0,1
Количество повторений ограничили тремя репликами. Промежуточные значения уровней даны таблице 3. Таблица 3 – Уровни варьирования блокового факторов
Уровень 1 17,5 0,38
Уровень 2 0,5
Подача, S, (мм/об)
0,25 0,22 0,20 0,18 0,16 0,13
дача и скорость резания, а в качестве блокового фактора – припуск на развёрты- вание. Данный композиционный план является неполнофакторным, что означает использование меньшего количество опытов, чем необходимо для отработки на всех исследуемых режимах. Такой подход актуален при исследовании механо- обработки, так как с увеличением количества циклов работы увеличивается из- нос режущего инструмента, оказывающий влияние на полученные результаты.
Уровни варьирования факторами регрессионной модели зависимости ка- чества отверстий от параметров процесса резания представлены в таблицах 1 и 2.
Уровень -1 6,1 0,16
Уровень 0 11,8 0,27
Уровень
Скорость резания, V, (м/мин)
Подача, S, (мм/об)
0,40 0,38 0,36 0,34 0,32 0,30 0,27
Скорость Уровень резания, V,
(м/мин) 0,2 10,7
0,4 9,5 0,6 8,3 0,8 7,1
1 6,1 1,2 4,8
-1,2 19,0 -1 17,5 -0,8 16,6 -0,6 15,5 -0,4 14,3 -0,2 13,1 0 11,8
Уровни варьирования факторами регрессионной модели для исследова- ния влияния метода охлаждения зоны резания и состава соседних слоев смешан- ного пакета на параметры отверстия в слое из алюминиевого сплава при развёр- тывании приведены в таблице 4.
Таблица 4 – Уровни варьирования факторов
Фактор Уровень -1 Уровень 0 Уровень 1
Состав смешанного пакета Ti/Al CFRP/Al Al
В третьей главе приведены результаты реализации экспериментальных
исследований.
При определении зависимости параметров отверстий от режимов резания
в процессе сверления использовали разработанное ступенчатое спиральное свер- ло Ø14,007. Режимы обработки: скорость резания 14,199 м/мин, подача 0,032 мм/об.
Результаты измерений диаметров отверстий приведены на рисунке 4.
Метод охлаждения зоны резания
Без охлаждения
Охлаждение воздухом
Охлаждение углекислым газом с температурой -56,5°C
Рисунок 4 – Диаграммы изменения диаметров отверстий (ступенчатое спиральное сверло Ø14,007 мм; V = 14,199 м/мин; S = 0,032 мм/об)
Из диаграмм видно, что разработанное сверло обеспечивает получение от- верстий с размахом отклонений диаметров в 40 мкм, при этом допуск IT9 со- ставляет 43 мкм. Таким образом, в производственных условиях данный инстру- мент можно рекомендовать для получения отверстий с 10 квалитетом точности.
Для повышения точности отверстий после сверления достаточно приме- нения развёртывания, так как полученные отверстия имеют высокие значения точности диаметральных размеров и шероховатости поверхности.
При исследовании по определению зависимости точности отверстий от режимов резания в процессе развёртывания в качестве параметра, характеризу- ющего точность, было выбрано отклонение профиля продольного сечения EFP ().
EFP() = Dmax−Dmin (1) 2
где Dmax и Dmin – соответственно максимальный и минимальный диаметры ис- следуемого отверстия.
Варьируемыми факторами исследования являлись: B – нормированная скорость резания (V); A – нормированная подача (S); D – нормированный при- пуск на развертывание (t), блоковый фактор (Block).
Результаты изменения диаметров сечений в зависимости от глубины об- работки представлены на рисунке 5. Данный график построен по измеренным значениям диаметров отверстий в слоях СП, обработанного со следующими ре- жимами: скорость резания V=17,5 м/мин, подача S=0,16 мм/об, припуск на раз- вертывание t(Block)=0,1 мм. Выбранное отверстие имеет типичную структуру, соответствующую всем обработанным отверстиям.
С помощью аппроксимации значений графика видим, что отверстия в ме- таллических слоях имеют местную погрешность, выраженную в уменьшении диаметра по направлению в сторону выхода инструмента. При этом на входе в материал образуется отверстие с максимальным диаметром. Данный эффект свя- зан с особенностями процесса врезания инструмента в обрабатываемый матери- ал, при котором возникают вибрации, приводящие к разбиванию отверстия. При дальнейшем движении инструмента в обрабатываемом материале процесс реза-
ния стабилизируется, так как инструмент направляется обработанной частью от- верстия. Диаметры отверстия в слое из алюминиевого сплава значительно пре- вышают диаметры в титановом слое. Очевидно, это связано с более вязкими свойствами материала, приводящими к образованию нароста и, как следствие, к увеличению диаметра инструмента.
