УДК 629.73.002
DOI: 10.15587/1729-4061.2022.254555
Формування геометричної точності та шорсткості отворів свердлінням в авіаційних конструкціях із полімерних композиційних матеріалів
К. В. Майорова, Ю. А. Воробйов, О. В. Андрєєв, Б. В. Лупкін, В. Т. Сікульський
Предметом дослідження є показники якості, геометричної точності та шорсткості отворів в авіаційних конструкціях (АК) із полімерних композицій- них матеріалів (ПКМ), отриманих свердлінням. Дослідження показників якос- ті, геометричної точності та шорсткості отворів ПКМ виконано з викорис- танням кінематичних схем свердління отворів та створення стружки ПКМ.
Створено кінематичну схему сил різання, діючих в ПКМ при свердлінні з розпо- ділом зон від 0° до 360°. Реалізовано експериментальні дослідження з встанов- лення характерних зон усадки при свердлінні ПКМ та їх значення. Використо- вуваними методами є аналіз показників якості отворів ПКМ, метод експерт- них оцінок. Отримано такі результати. Згідно аналізу та синтезу, виявлено, що при неправильно обраних геометричних параметрах свердел і роботі зі зно- сом свердла по задній поверхні можуть з’явитися розшарування, тріщини або відколи ПКМ. Показано, що вирішуючим фактором є комплексне оцінювання, що визначається не тільки якістю, точністю і шоркістю, а й станом отворів на вході й виході свердла. Було розроблено та виявлені особливості та харак- терні зони контакту при свердлінні ПКМ. Встановлено, що у межах зон робо- ти свердла від 0° до 90° і від 180° до 270° зменшуються сили різання і покра- щуються показники якості поверхні, шорсткості та геометричної точності отвору ПКМ. В зонах від 90°до 180° і від 270°до 360°– навпаки передбачаєть- ся невисока якість поверхні, що оброблюється. Запропоновано розрахунок по- трібних зусиль різання та розрахунок висоти шорсткості свердління отворів ПКМ з урахуванням зминання стружки під дією роботи клина. Результати ек- спериментальних досліджень з встановлення характерних зон усадки при свер- длінні ПКМ підтвердили адекватність результатів теоретичних досліджень за кінематичними схемами роботи свердла в ПКМ.
Ключові слова: авіаційна конструкція, полімерні композиційні матеріали, свердління, шорсткість отвору, геометрична точність, усадка отвору.
1. Вступ
У сучасному світі полімерні композиційні матеріали (ПКМ) замінюють металеві завдяки своїм чудовим властивостям: висока питома міцність, що за- безпечує надійність та низьку швидкість зношування з подовженням ресурсу експлуатації [1]. Накопичений досвід експлуатації ПКМ у відповідальних висо- конавантажених авіаційних конструкціях (АК) показав в порівнянні з метале- вими конструкціями значні переваги. Це зниження маси конструкції на 30–
50 %, підвищення ресурсу експлуатації у 2–5 разів, зниження трудомісткості
Not
a reprint
виробництва на 20–40 % і матеріалоємності конструкції до 50 % [1, 2]. У украї- нському авіабудуванні у літаку Ан-70 обсяг застосування ПКМ становить до 22 % від маси планера. Загальний об’єм ПКМ у літаках українського виробниц- тва Ан-148/158 та Ан-178 складає 17 % від маси планера, а їх використання до- зволяють знизити масу літака на 2550 кг [3].
Серед методів обробки різанням деталей АК з ПКМ найбільш розповсю- джено використання механічної лезвійної обробки, яка створює поверхневий шар на деталях з ПКМ, що суттєво впливає на їх фізико-механічні властивості.
Неоднорідність структури і різні характеристики міцності складових елементів ПКМ сприяють у процесі лезвійної обробки утворенню мікротріщин і сколів [4]. При механічній обробці ПКМ необхідно використовувати інструменти зі спеціальним твердосплавними та алмазними покриттями ріжучої кромки ін- струменту [5].
