Технологическое обеспечение качества поверхности слоистых стекловолоконных композитов при концевом фрезеровании

Во введении обоснована актуальность выполненной работы.
Определены цель и задачи исследований. Приводится общая
характеристика работы, научная новизна и практическая ценность.
Излагается содержание диссертации по главам.
В первой главе анализируются научные литературные источники
отечественных и зарубежных авторов, направленные на исследования в
области механической обработки слоистых стекловолоконных композитов.
Рассмотрены вопросы, связанные с влиянием режимов резания,
конструктивно-геометрических параметров режущего инструмента и
свойств обрабатываемого материала на силы резания, износ инструмента и
шероховатость обработанной поверхности. Показано, что механическая
обработка слоистых композитов часто сопровождается расслоением,
которое оказывает непосредственное влияние на качество поверхности.
Определены наиболее важные направления исследований, включающие в
себя оценку микроструктуры поверхности и влияния технологических
параметров на качество поверхностности слоистых стекловолоконных
композитов при концевом фрезеровании.
Вторая глава посвящена изучению формирования поверхностного слоя
деталей из слоистых стекловолоконных композитов при концевом
фрезеровании. Для этого моделировалось напряженное состояние в
процессе обработки резанием и рассматривалась микроструктура
поверхности экспериментально обработанных образцов.
Моделирование полей эквивалентных напряжений проводилось в
системе конечно-элементного анализа ANSYS (модуль Workbench Explicit
Dynamics).
Как правило, в процессе обработки ось концевой фрезы расположена
перпендикулярно слоям стекловолокна (рисунок 1а). В этом случае главные
режущие кромки, расположенные на цилиндрической поверхности фрезы,
будут резать перпендикулярно слоям стекловолокна (рисунок 1б), а
вспомогательные торцевые режущие кромки – параллельно слоям
стекловолокна (рисунок 1в).

абв
Рисунок 1 – Концевое фрезерование слоистых стекловолоконных
композитов (а) и схемы обработки главными (б)
и вспомогательными (в) режущими кромками
Очевидно, что вследствие анизотропии обрабатываемого материала
условия резания для них будут различными. Поэтому резание главными и
вспомогательными режущими кромками моделировалось отдельно.
Модель состояла из двух основных компонентов – режущего клина и
обрабатываемой детали. Анизотропия материала детали была учтена путем
задания одинаковых свойств в направлении осей X и Y исходя из того, что в
плоскости XY расположены слои стекловолокна. В направлении оси Z
значения механических свойств были гораздо ниже, потому что в данном
направленииотсутствуютармирующиеволокна.Распределения
напряжений, полученные при моделировании резания параллельно и
перпендикулярно слоям стекловолокна представлены на рисунке 2.

а

б
Рисунок 2 – Распределение напряжений в объеме обрабатываемого
материала при моделировании резания параллельно (а)
и перпендикулярно (б) слоям стекловолокна
Резец в расчетах принимался абсолютно жестким.
Геометрические параметры режущей части:
– передний угол γ = 5°;
– задний угол α = 20°.
Режимы обработки:
– глубина резания t = 0,1 мм;
– подача S = 0,01 мм/зуб;
– скорость резания V = 30 м/мин.
Анализ данных рисунка 2а показывает, что возникающие напряжения
вызывают хрупкое разрушение обрабатываемого материала в плоскости
сдвига.
Анализ данных рисунка 2б показывает, что в плоскости стекловолокна
(XY) опережающего разрушения не происходит. Однако возникающих
напряжений достаточно для межслойного разрушения. Это объясняется тем,
что стеклотекстолит представляет собой многослойную структуру с
внутренними степенями свободы между слоями, поскольку связующее
вещество, термореактивные и термопластичные полимеры, дает
возможность смещения слоев при небольших напряжениях.
В качестве экспериментальных образцов для анализа микрофотографий
использовались пластины листового стеклотекстолита марки 3240 (Китай)
на основе эпоксидно-фенольной смолы. Данный материал является
аналогом стеклотекстолита марок СТЭФ, СТЭФ-1, СТЭФ-У и соответствует
требованиям ГОСТ 12652-74 «Стеклотекстолит электротехнический
листовой. Технические условия», ТУ 16-89 И79.0066.002 «Стеклотекстолит
электротехнический листовой марки СТЭФ-У». Он обладает хорошими
электроизоляционными свойствами и широко применяется при
изготовлении конструктивных элементов электротехнических изделий.