Рисунок 5 – Изменение диаметра сечения отверстия по глубине обработки (S=0,16 мм/мин; V=17,5 м/мин; t=0,1 мм)
При формировании регрессионной модели отклонения профиля продоль- ного сечения на основании многофакторного дисперсионного анализа использо- вали квадратичную модель с пригонкой методом наименьших квадратов (НК- оценок). Из проведенного дисперсионного анализа определили, что нормиро- ванные факторы D(Block), B2, A2 и B*A имеют высокую вероятность ошибки, то есть ошибка превышает 5% (p=0,05). Из этого следует, что представленные фак- туры оказывают минимальное влияние на модель и ими можно пренебречь, но при этом точность модели снизится.
В нормированном виде регрессионная модель отклонения профиля про- дольного сечения EFP() принимает вид:
EFP()=15,96-0,09D+1,95B+0,86B2+2,42A+0,68A2+0,68B*A (2) Для проверки полученной модели использовали коэффициент детермина- ции R2, который составил R2=0,642, что обуславливает изменчивость отклонения профиля под воздействием контролируемых факторов на 64,2%. Оставшиеся 36,8% являются следствием воздействия неучтенных факторов и долей ошибки
при измерениях.
На рисунке 6 приведена поверхность отклика отклонения профиля про-
дольного сечения от режимов резания для пакета в целом.
Из рисунка 6 видно, что отклонение профиля продольного сечения при-
нимает максимальное значение при увеличении значений скорости резания и подачи, минимальное – при их уменьшении. Изменение значений происходит линейно как для скорости резания, так и для подачи. Следовательно, при выборе
режимов обработки необходимо не допускать сочетания максимальных и близ- ких к максимальным значениям скорости резания и подачи.
Рисунок 6 – Поверхность отклика отклонения профиля продольного сечения от режи- мов резания для пакета в целом
Общее отклонение профиля продольного сечения СП включает в себя от- клонения в каждом слое пакета. Для определения оптимальных режимов обра- ботки слоёв получили соответствующие уравнения регрессии и построили по- верхности отклика. При построении регрессионных моделей пренебрегали кор- реляционной зависимостью, так как в ходе проведения предварительных работ было установлено, что слои ПКМ и титанового сплава оказывают незначитель- ное влияние друг на друга при обработке. Для слоя алюминиевого сплава было выявлено влияние предыдущего слоя, поэтому были проведены дополнительные исследования для определения этого влияния.
При исследовании влияния метода охлаждения зоны резания и соседних слоев СП на параметры отверстия в слое из алюминиевого сплава использовали развёртку MAPAL артикул 30558110 Ø14 мм. Режимы резания были выбраны в диапазоне, при котором вероятность появления нароста минимальна: подача S=0,21 мм/об, скорость резания V=6,1 м/мин, припуск 0,1 мм на сторону.
На рисунке 7 представлены тепловые поля, возникающие при обработке отверстия в образце из одного алюминиевого сплава 1933 при различных видах охлаждения.
а) б) в)
Рисунок 7 – Тепловые поля при обработке развертыванием (подача S=0,21
мм/об, скорость резания V=6,1 м/мин, припуск 0,1 мм на сторону) отверстия в образце из алюминиевого сплава 1933: а) без охлаждения; б) с охлаждением воздухом; в) с охлаждением углекислым газом с температурой -56,5°C
Из рисунков видно, что высокая температура возникает на режущих кром- ках инструмента и отводится как внутрь инструмента, так и вглубь обрабатыва- емого материала. Последний имеет большую площадь для отвода тепла и более высокую теплопроводность, чем инструмент, поэтому в инструменте температу- ра выше.
В процессе обработки отверстия значения температуры в исследуемых областях (см. рисунок 7) составляют: при обработке без охлаждения – 26,3°C, при охлаждении сжатым воздухом – 24,22°C, при охлаждении углекислым га- зом с температурой -56,5°C – -6,1°C.
Исследования тепловых полей проведены и для остальных составов СП. Полученные значения температуры в зоне резания представлены в гистограмме на рисунке 10.
Анализ результатов исследования. Диаметры отверстий в слое алюмини- евого сплава.
В качестве параметра описывающего точность отверстия после разверты- вания выбрано отклонение диаметра отверстия от номинального значения раз- мера 14 мм. Измерения диаметров отверстий производились в середине слоя. Варьируемыми факторами являются: методы охлаждения и состав смешанного пакета (см. таблицу 4). Для определения уровня влияния факторов на отклонение диаметра отверстия использовали дисперсионный анализ. Коэффициента детер- минации составил R2=0,807.