Одним із масових процесів механічної лезвійної обробки при виготовленні деталей АК із ПКМ є свердління, яке досягає 70…80 % від загальної трудоміст- кості процесу механічної обробки. Вимоги до точності отворів життєво важли- вих АК із ПКМ становлять 7–8 квалітет, а до всіх інших не перевищують 11–
12 квалітет з параметром шорсткості поверхні Rz20 мкм. Якість отворів по вхідних і вихідних кромках, точність і чистота поверхні циліндричної частини отвору надзвичайно важливі з погляду надійності, довговічності та працездат- ності конструкції.
Слід зауважити, що параметри процесу свердління отворів в ПКМ зміню- ються в залежності від властивостей армуючого матеріалу. Науковий досвід з цієї проблеми містить дуже суперечливу інформацію щодо технології свердлін- ня отворів в ПКМ, пов’язаних з режимами різання, технологічними перехода- ми, геометричними параметрами ріжучого інструменту тощо. При неправильно обраних геометричних параметрах свердел і роботі свердлом зі зносом по зад- ній поверхні можуть з’явитися розшарування, тріщини або відколи ПКМ, особ- ливо в напрямку перпендикулярному армувальним волокнам. Якість (чистота) поверхні отвору в ПКМ залежить від кількості обертів інструменту й подачі.
При занадто високій подачі збільшується шорсткість отвору, тому що свердла мають тенденцію тягнути волокна замість того, щоб їх різати (відбувається роз- рив волокон). При високих шпиндельних швидкостях температура в зоні різан- ня зростає і відбувається руйнування сполучника. Спочатку граничний шар
«матриця – волокно» розпушується, а потім ПКМ зовсім руйнується. Також має місце розплавлювання матриці, яке призводить до зменшення шорсткості. Од- нак якщо волокна витягнуті з матриці, то це викликає ушкодження, збільшуючи тим самим шорсткість.
Тому комплексне дослідження якості отворів у ПКМ, виконаних свердлін- ням, що визначається не тільки якістю і шоркістю, а й станом отворів на вході й виході свердла, є актуальним.
2. Аналіз літературних даних та постановка проблеми
Велику роль у забезпеченні якості поверхні отвору в ПКМ грає стійкість та геометрична форма ріжучих кромок інструменту, як показано в роботі [6]. За
For
reading
only
даними роботи [7], основними дефектами, що виникають при механічній обро- бці ПКМ є розтріскування зв’язуючого, розшарування, висмикування волокон, непрорізання волокон, термічна деструкція зв’язуючого та розпушування воло- кон. Так, у статті [8] експериментально доведено високу міцність ПКМ на ос- нові органічних армуючи волокон типу Кевлар, але які мають властивості кри- хкості, що збільшує ризики розтріскування, розшарування та термічну деструк- цію. Як показано у роботі [9], зазвичай на вході свердла спостерігаються роз- шарування та розрив волокон ПКМ, а на виході – додаткові розшарування та непрорізання волокон. Ріжуча кромка тендітно руйнує матрицю (зв’язуюче) і зрізає армуючі волокна. Так, в роботі [10] запропоновано методику на базі ана- літичного моделювання, яка враховує властивості ПКМ з подальшою оптиміза- цією геометричної форми ріжучого інструменту – свердла, але це не підтвер- джено прикладами реалізації та практичним впровадженням у виробництво.