Дляизучениямикроструктурыповерхностииспользовался
сканирующий электронный микроскоп Quanta 250 компании FEI Ltd. Для
предварительной подготовки образцов был использован вакуумный аппарат
для магнетронного напыления MSP-1S Magnetron sputter.
Сканированию подвергалось три характерных участка фрезерованного
паза, с характерным дефектом в виде расслоения, представленные на
рисунке 3. Для удобства сканирования, после фрезерования образцы
разрезались.

Рисунок 3 – Характерные участки сканирования: 1 – нижняя поверхность
паза; 2 – боковая поверхность паза; 3 – кромка паза
До проведения сканирования образцы подвергались напылению
тонкого проводящего слоя (рисунок 4). Нанесенное на поверхность тонкое
металлическое покрытие позволяет избегать эффекта зарядки поверхности
под действием пучка электронов, а также повышает выход вторичных
электронов. В качестве материала проводящих покрытий использовалось
золото с палладием (Au-Pd), которое оптимально для наблюдения с низким
увеличением и хорошим контрастом.

Рисунок 4 – Экспериментальный образец с нанесенным покрытием (Au-Pd)
Микрофотография нижней поверхности паза с увеличением в 200 раз
представлена на рисунке 5. Кратность увеличения была обусловлена
информативностью получаемого изображения.

Рисунок 5 – Микрофотография нижней поверхности паза
На этой поверхности отчетливо различима направленная структура
стекловолокна. Длинные и тонкие стекловолокна расположены близко друг
к другу. В некоторых местах имеются единичные разрывы волокон,
перпендикулярные волокнам. На рассматриваемой поверхности, в
основном, происходит деформация связующего и разделение слоев
стекловолокна. Качество поверхности хорошее, дефекты отсутствуют.
Микрофотографии боковых поверхностей паза представлены на
рисунке 6. Характер разрушения определяется величиной угла θ, между
плоскостью резания и направлением стекловолокон в армирующем слое.
аб
Рисунок 6 – Микрофотографии боковых поверхностей паза
с увеличением в 2000 раз при 0° < θ ≤ 90° (а) и с увеличением в 1000 раз при 90° < θ ≤ 180° (б) На рисунке 6а видны множественные разрывы волокон, перпендикулярные волокнам и расположенные под углом к рассматриваемой плоскости. На данной поверхности, в основном, происходит деформация стекловолокна. Качество поверхности при 0° < θ ≤ 90° хорошее, дефекты отсутствуют. На рисунке 6б наблюдается вырывание волокон из связующего, что является дефектом обработки. На этой поверхности происходит деформация стекловолокна и связующего. Качество поверхности при 90° < θ ≤ 180° низкое. Микрофотография кромки паза с увеличением в 200 раз представлена на рисунке 7. Рисунок 7 – Микрофотография кромки паза На этой поверхности наблюдается расслоение между отдельными слоями стеклотекстолита. При этом наибольшее расслоение наблюдается на радиусной части кромки паза, где время контакта зубьев фрезы с обрабатываемым материалом наибольшее. Это связано с низкой прочностью поверхностного слоя и малым сопротивлением межслойному сдвигу. Третья глава посвящена установлению эмпирических зависимостей крутящего момента, шероховатости поверхности и относительного коэффициента расслоения от режимов фрезерования, а также получению функциональной зависимости относительного коэффициента расслоения от крутящего момента. Для проведения экспериментальных исследований на базе фрезерного станка модели ГФ2171С5 была разработана и собрана экспериментальная установка, принципиальная схема которой представлена на рисунке 8. Рисунок 8 – Принципиальная схема экспериментальной установки Для измерения крутящего момента использовался пьезоэлектрический датчик динамического крутящего момента компании China Botong Electric, способный фиксировать крутящий момент, воспринимаемый вращающимся валом в процессе работы. Диапазон измерения датчика 0 – 50 Н·м, погрешность измерения 0,5%. Шероховатость Ra контролировалась на профилографе-профилометре модели HOMMEL TESTER W55. Для оценки величины расслоения предложено использовать относительный коэффициент расслоения. Он позволяет устанавливать какой процент от номинального размера паза составляет размер области расслоения и является показателем для оценки качества обработки. Относительный коэффициент расслоения  определяется по формуле: − ( + 2∆) − 2∆ =∙ 100% =∙ 100% =∙ 100%,(1) где Bmax – максимальная ширина паза по границам области расслоения, мм; B – номинальная ширина паза, мм; Δ – максимальная ширина области расслоения, мм. На рисунке 9 представлена модель обработанной детали с характерным дефектом в виде расслоения, на которой обозначены данные размеры. Рисунок 9 – Модель обработанной