На рисунке 8 приведена гистограмма отклонения диаметров отверстий, в зависимости от состава смешанного пакета и метода охлаждения зоны резания.
Рисунок 8 – Гистограмма отклонения диаметров отверстий в слое алюминиевого сплава 1933, в зависимости от состава смешанного пакета и метода охлаждения зоны резания (S=0,21 мм/об, V=6,1 м/мин, t=0,1 мм на сторону)
Из рисунка видно, что на диаметр получаемого отверстия в слое из алю- миниевого сплава оказывают влияние, как материал предыдущего слоя, так и эффективность охлаждения зоны резания. Максимальные диаметры отверстия в данном слое в СП Вт6/1933 соответствуют обработке отверстий без охлаждения и с охлаждением воздухом. Минимальное значение соответствует наиболее бла- гоприятным условиям обработки – с охлаждением углекислым газом с темпера- турой -56,5°C.
При обработке СП ПКМ/1933 охлаждение углекислым газом с температу- рой -56,5°C также значительно уменьшает диаметр отверстия в слое из алюми- ниевого сплава, что повышает точность получаемого отверстия.
На рисунке 9 приведена гистограмма высоты нароста h на режущем ин- струменте, в зависимости от состава смешанного пакета и метода охлаждения зоны резания.
Рисунок 9 – Гистограмма высоты нароста h в зависимости от состава смешанного паке- та и метода охлаждения зоны резания
(S=0,21 мм/об, V=6,1 м/мин, t=0,1 мм на сторону)
Из рисунка 9 видно, что метод охлаждения оказывает значительное влия- ние на образование нароста. Использование воздуха почти не снижает высоту нароста, а применение охлаждения углекислым газом с температурой -56,5°C способствует значительному уменьшению нароста на кромке режущего инстру- мента.
Для определения уровня влияние факторов на температуру в зоне резания использовали дисперсионный анализ. Коэффициент детерминации составил R2=0,77.
На рисунке 10 приведена гистограмма температуры в зоне резания, в зави- симости от состава смешанного пакета и метода охлаждения зоны резания.
Рисунок 10 – Гистограмма температуры в зоне резания в зависимости от состава сме- шанного пакета и метода охлаждения зоны резания
(S=0,21 мм/об, V=6,1 м/мин, t=0,1 мм на сторону)
Из рисунка 10 видно, что метод охлаждения оказывает значительное вли- яние на температуру в зоне резания. Метод охлаждения воздухом значительно снижает температуру при обработки смешанного пакета Вт6/1933 в сравнении с обработкой без охлаждения. Обработка с охлаждением углекислым газом с тем- пературой -56,5°C снижает температуры до отрицательного значения.
Четвертая глава посвящена практической реализации результатов иссле- дования, которая заключалась в оптимизации процесса развертывания СП струк- туры «титановый сплав ОТ4 – титановый сплав ВТ6 – ПКМ – титановый сплав ВТ6 – алюминиевый сплав 1933».
Задачей оптимизации процесса развёртывания отверстий по производи- тельности является уменьшение машинного времени. Для этого необходимо вы- бирать повышенные режимы резания, при использовании которых выполняются требования к параметрам отверстия: диаметр 14 мм, допуск по IT9 (Δmax=43 мкм); шероховатость в слоях из металлических сплавов Ra1,6, в ПКМ Ra6,3.
На данный момент обработка таких отверстий осуществляется на следу- ющих режимах: скорость резания 5,75 м/мин; подача 0,18 мм/об
Для обработки 45 мм, где 40 мм толщина СП и 5 мм запас на врезание и выход инструмента, машинное время соответствует 1,9 мин.
Для оптимизации по производительности желательность для нижнего и среднего значения принята равной единице, а для верхнего значения – нулю. Та- ким образом, были определены режимы резания, которые обеспечивают опти- мальные значения точности отверстия и при этом имеют высокую производи- тельность.
Таблица 5 – Сочетание факторов, обеспечивающие максимум функции желательности
Желательность
0,73
Факторы
Block= 0,5 мм V= 7,24 м/мин S= 0,27 мм/об
Отклик Δ RaОт4 RaВт6_1 RaПКМ RaВт6_2 Ra1933 Машинное время, мин
Значение отклика 33,7 мкм 1,14 мкм 0,62 мкм 1,48 мкм 0,68 мкм
0,8 мкм
1,01 мин
Из данных таблицы 5 следует, что наибольшее значение желательности соответствует значениям скорости резания V= 7,24 м/мин, подачи S= 0,27 мм/об, припуск на развёртывание составляет 0,5 мм. При использовании данных режи- мов достигается соотношение максимальной производительности (машинное время 1,01 мин) и требуемых параметров шероховатости поверхности отверстий: для слоев из металлических материалов граница допуска шероховатости соот- ветствует Ra1,6, а для слоев из композиционных материалов – Ra6,3.