Слід зазначити, що якщо мова йде про з’єднання невеликих товщин пакетів ПКМ (до 3 мм), то необхідність в свердлінні отворів немає. В публікації [11]
показано реалізацію з’єднання пакету товщиною 1,5 мм та 2,4 мм без поперед- нього виконання отворів в комбінованих пакетах з алюмінієвих сплавів та вуг- лепластику шляхом імпульсної постановки самонарізних заклепок спеціальним клепальним інструментом. Спеціальним клепальним інструментом може бути сучасний пневмоімпульсний інструмент тих же авторів [12]. Незважаючи на існуючу практичну значущість безотворного методу з’єднання пакетів з ПКМ і комбінованих пакетів, інформація щодо його використання на більш товщих і іншого складу пакетах відсутнє і має бути в перспективі подальших дослі- джень. Тому у галузі зберігається основна тенденція у пошуку нових конструк- тивно-технологічних рішень (КТР) для АК із ПКМ, що потребує додаткового вивчення режимів їх обробки (свердління, фрезерування, точіння тощо). Так, у роботі [13] експериментально досліджено вплив геометрії спірального свердла та параметрів процесу свердління пакету з вуглепластику та алюмінієвих спла- вів товщиною 3,6 мм. В якості визначальних параметрів для дослідження цього процесу було обрано швидкість подачі, швидкість шпинделя, первинний зазор, передній кут, задній кут, кут нахилу гвинтової канавки, кут нахилу поперечної кромки і кут при вершині різця. Однак з восьми виконаних комплексних експе- риментів було підтверджено як адекватний лише один з найкращою комбінаці- єю параметрів свердління, точності діаметра отвору, шорсткості поверхні отво- ру. З практичної точки зору такі комплексні дослідження в порівнянні з аналі- тичним моделюванням, як пропонується в [10], більш достовірні, але коштовні і потребують спеціального обладнання. У роботі [14] порівняно результати ана- літичного моделювання в ANSYS з натурними експериментами зі створення свердлінням отворів в склопластику. Однак слід зазначити, що в даній роботі якість отворів оцінено шляхом встановлення залежностей геометричних пара- метрів отворів та їх розташування в зразках з утвореною зменшеною міцністю ПКМ вздовж отвору. Незважаючи на позитивні результати в [14], вони недоста- тні для оцінювання якості отвору по таким важливим параметрам як шорсткість та точність отвору в АК із ПКМ. На думку авторів [15], запропонований спосіб електроімпульсного свердління дозволить вирішити проблему обробки ПКМ
Not
a reprint
(розтріскування матриці, розшарування і розриви волокна) та підвищить точ- ність та шорсткість отворів АК із ПКМ. Цей спосіб можна розцінювати як нове КТР для свердління отворів в ПКМ, але відсутні дані щодо незрізання волокон та розшарування ПКМ на вході та виході отвору. Очевидно утворення незріза- них волокон та розшарування ПКМ пов’язано з його складною будовою і зале- жить від різноманітності схем армування. В роботі [16] ця проблема вирішена на прикладі свердління вуглепластику товщиною 8 мм свердлом із новим КТР з розташуванням в ньому допоміжних різальних кромок паралельно осі в порів- нянні зі стандартним SECO SD290A-7.963. Завдяки новому КТР свердла забез- печується висока якість отвору в ПКМ за показниками шорсткості та руйнування вздовж отвору. Однак на підтвердження цього КТР не наведені відповідні методи- ки та розрахунки і тому потребує подальших досліджень для різних властивостей, схем армування, товщин ПКМ тощо. Тому є підстави вважати, що недостатня тео- ретична та практична визначеність залежностей параметрів якості поверхні отвору (точність та шорсткість) від структури ПКМ при свердлінні обумовлюють необ- хідність проведення комплексних досліджень в цьому напрямку.
3. Мета та задачі дослідження
Мета дослідження – забезпечення заданих якості, геометричної точності та шорсткості отвору АК з ПКМ. Це дасть можливість гарантувати високі статич- ну міцність, ресурс, надійність та ефективність складання АК з ПКМ.
Для досягнення мети були поставлені наступні завдання:
– встановити характерні зони контакту при свердлінні отвору в ПКМ з урахуванням кінематичної схеми контакту свердла з поверхнею ПКМ;
– розрахувати потрібні зусилля для процесу свердління та параметри шор- сткості при свердлінні ПКМ;
– провести експериментальні дослідження з усадки отвору ПКМ із встано- вленням характерних зон.