детали с расслоением Максимальная ширина области расслоения Δ измерялась с использованием микроскопа малого инструментального ММИ-2. В качестве инструмента использовалась фреза концевая четырехзубая из быстрорежущей стали Р6М5 диаметром 10 мм. Несмотря на то, что инструмент из быстрорежущей стали уступает по своим характеристикам твердосплавному инструменту, он широко применяется на производстве ввиду невысокой стоимости. Обязательным условием при проведении экспериментальных исследований являлся контроль остроты режущих кромок инструмента с использованием микроскопа ММИ-2. В качестве экспериментальных образцов использовались пластины листового стеклотекстолита марки 3240 (Китай) размером 500×40×8 мм. При проведении экспериментов ось концевой фрезы располагалась перпендикулярно слоям стекловолокна. Режимы обработки варьировались в следующих диапазонах: – глубина резания t от 1 до 5 мм; – подача на зуб Sz от 0,06 до 0,25 мм/зуб; – скорость резания V от 12,6 до 31,4 м/мин. После получения экспериментальных данных была проведена их аппроксимация по методу наименьших квадратов степенными функциональными зависимостями в системе компьютерной алгебры Maple. Зависимость крутящего момента M (Нм) от режимов фрезерования: = 9,2 2,292 0,614 −1,139 .(2) Зависимость шероховатости Ra (мкм) от режимов фрезерования: = 3,5 −0,116 0,369 0,261.(3) Зависимость относительного коэффициента расслоения  (%) от режимов фрезерования: = 88,6 0,454 0,495 −0,318 .(4) С помощью критерия Фишера была установлена их адекватность. Была получена степенная функциональная зависимость относительного коэффициента расслоения  (%) от крутящего момента M при Sz = 0,1 мм/зуб: = 18,4 0,204 .(5) Графическая зависимость, соответствующая формуле (5) представлена на рисунке 10, где R2 – величина достоверности аппроксимации. Рисунок 10 – Графическая зависимость относительного коэффициента расслоения  (%) от крутящего момента M Четвертаяглавапосвященавыявлениютехнологических возможностей для обеспечения качества поверхности слоистых стекловолоконных композитов при концевом фрезеровании. Экспериментальные исследования проводились на вертикально- фрезерном обрабатывающем центре VMC750. Управляющая программа подготавливалась с использованием системы SprutCAM. В качестве экспериментальных образцов использовались пластины листового стеклотекстолита марки 3240 (Китай) размером 150×40×8 мм. Для сравнительной оценки производительности различных вариантов обработки было принято решение стабилизировать глубину резания t на максимальном уровне в исследуемом диапазоне равном 5 мм, с целью обеспечениянаибольшейпроизводительностипри последующих экспериментах. Остальные режимы варьировались в следующих диапазонах: – подача на зуб Sz от 0,06 до 0,15 мм/зуб; – скорость резания V от 12,6 до 31,4 м/мин. При проведении экспериментов ось концевой фрезы располагалась перпендикулярно слоям стекловолокна. Во-первых, была проведена экспериментальная проверка влияния прижимных пластин на расслоение при концевом фрезеровании слоистых стекловолоконных композитов (рисунок 11). Рисунок 11 – Концевое фрезерование с прижимной пластиной Для этого использовалась прижимная металлическая пластина с канавками разной ширины в диапазоне от 10 до 16 мм. Обработанный образец представлен на рисунке 11. В качестве инструмента использовалась фреза концевая четырехзубая из быстрорежущей стали Р6М5 диаметром 10 мм. После получения экспериментальных данных была проведена их обработка с использованием математического аппарата метода полного факторного эксперимента (ПФЭ). Зависимость относительного коэффициента расслоения  (%) от режимов фрезерования при обработке с прижимной пластиной: = 24,596 + 45,556 – 0,519 .(6) Коэффициент регрессии, соответствующий ширине канавки в прижимной пластине h оказался незначимым, т.е. не оказывающим существенного влияния на коэффициент расслоения . Для сравнения была получена зависимость относительного коэффициента расслоения  (%) от режимов фрезерования при обработке без прижимной пластины: = 18,902 + 90 – 0,282 .(7) Сравнительный анализ формул 6 и 7 показал, что прижимная пластина оказывает некоторое влияние на относительный коэффициент расслоения. Главным образом оно проявляется при равенстве ширины канавки в прижимной пластине и диаметра фрезы. Для достижения такого результата требуется точная привязка инструмента к обрабатываемой детали и прижимной пластине с канавкой, ширина которой должна быть равна диаметру концевой фрезы. Это приведет к увеличению времени настройки и возрастанию себестоимости операции. Во-вторых, была проведена экспериментальная проверка концевого фрезерования по контуру паза фрезой меньшего диаметра на расслоение слоистых стекловолоконных композитов. В качестве инструмента использовалась фреза концевая четырехзубая из быстрорежущей стали Р6М5 диаметром 6 мм. Сначала фрезеровался центральный паз шириной 6 мм, а затем он обрабатывался по контуру в размер 10 мм. Для такой обработки зависимость относительного коэффициента расслоения  (%) от режимов фрезерования выражается зависимостью: = 1,8 + 90 .