Для оптимизации процесса развертывания отверстий для получения мак- симальной точности необходимо снизить желательность средних уровней значе- ний отклика в два раза. Таким образом, максимальная желательность будет со- ответствовать нижним уровням значений.
Из данных таблицы 6 видим, что наибольшее значение желательности со- ответствует значениям скорости резания V= 6,1 м/мин, подачи S= 0,22 мм/об, припуск на развёртывание составляет 0,5 мм.
Таблица 6 – Сочетание факторов, обеспечивающих максимум по качеству обра- ботанных отверстий
Желательность
0,52
Факторы
Block= 0,5 мм V= 6,1 м/мин S= 0,22 мм/об
Отклик
Δ
RaОт4 RaВт6_1 RaПКМ RaВт6_2 Ra1933 RzОт4 RzВт6_1 RzПКМ RzВт6_2 Rz1933 Машинное время, мин
Значение отклика 31,9 мкм
1,2 мкм
0,54 мкм 1,49 мкм 0,59 мкм 0,59 мкм
6,3 мкм
3,5 мкм 12,24 мкм 4,29 мкм 3,74 мкм
1,5 мин
При использовании данных режимов достигается максимальное качество отверстий, уменьшается значение отклика шероховатости и отклонения про- дольного сечения. Но при этом уменьшается производительность: машинное время операции развертывания отверстия возрастает до 1,5 мин.
На рисунке 11 показана поверхность функции желательности от режимов резания.
Рисунок 11 – Поверхность функции желательности от режимов резания
При оптимизации методов охлаждения зоны резания и состава смешанно- го пакета по качеству поверхности и точности отверстий в процессе развертыва- ния для получения максимальной точности была выбрана желательность нижних уровней равной единице, средних – 0,5 и нижних – нулю (максимальная жела- тельность соответствует нижним уровням значений).
Из таблицы 7 следует, что наибольшее значение желательности соответ- ствует первому методу охлаждения (охлаждение углекислым газом с температу- рой -56,5°C) и нулевому составу смешанного пакета (ПКМ/1933). Использование данных сочетаний обрабатываемых материалов не всегда возможно, но в случае
возможности внесения конструктивных изменений в изделие необходимо отда- вать предпочтение именно такому сочетанию.
Таблица 7 – Сочетание факторов, обеспечивающих максимум по качеству обра- ботанных отверстий
Желательность Факторы Отклик Значение отклика
0,57
Метод охлаждения 1 (охлаждение СО2 ( -56,5°C)) Состав смешанного пакета 0 (ПКМ/1933)
d
10,47 мкм
Ra1933
0,64 мкм
Rz1933
3,42 мкм
t°
-15 °С
На рисунке 12 показана гистограмма функции желательности.
Рисунок 12 – Гистограмма желательности
Из рисунка 12 видно, что минимальный уровень желательности соответ- ствует сочетанию Вт6/1933 при использовании обработки без охлаждения и при охлаждении воздухом. Следовательно, необходимо избегать подобных сочета- ний материалов при разработке изделий. В случае невозможности использования других сочетаний материалов необходимо отдать предпочтения выбору наибо- лее эффективного метода охлаждения зоны резания – углекислым газом с темпе- ратурой -56,5°C.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
В результате выполнения диссертационной работы исследованы основные закономерности процесса обработки точных отверстий в многокомпонентных смешанных пакетах из углепластиков, титановых и алюминиевых сплавов, реа-
лизуемого в технологической последовательности «сверление – развёртывание». При этом получены следующие научные выводы и практические результаты:
1. Разработана и реализована методика комплексного экспериментального исследования процесса получения отверстий в СП структуры «титановый сплав ОТ4 – титановый сплав ВТ6 – ПКМ – титановый сплав ВТ6 – алюминиевый сплав 1933», направленная на выявление технологических возможностей опера- ций сверления и развёртывания.