4. Матеріали та методи досліджень 4. 1. Об’єкт та гіпотеза дослідження
Об’єктом дослідження є отвори в авіаційних конструкціях із полімерних композиційних матеріалах. Дослідження базуються на загальних гіпотезах тео- рії машин і механізмів.
Процес лезвійної кругової обробки внутрішньої поверхні суцільного мате- ріалу зі зняттям стружки за допомогою ріжучого інструменту – свердла, що здійснює обертальний і поступальний рухи щодо своєї осі, називається сверд- лінням отворів.
Процес свердління та утворення отвору в АК із ПКМ досліджуються за кі- нематичним методом визначення обгинаючих сімейства поверхонь.
Кінематичний метод визначення обгинаючих сімейства поверхонь – це створення сімейства поверхонь, які утворюються в результаті певного руху за- даної поверхні [17].
Якщо поверхня D здійснює рух і утворює обгинаючи поверхні I, то харак- теристику в загальному виді можна визначити як лінію, в кожній точці якої ве-
For
reading
only
ктор відносної швидкості направлений по дотичній до поверхні D [18]. Аналі- тично це положення записується таким чином:
0 .
N V (1)
Тобто скалярний добуток вектору нормалі N поверхні D і вектору швид- кості V відносного руху поверхні D в точках характеристики Е, розташованої на поверхні D, має дорівнювати нулю. Отже, характеристика Е залежить не тільки від форми і розмірів поверхні D, а й від рухів, які вона робить. При різ- них рухах характеристика Е може визначатися, виходячи з властивостей час- тинних рухів. Рухи поверхні деталі можуть бути приведені до миттєвого пря- молінійно-поступального, обертового або гвинтового руху. Так, якщо довільна поверхня D здійснює поступальних рух, то крива контакту (характеристика Е) буде геометричним місцем точок цієї поверхні, для яких нормаль до поверхні D лежить в площині, перпендикулярній осі миттєвого поступального руху.
4. 2. Предмет дослідження
Предметом дослідження є формування геометричної точності та шорст- кості отворів свердлінням в авіаційних конструкціях із полімерних компози- ційних матеріалах.
Формування геометричної точності та шорсткості отворів свердлінням в АК із ПКМ забезпечується за рахунок формоутворення зони обробки деталі пі- сля видалення припуску з заготовки. Припуск видаляється частинами у вигляді стружки. Дослідження формоутворення геометричної точності та шорсткості отворів свердлінням в АК із ПКМ базується на побудові кінематичних схем фо- рмоутворення зон обробки деталей.
Проєктування різальних інструментів охоплює визначення вихідних пове- рхонь І, спряжених з поверхнею D деталі, та перетворення тіла, обмеженого по- верхнею І, у працездатний різальний інструмент. Визначаючи вихідну поверх- ню та відповідні різальні інструменти, необхідно розглядати різні варіанти ру- хів поверхні деталі D відносно інструменту [18].
Сукупність рухів поверхні інструмента відносно деталі вважатимемо кіне- матичною схемою формоутворення.
З погляду процесу формоутворення зони обробки деталі немає різниці якими поєднаннями рухів заготовки та інструменту отримано на верстаті відно- сний рух. Так, при свердленні отворів на токарному та свердлильному верста- тах форма оброблюваної поверхні деталі виходить ідентичною, хоча гвинтовий рух свердла відносно заготовки в обох випадках забезпечується поєднанням різних рухів інструмента та деталі.
Обираючи різні рухи поверхні D відносно інструмента при визначенні ви- хідної поверхні І, можна утворювати різні кінематичні схеми формоутворення.