(8) Эксперименты показали, что при одинаковых режимах, концевое фрезерование по контуру паза обеспечивает лучшее качество поверхности слоистых стекловолоконных композитов, чем однопроходный вариант обработки паза. При этом коэффициент регрессии, соответствующий скорости резания V, оказался незначимым. Была проведена проверка возможности осуществления фрезерования по контуру паза без предварительного центрального прохода. Для такой обработки зависимость относительного коэффициента расслоения  (%) от режимов фрезерования выражается зависимостью: = −0,477 + 66,667 + 0,149 .(9) Данные эксперименты показали, что при одинаковых режимах, концевое фрезерование по контуру паза без предварительного центрального прохода не уступает по качеству обработке с центральным проходом, а по производительности превосходит ее. Графики, соответствующие формулам 6, 7, 8, 9 представлены на рисунке 12. Их адекватность была установлена с помощью критерия Фишера. Рисунок 12 – Графическая интерпретация зависимостей относительного коэффициента расслоения от режимов фрезерования: 1 – формула (6); 2 – формула (7); 3 – формула (8); 4 – формула (9) В пятой главе даны практические рекомендации по использованию результатов исследования. Техническое задание на проектирование операции концевого фрезерования должно включать чертеж или 3D модель обрабатываемой детали, максимально допустимые значения относительного коэффициента расслоения max (%) и шероховатости обработанной поверхности Ramax (мкм), требования к производительности обработки. На рисунке 13 представлен алгоритм проектирования операций концевого фрезерования по критерию ограничения величины расслоения и при условии обеспечения заданной шероховатости обработанной поверхности слоистых стекловолоконных композитов исходя из технического задания с использованием результатов проведенных исследований – формул (3), (7), (8), (9). При проведении расчетов предлагается анализировать три возможные варианта обработки: – однопроходной обработки паза по формуле (7); – фрезерования по контуру паза с предварительным центральным проходом по формуле (8); – фрезерования по контуру паза без предварительного центрального прохода по формуле (9). Начало Техническое задание: - чертеж или 3D модель; - max - максимально допустимое значение ; - Ramax - максимально допустимое значение Ra; - производительность. Фрезерование по контуруФрезерование по контуру Однопроходная паза с предварительнымпаза без предварительного обработка паза центральным проходомцентрального прохода 1 = f (S z , V) 2 = f (S z , V)3 = f (S z , V) Расчет длины рабочего хода Lр для каждого прохода Определение минутной подачи фрезы Sм для каждого прохода при условии  = max нет Проверка Ra < Ramax да Расчет основного времени обработки То для каждого прохода Выбор варианта обработки с наименьшим значением основного времени То Вывод результатов Выход Рисунок 13 – Алгоритм проектирования операций концевого фрезерования Может рассматриваться вариант фрезерования по контуру паза при интенсификации режимов обработки на предварительном центральном проходе. Анализ ведется при заданном значении относительного коэффициента расслоения max. Далее следует проверка выполнения требований к шероховатости Ra < Ramax. Длина рабочего ходаLрприоднопроходнойобработкепаза рассчитывается по формуле: р = 3 + п .(10) где lп – длина паза, мм. Длины врезания lвр и схода инструмента lсх приняты равными 3 мм. Длина рабочего хода Lр при концевом фрезеровании по контуру обрабатываемого паза с предварительным центральным проходом: − 3 + ф р = 9 + 3 п +.(11) где dф – диаметр концевой фрезы, мм. При концевом фрезеровании по контуру обрабатываемого паза без предварительного центрального прохода: − 2 р = 6 + 2 п +.(12) При предварительной однопроходной обработке паза: − ф р = 3 + п −.(13) Минутная подача инструмента (или заготовки) в направлении подачи Sм рассчитывается по формуле: 1000 ∙ ∙ м =.