2. Для определения оптимального сочетания технологических параметров процесса развёртывания отверстий в исследуемых СП – режимов резания и при- пуска на обработку, обеспечивающих требуемые значения параметров шерохо- ватости и точности отверстий, разработана методика исследования процесса теоретико-вероятностным методом на основе планировании эксперимента и многомерного дисперсионного анализа
3. На основе полученных результатов исследования найдено решение за- дачи по повышению производительности, качества поверхности и точности от- верстий в исследуемых пакетах путем подбора оптимальных режимов резания при развёртывании. Установлено, что наиболее значимыми факторами, влияю- щими на параметры точности отверстия, в частности на отклонение профиля продольного сечения отверстия, являются скорость резания в первой и второй степени, а также подача. Оптимальными режимами резания для поставленной цели являются скорость резания 7,24 м/мин, подача 0,27 мм/об, и припуск на об- работку 0,5 мм. Таким образом, время обработки одного отверстия на операции развертывания составляет 1,01 минуту. Более того данный подход подразумевает исключение операции зенкерования, что еще больше снижает трудоемкость об- работки отверстий.
4. Установлено, то в процессе развёртывания исследуемых СП наиболь- шие технологические проблемы возникают при обработке слоя из алюминиевого сплава. Доказано, что это связано с влиянием состава СП и метода охлаждения.
5. На основе полученных результатов исследования найдено решение за- дачи по повышения качества поверхности и точности отверстий в слое алюми- ниевого сплава путем подбора оптимальных методов охлаждения зоны резания и состава смешанного пакета. Оптимальным способом охлаждения, обеспечиваю- щим повышение точности и снижение шероховатости поверхности отверстия в слое из алюминиевого сплава, является охлаждение углекислым газом с темпе- ратурой -56,5°C.
6. Сформулированы рекомендации по проектированию смешанных паке- тов, содержащих углепластики, алюминиевые и титановые сплавы: для дости- жения оптимальных параметров получаемых отверстий по точности и шерохова- тости поверхности слой алюминиевого сплава следует располагать после слоя углепластика (в направлении обработки) и избегать расположения данного слоя после слоя титанового сплава.
7. Сформирован комплект средств технологического оснащения процесса обработки отверстий. Для реализации процесса сверления разработан и запатен- тован режущий инструмент – специальное ступенчатое спиральное сверло для обработки пакетов из ПКМ и металлических сплавов.
8. Результаты диссертационной работы использованы при разработке и внедрении технологии стыковки консольной части крыла и центроплана самоле- та МС-21.
В настоящее время традиционные материалы начинают достигать своих
эксплуатационных пределов, поэтому во многих областях производства находят
свое место композиционные материалы с полимерной матрицей (ПКМ). Такие
материалы представляют собой соединение двух и более компонентов, имеющие
различия по химическому составу с четко выраженной границей раздела сред.
Они обладают свойствами, отличными от свойств, входящих в него компонентов.
В частности, такие материалы имеют более высокие значения временного сопро-
тивления и предела выносливости, а также модуля упругости и удельной прочно-
сти. Использование в конструкциях композиционных материалов способствует
увеличению жесткости при снижении стоимости изготовления в сравнении с кон-
струкциями из металлов. Снижение стоимости связано с тем, что доля механиче-
ской обработки изделия уменьшается, а коэффициент использования материала
увеличивается.
В ряде отраслей промышленности (гражданская аэрокосмическая отрасль,
судостроение, автомобилестроение, строительство и т.д.) распространены компо-
зиционные ПКМ, армированные углеволокном. Как правило, их применение обу-
словлено необходимостью снижения массы, а также достижения определённых
механических характеристик деталей конструкции за счёт возможности модели-
рования их свойств варьированием состава и типа входящих в них компонентов.
При этом ПКМ применяется наряду с деталями из металлических сплавов на ос-
нове алюминия и титана, такие соединения называют смешанными пакетами
(СП). Таким образом, остро стоит вопрос в использовании ПКМ в соединении с
металлическими сплавами. Основная сложность заключается в том, что материа-
лы, входящие в СП имеют свойства различные по физико-механическим характе-
ристикам. Следовательно, не могут быть применены методы, используемые как
для соединения металлических материалов, например сваривание, так и компози-
ционных – склеивание. Наиболее распространенный метод соединений конструк-
ций металл-ПКМ является установка крепежных элементов в предварительно об-
работанные отверстия. В случае изготовления ответственных конструкций к та-
ким отверстиям предъявляются высокие требования по точности диаметров и ше-
роховатости, так как данные параметры в значительной мере влияют на ресурс
изделия.
В настоящее время неизученными остается ряд вопросов, связанных с обра-
боткой многослойных СП, включающих разнородные металлы и ПКМ. При обра-
ботке таких пакетов режущий инструмент периодически взаимодействует с мате-
риалами, свойства которых, как объектов обработки резанием, значительно отли-
чаются, что затрудняет обеспечение рациональных условий обработки в целом и
негативно влияет на качество обработанной поверхности.