Обертальний та поступальний рухи свердла, швидкість якого перпендикулярна до осі обертання, відносять процес свердління до другого класу, першого типу схеми формоутворень поверхонь.
Not
a reprint
5. Результати досліджень заданої геометричної точності та шорсткості отвору в конструкціях із композитів
5. 1. Встановлення характерних зон контакту при свердлінні отвору в полімерному композиційному матеріалі
5. 1. 1. Аналіз кінематики лезвійної обробки отворів
Процес утворення стружки при любої лезвійної обробці отвору в ПКМ з вуг- лецевого волокна та склопластика значною мірою відрізняється від лезвійної об- робки отворів в металах, де утворюється в основному зливна стружка [15]. Для розуміння повної картини утворення стружки при лезвійної обробці ПКМ розгля- немо кінематичну схему утворення стружки ПКМ ріжучим клином (рис. 1).
а
б
Рис. 1. Зображення кінематичної схеми утворення стружки при лезвійної обро- бці полімерного композиту ріжучим клином: а – створення стружки незноше-
ним різцем; б – створення стружки зі зношеним різцем
Набутий досвід різання ПКМ підтверджує, що зсув здеформованого мате- ріалу ПКМ відбувається під кутом β45° [17]. На рис. 1 позначені наступні по-
For
reading
only
зиції клину: β – кут сколювання стружки; α – задній кут; γ – передній кут; r – радіус ріжучого інструменту; t – глибина різання; ОКМО – контур деформу- вання зони ПКМ; h3 – довжина зношення по задній грані; δо – величина пружної деформації композита (1…2) %.
Під час руху в напрямку відносно волокна зі швидкістю V на передній по- верхні ріжучого клину утворюється зона деформації матеріалу в контурі ОК- МО. Під дією сил різання пиловидна стружка утворюється шляхом відколю- вання ПКМ в зоні ОКМО.
Слід зазначити, що при роботі свердлом зі зносом по задній поверхні при hз>0,3 мм (рис. 3, б), з’являються розшарування, тріщини та відколи ПКМ без- посередньо в товщі матеріалу під клином. Особливо це стосується свердлінню в напрямку перпендикулярному армувальним волокнам.
При лезвійної обробці ПКМ у процесі утворення стружки відбувається по- рушення цілісності поверхневого шару, який істотно впливає на точність і шор- сткість, а в подальшому – на експлуатаційні властивості: міцність, ресурс, воло- гопоглинання тощо.
Важливим фактором в процесі лезвійної обробки ПКМ є розташування рі- жучого клину інструмента відносно орієнтації волокон наповнювача та розта- шування ріжучого клину відносно структури матеріалу ПКМ.
Кінематична схема дії сил різання і площина зсуву стружки при деформу- ванні ПКМ поперек волокон наведені на рис. 2.
Рис. 2. Зображення кінематичної схеми дії сил різання і площина зсуву стружки при деформуванні полімерного композиту поперек волокон
На рис. 2 позначені наступні позиції: 1 – ріжучий клин; 2 – матриця; 3 – наповнювач (волокна); V – швидкість різання; b – ширина леза клину; NB, NM – нормальні зусилля у волокні і матриці; σв, σм – напруження, що виникають у волокні і матриці; ОКСD – площа зсуву стружки (S3). В залежності від сили стискання Рст змінюються сили тертя Рх, що змінюють інтенсивність зносу ін- струмента за розміром h3. Ріжучий інструмент – клин 1 задньою поверхнею (у
Not
a reprint
тому числі h3), під тиском складової сили різання Р (сума сил Рх, Py, Pz), контак- тує з волокнами 3 матриці 2 та відрізає їх. Одночасно формується шорсткість оброблюваної поверхні.
5. 1. 2. Аналіз кінематики процесу свердління отворів
Нижче проаналізовано вплив кінематики руху інструменту на сили різан- ня, геометрію ріжучого клину та шорсткість отвору, враховуючи той факт, що різні деформаційні зусилля у ПКМ сприймаються в основному волокнами. Для спрощення аналізу зазначено характерні зони різання А, В, С, D (рис. 3).