(14) ф где V – скорость резания, м/мин; Sz – подача на зуб, мм/зуб; z – число зубьев фрезы. Основное время обработки, мин: ∙ =,(15) м где i – число рабочих ходов в переходе. Был проведен практический расчет для детали «Распорка» (рисунок 14а) имеющей паз длиной lп = 80 мм и номинальной шириной B = 10 мм (рисунок 14б) с наибольшим допустимым значением относительного коэффициента расслоения  = 8% при условии обеспечения шероховатости на уровне Ra = 3,2 мкм и при максимально возможной производительности. аб Рисунок 14 – Обрабатываемые детали «Распорка» (а) и эскиз обработки паза (б) Было установлено что при однопроходной обработке паза невозможно обеспечить значение  = 8%. В качестве инструмента была выбрана концевая четырехзубая фреза из быстрорежущей стали Р6М5 диаметром dф = 6 мм. При фрезеровании по контуру паза с предварительным центральным проходом для обеспечения  = 8% значение подачи на зуб Sz = 0,07 мм/зуб. Для достижения наибольшей производительности необходимо, чтобы скорость резания V была максимальной из диапазона исследований V = 31,4 м/мин. При фрезеровании по контуру паза без предварительного центрального прохода для обеспечения  = 8% необходимо: = 56,9 − 447,4 .(16) По критерию наибольшей производительности из формулы (16) было найдено следующее сочетание подачи на зуб Sz и скорости резания V: Sz = 0,06 мм/зуб; V = 30 м/мин. По значениям скорости резания V и подачи на зуб Sz при известном значении числа зубьев фрезы z = 4 по формуле (14) была определена минутная подача фрезы Sм, мм/мин. Далее по формуле (15) было рассчитано основное время обработки То, мин. В таблице 1 представлены результаты. Таблица 1 – Результаты анализа вариантов обработки паза детали «Распорка» Sм, мм/мин Вариант обработкиLр, ммТо, мин при  = 8% Однопроходная обработка паза83–– Фрезерование по контуру паза с предварительным центральным252,74660,54 проходом Фрезерование по контуру паза без 171,73820,45 предварительного центрального прохода Фрезерование попредварительная контуру паза приоднопроходная8110000,08 интенсификацииобработка паза 0,45 режимов обработкипоследующее на предварительном фрезерование по171,74660,37 центральном проходе контуру паза По результатам проведенного анализа, вариант обработки по контуру обрабатываемого паза без предварительного центрального прохода является наиболее предпочтительным. За счет интенсификации режимов обработки на предварительном центральном проходе перед последующей контурной обработкой удалось достичь той же производительности, однако при этом вероятно увеличение износа фрезы, а следовательно, и затрат на инструмент. Разработанная методика проектирования операций концевого фрезерования по критерию ограничения величины расслоения обработанной поверхности слоистых стекловолоконных композитов внедрена в ООО «Станкоцентр Перун» (г. Барнаул). Экономический эффект от внедрения составил 250 тыс. рублей. Результаты проведенных исследований используются в учебном процессе АлтГТУ при подготовке бакалавров и магистров. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1. Результатыкомпьютерногомоделированияианализа микрофотографий дали представление о механизме формирования качества поверхностного слоя слоистых стекловолоконных композитов при концевом фрезеровании. 2. Полученные эмпирические зависимости крутящего момента и шероховатости поверхности слоистых стекловолоконных композитов от режимов обработки позволяют обеспечивать заданное качество поверхности при проектировании операций концевого фрезерования. 3. Установленафункциональнаязависимостьотносительного коэффициента расслоения от крутящего момента при концевом фрезеровании слоистых стекловолоконных композитов, которая позволяет прогнозировать величину расслоения на основе контроля текущего значения крутящего момента. 4. Экспериментально установлено, что влияние прижимной пластины на относительный коэффициент расслоения проявляется, главным образом, при равенстве диаметра фрезы и ширины канавки в прижимной пластине. 5. Полученныеэмпирическиезависимостиотносительного коэффициента расслоения от режимов обработки при концевом фрезеровании по контуру паза с предварительной центральным проходом и без него позволяют обеспечивать заданное качество обработки путем рациональногоназначениятехнологическихпараметровпри проектировании фрезерных операций. 6. Разработанная методика проектирования операций концевого фрезерования по критерию ограничения величины расслоения и при условии обеспечения заданной шероховатости обработанной поверхности слоистых стекловолоконных композитов внедрена в ООО «Станкоцентр Перун» (г. Барнаул). Экономический эффект от внедрения составил 250 тыс. руб. Результаты проведенных исследований используются в учебном процессе АлтГТУ при подготовке бакалавров и магистров.