Традиционно качество точных отверстий достигалось при последователь-
ном выполнении операций сверления, зенкерования и развёртывания. Однако, в
настоящее время, появились инструментальные и технологические решения, поз-
воляющие значительно повысить точность при обработке сверлением. Эти дости-
жения позволяют предположить, что требуемое качество отверстий в рассматри-
ваемых пакетах может быть достигнуто при выполнении меньшего количества
переходов, т.е. в ряде случаев возможно исключение из технологического процес-
са операции зенкерования и развёртывания.
Актуальность темы исследования определяется высокими требованиями
к качеству отверстий для установки крепежных элементов в многослойных сме-
шанных пакетах (СП), включающих слои из титановых, алюминиевых сплавов и
углепластиков. Для создания эффективной технологии обработки точных отвер-
стий в многокомпонентных СП необходимо обосновать рациональное сочетание
операций, назначение припусков на обработку каждого из слоёв пакета, выбор
оборудования, определить параметры режущего инструмента, разработать мето-
дику назначения режимов обработки. Традиционно качество точных отверстий
достигалось при последовательном выполнении операций сверления, зенкерова-
ния и развёртывания. Однако, в настоящее время появились инструментальные и
технологические решения, позволяющие значительно повысить точность при об-
работке сверлением. Эти достижения позволяют предположить, что требуемое
качество высокоточных отверстий в СП может быть достигнуто при выполнении
меньшего количества переходов, т.е. в ряде случаев возможно исключение из тех-
нологического процесса операции зенкерования.
Степень разработанности темы исследования. Проанализировав ряд ис-
точников по теме исследования, было выявлено, что обработка композиционных
материалов вне СП достаточно изучена. Так в работах авторов Маркова А.М. и
Рычкова Д.А. рассматривает особенности обработки изделий из стеклопластика.
А существующие работы по обработке СП сконцентрированы на исследования
процесса сверления отверстий в двух- и трехслойных СП, содержащих слои из
однотипных по обрабатываемости металлов и слой полимерного композиционно-
го материала (ПКМ), процесс резания которого имеет существенные отличия. Так
автор Колесник В.А. анализировал температуры в зоне резания при сверлении па-
кетов ПКМ/титановый сплав. В работах Иванова Ю.Н. приведены результаты оп-
тимизации процесса сверления, позволившей установить режимы обработки,
обеспечивающие получение девятого квалитета точности отверстий в трехслой-
ном СП, состоящим из двух слоёв титанового сплава и слоя из ПКМ. Ряд методов
обработки отверстий в СП, содержащих слои ПКМ, титановые или алюминиевые
сплавы, рассмотрен в работе Криворучко Д.В.
Однако в этих и других трудах не определен оптимальный состав операций
процесса обработки СП, содержащих слои из ПКМ, а также из титановых и алю-
миниевых сплавов, обрабатываемость резанием которых существенно отличается,
что приводит к снижению точности и качества поверхности отверстий; не иссле-
дованы взаимосвязи качества отверстий с режимами и условиями операции раз-
вёртывания.
Таким образом, была определенна цель диссертационной работы: повы-
шение производительности процесса осевой лезвийной обработки, качества по-
верхности и точности отверстий в многокомпонентных СП из углепластиков,
алюминиевых и титановых сплавов на основе оптимизации технологических па-
раметров.
Достижение этой цели возможно после решения следующих задач:
1. Выявить закономерности влияния на шероховатость и точность обрабо-
танных отверстий в СП следующих технологических параметров операции раз-
вёртывания:
– режимов резания;
– методов охлаждения зоны резания и смазочно-охлаждающих технологиче-
ских средств (СОТС);
– состава СП (для отверстия в слое из алюминиевого сплава).
2. Разработать эмпирические регрессионные модели, описывающие влияние
режимов операции развёртывания на точность и шероховатость поверхности от-
верстий в СП.
3. Оптимизировать многопараметрический процесс развертывания отвер-
стий в СП с учетом требуемых параметров качества поверхности, точности и эко-
номической эффективности.
4. Разработать рациональную геометрию режущего инструмента для свер-
ления СП из углепластиков, алюминиевых и титановых сплавов, обеспечивающе-
го параметры качества отверстий, достаточные для исключения из технологиче-
ского процесса операции зенкерования.
Указанные задачи отражают потребности производства и являются актуаль-
ными проблемами.
Представленная диссертация содержит результаты научно-
исследовательских, опытно-конструкторских и технологических работ, направ-
ленных на создание эффективной технологии обработки отверстий в многоком-
понентных СП, обеспечивающих соединение деталей из титановых, алюминиевых
сплавов и ПКМ. Полученные результаты включают рекомендации по выбору ре-
жимов резания и методов охлаждения.