Рис. 3. Умовна схема сил різання діючих у полімерному композиті при сверд- лінні: Рх, Ру, N – зовнішні зусилля різання; Радг, – зусилля зчеплення волокна з
матрицею
При обертанні свердла ріжучий клин контактує з волокнами композита, при цьому у точках з кутами φ від 0°до360° відбувається зміна зусиль розтягу- вання на зусилля стиснення, де φ – кут обертання свердла. В зонах кутів А, В, С, D інструмент задньою поверхнею контактує по максимальній еліпсоїдній площині з волокнами, тобто по площині зрізу, що впливає на шорсткість та збі- льшує інтенсивність зносу ріжучого клину. У зонах контакту інструмента з ку- тами φ=90° і φ=270° за допомогою зусиль різання Ру відбувається зсув волокон
For
reading
only
перпендикулярно їх розташуванню та утворенню тріщин. При свердлінні отво- рів при φ=0° і φ=180° шари ПКМ, які попадають на різальну кромку, піддають- ся місцевій деформації на згин, що є також причиною розтріскування та розша- рування матеріалу навколо отвору. Загалом розтріскування та розшарування спостерігаються частіше при невеликих осьових зусиллях та невеликих товщи- нах незрізаного шару ПКМ. У роботах [17–19] наведено фізика виникнення мі- кротріщин за рахунок зусиль різання, що діють в зоні деформації поверхневого шару матеріалу.
Розмір отвору в ПКМ і шорсткість його поверхні визначаються кінемати- кою руху в оброблюваному матеріалі (рис. 4). В зоні контакту задньої поверхні ріжучого клину з ПКМ, що має структуру з різними характеристиками міцнос- ті, розвивається високий контактний тиск і температура. Внаслідок цього вини- кають великі дотичні напруження, які визивають міжшарові руйнування (трі- щини) поверхні ПКМ та пружинення ПКМ після різання на δ0.
Рис. 4. Кінематична схема утворення тріщин поверхневого шару композиту: 1 – ріжучий клин зі швидкістю V; 2 – матриця; 3 – волокно; 4 – зона утворення трі-
щини біля волокон
Правильно підібрані сили різання ПКМ дозволяють ріжучому клину кон- тактувати за мінімальною площею, що дорівнює площі зсуву по діаметру воло- кна. При цьому забезпечується точність заданих розмірів, покращується шорст- кість, у порівнянні з другими зонами різання. Якщо контактна площа ріжучого клину збільшується по задній грані, де hз>0,3 мм, то сили різання зменшуються за рахунок збільшення сили тертя і якість поверхні погіршується. При цьому не забезпечується точність заданих розмірів отвору та шорсткість.
На рис. 5 наведено графік розподілу сил різання Рх, N, Ру, діючих на волок- на. У межах зон А (φ=0°…90°)і С (φ=180°…270°) на волокна наповнювача при зрізуванні діють зусилля стиснення. Ріжучий клин задньою поверхнею вдавлює волокна в матрицю матеріалу. За такою схемою контакту інструмента зменшу- ються сили різання і покращуються показники якості поверхні, зменшується шорсткість поверхні, збільшується точність обробки. В зонах В (φ=90°…180°) та D (φ=270°…360°) під дією сил різання передбачається невисока якість пове-
Not
a reprint
рхні, що оброблюється. Це спостерігається в зменшенні дійсних виконавчих розмірів отвору та у збільшені утворення тріщин і шорсткості порівняно з зо- нами різання А і С.
Рис. 5. Графік дії сил різання Рх, N, Рст на волокна
У зонах кутів φ близьких до φ=90° і 270° нормальні сили N прагнуть до нуля, а стискаючі збільшуються до Рх. Така зміна сил різання позитивно впливає на процес різання. У цих зонах відбувається поперечний зсув волокон, а контакт рі- жучого клина з волокном по задній поверхні відбувається по мінімальній площі, що знижує абразивне зношування і сприяє підвищенню стійкості інструменту.