Научная новизна работы:
1. Получены ранее неизвестные зависимости параметров шероховатости и
точности обработанных отверстий в СП из углепластика, титановых и алюминие-
вых сплавов, высоты нароста на режущем инструменте и температуры в зоне ре-
зания от методов охлаждения зоны резания без использования СОТС и состава
СП (п. 7 паспорта специальности 2.5.6).
2. Получены ранее неизвестные модели многофакторного дисперсионного
анализа, отражающие влияние режимов резания и припуска на шероховатость по-
верхности и точность отверстий при развёртывании СП из углепластика, титано-
вых и алюминиевых сплавов (п. 3, п. 7 паспорта специальности 2.5.6).
3. Выполнена оптимизация процесса развёртывания отверстий в СП из уг-
лепластика, титановых и алюминиевых сплавов с обеспечением требуемых значе-
ний точности и шероховатости поверхности отверстий, на основе которой найде-
ны:
-эффективные режимы резания, обеспечивающие значительное повышение
производительности обработки;
-рациональные методы охлаждения, обеспечивающие повышение точности
отверстия в слое из алюминиевого сплава с учетом состава СП (п. 2, п. 7 паспорта
специальности 2.5.6).
4. Разработана и защищена патентом оригинальная геометрия режущего ин-
струмента, обеспечивающего реализацию как чернового, так и чистового техно-
логических переходов при обработке СП из углепластика, титановых и алюмини-
евых сплавов (п. 2 паспорта специальности 2.5.6).
Теоретическая и практическая значимость работы
На основании полученных результатов в ходе выполнения теоретических и
экспериментальных исследований установлены основные закономерности обра-
ботки отверстий в СП из углепластика, титановых и алюминиевых сплавов; раз-
работана методика выбора оптимальных припусков и режимов резания, а также
методов охлаждения зоны резания при развёртывании отверстий в указанных СП.
Использование данной методики обеспечивает повышение качества обрабатывае-
мых отверстий, а также производительности процесса.
Разработан, изготовлен и апробирован на производстве специальный ин-
струмент – ступенчатое сверло для обработки СП, которое позволяет получать от-
верстия в СП из углепластика, титановых и алюминиевых сплавов с точностью до
10 квалитета и шероховатостью поверхности Ra1,6 в слоях из металлических
сплавов и Ra6,3 в слоях из ПКМ. Данный инструмент может подвергаться много-
кратной переточке в условиях производства. Применение данного инструмента, в
зависимости от требований к точности, возможно как при чистовой обработке от-
верстий в СП, так и в комбинации с развёртками при необходимости дальнейшего
улучшения параметров качества обработки.
Методы исследования. Теоретическая база исследования построена на
научных основах технологии машиностроения, теории резания материалов, тео-
рии вероятностей, математической статистики, теории планирования эксперимен-
та и оптимизации технологических процессов. При статистических расчетах и по-
строении моделей использовались программное обеспечение (ПО) StatSoft
Statistica 6 и Microsoft Excel 2010. Данные экспериментальных исследований по-
лучены с помощью современных методов измерения. Исследование микропрофи-
ля поверхности в металлических сплавах проводилось с помощью профилометра
Taylor Hobson Form Talysurf i200. Измерение микрорельефа поверхности в слое из
ПКМ производилось с помощью оптического профилометра Bruker ContourGT-
K1. Для измерения диаметров отверстий использовалась координатно-
измерительной машина Carl Zeiss CONTURA G2. Для измерения эффективности
методов охлаждения производилось измерение температуры с помощью теплови-
зора FLIR серии SC7000.
По результатам проделанных работ автор выносит на защиту:
1. Модели многофакторного регрессионного анализа для оценки качества
обработки развёртыванием отверстий в СП, содержащих слои из титанового и
алюминиевого сплавов, а также слой из ПКМ. В моделях учитываются режимные
параметры процесса – скорость резания и подача, а также припуск на обработку.
2. Результаты исследования влияния состава смешанного пакета и методов
охлаждения зоны резания без использования СОТС на параметры отверстий, вы-
соту нароста на режущем инструменте и температуру в зоне резания при развёр-
тывании слоя из алюминиевого сплава.
3. Методику и результаты многокритериальной оптимизации процесса раз-
вёртывания отверстий в СП структуры «титановый сплав ОТ4 – титановый сплав
ВТ6 – ПКМ – титановый сплав ВТ6 – алюминиевый сплав 1933» по критериям
производительности обработки, точности и шероховатости поверхности отвер-
стий.
4. Конструктивное решение режущего инструмента для обработки СП, со-
четающего преимущества инструментов для черновой и чистовой обработки.
Внедрение результатов. Полученные результаты использованы при произ-
водстве самолета МС-21 на Иркутском авиационном заводе – филиале ПАО
«Корпорация «Иркут».
Достоверность подтверждена сходимостью полученных результатов в ре-
зультате проведения работ в лабораторных и производственных условиях. Дей-
ствительность выводов подтверждается практической реализацией результатов
исследования в производстве.
Экспериментальные результаты получены с использованием современного
высокоточного аналитического оборудования: профилометра Taylor Hobson Form
Talysurf i200, оптического профилометра Bruker ContourGT-K1, координатно-
измерительной машины Carl Zeiss CONTURA G2, тепловизионной камеры FLIR
серии SC7000.
Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационной
работы докладывались и обсуждались на 5-ой научно-практической конференции
«Молодежь. Проекты. Идеи» (Иркутский авиационный завод – филиал ПАО
«Корпорация «ИРКУТ», г Иркутск, 10-12 ноября 2015 г.), на VII всероссийской
научно-практической конференции «Авиамашиностроение и транспорт Сибири-
2016» (ИРНИТУ, г. Иркутск, 13-16 апреля 2016 г.), всероссийская молодежная
научно-практическая конференция ” Авиамашиностроение и транспорт Сибири”
(ИРНИТУ, г. Иркутск, 11 ноября 2016 года), на международной научно-
практической конференции «Образование, наука и инновации» (г. Севастополь,
27 апреля 2017 г.), на XIX Международной научно-технической конференции и
школы молодых ученых, аспирантов и студентов. «АВИАКОСМИЧЕСКИЕ ТЕХ-
НОЛОГИИ (АКТ-2018)» (Воронеж, 18–19 октября 2018 года), а также на конфе-
ренции 11th international conference on mechanical engineering, automation and con-
trol systems, MEACS 2017«Processing Equipment, Mechanical Engineering Processes
and Metals Treatmen. 2018» (Tomsk, 04–06 декабря 2017 года), IOP Conference Se-
ries: Materials Science and Engineering International Conference on Innovations in Au-
tomotive and Aerospace Engineering, ICI2AE 2019 (Irkutsk, 27 мая – 01 2019 года),
на XIII международной научно-технической конференции «СОВРЕМЕННЫЕ
ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ» (Томск, 2020).
Результаты работы отражены в 11 публикациях. В журналах рекомендуемо-
го ВАК перечня опубликовано восемь статей; две статьи – в международном жур-
нале, индексируемом в системе Scopus; одна статья – международном журнале,
индексируемом в системе Web of Science.
Диссертация подготовлена на кафедре технологии и оборудования машино-
строительных производств Федерального государственного бюджетного образо-
вательного учреждения высшего образования «Иркутский национальный иссле-
довательский технический университет» (ИРНИТУ). Исследования, представлен-
ные в настоящей диссертации, входят в состав работ, выполненных:
– по договору № 389/12 от 15.11.2012 на проведение научно-
исследовательских, опытно-конструкторских и технологических работ по созда-
нию высокотехнологичного производства в рамках комплексного проекта «Авто-
матизация и повышение эффективности процессов изготовления и подготовки
производства изделий авиатехники нового поколения на базе Научно-
производственной корпорации «Иркут» с научным сопровождением Иркутского
государственного технического университета», выполняемого совместно с ПАО
«Корпорация «Иркут» в рамках постановления Правительства Российской Феде-
рации от 9 апреля 2010 г. № 218 «О мерах государственной поддержки развития
кооперации российских высших учебных заведений и организаций, реализующих
комплексные проекты по созданию высокотехнологичного производства»;
– по договору № 10/16 от 18.01.2016 г. между ИРНИТУ и ПАО «Корпорация
«Иркут» на проведение научно-исследовательских, опытно-конструкторских и
технологических работ по теме «Разработка технологии обработки высокоточных
отверстий в СП с дополнительными операциями восстановительного ремонта от-
верстий в ПКМ».
Структура и объем работы. Диссертация включает введение, четыре главы,
заключение, список литературы, насчитывающий 121 источник, и приложения.
Работа содержит 28 таблиц и 87 рисунка. Общий объем работы 159 страниц.
Публикации автора в научных журналах
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
4.9 (66 отзывов)
4.2 (25 отзывов)
4.6 (71 отзыв)
5 (18 отзывов)
4.9 (5 отзывов)
5 (14 отзывов)
5 (154 отзыва)
4.5 (80 отзывов)
5 (91 отзыв)