Витягування волокон наповнювача з матриці може бути у зонах В і D та пояснюється на значному збільшенні сил різання N над адгезійними Pадг та тан- генціальними зусиллями зчеплення , тобто N>>Pадг.
5. 2. Розрахунки потрібних зусиль різання та висоти шорсткості при свердлінні полімерних композиційних матеріалів
5. 2. 1. Аналіз класичних типів свердел, що використовують для свер- длінні полімерних композитних матеріалів
Нижче розглянуто найпоширеніші типи свердел, які використовують для свердління отворів в АК із ПКМ, конструктивно-геометричні параметри яких наведено у табл. 1.
Найпростішу конструкцію має перове свердло. Основною перевагою перо- вого свердла (П) є простота конструкції, а недоліком – погане відведення стру- жки із зони різання. Найбільш розповсюджений тип – спіральне свердло (С) ві- дрізняється від перового тим, що плоскі передні поверхні лез перетворені на гвинтові поверхні, що спрощує відведення стружки при свердлінні. Спіральне свердло з підрізною ріжучою кромкою (ПРК) не має ріжучої частини в центрі свердла, що полегшує позиціювання над центром отвору та забезпечує високу чистоту поверхні для ПКМ. Однак при затупленні свердла ПРК, розшарування
For
reading
only
та розшматування інтенсивніше, ніж для традиційного спірального свердла з кутом при вершині 90°.
Таблиця 1
Конструкторсько-геометричні параметри свердел
Тип свердла Марка
Конструкторсько-
геометричні параметри Допусти- ма вели- чина зно- шення, мм d,
мм ɣ,
° α,
°
2φ,
° β, °
P18 5 18 15 110 – 0,25
BK8 5 18 15 110 – 0,25
P18 5 18 12 120 45 0,26
Процес свердління згідно до теорії різання матеріалів, є загальним випад- ком косокутового різання. Для схеми косокутового різання вектор швидкості не перпендикулярний ріжучій кромці та утворює деякий кут з нею за рахунок кі- нематики руху у зоні стружкоутворення. При цьому, статичні кути заточки све- рдла, відносно оброблювальної поверхні матеріалу змінюються у сторону зме- ншення кутів γ, α. На рис. 6 наведено зміни статичних кутів (γN, αN – кути по нормалі і γV, αV – кути в площині різання ріжучого клину) для перового та спі- рального типів свердел для скло- і вуглепластиків.
З графіку зміни статичних кутів заточки при кінематиці обертання свердла видно, що кут α завжди позитивний в порівнянні з γ (рис. 6). Слід зауважити, що основне призначення кута α є зменшення зусилля тертя, яке виникає при свердлінні не тільки ПКМ, а й металу. Основна функція кута γ полягає у відве- денні стружки, тому його значення можуть бути як позитивними, так і негатив- ними, і залежать від властивостей матеріалу. Зі збільшенням діаметру отвору кути α і γ зменшуються.
Експериментальні дослідження зі свердлення скло- та вуглепластиків по- казує, що найкращі показники якості отворів у ПКМ отримуються свердлами типу С та П з кутами α більше, ніж 10 [18]. Отвори малого діаметра (менше 10 мм) в ПКМ виконують свердлами з кутом заточення 2φ (рис. 6, б). Отвір ді- аметром більше 10 мм слід попередньо розсвердлити діаметром свердла 5…6 мм з відповідними кутами α і γ (рис. 6, а), а потім поступово розсвердлю- вати свердлами збільшених діаметрів до заданого розміру отвору. В сукупності кути α і γ допомагають виконувати роботу свердла – лезвійне оброблення пове- рхні ПКМ, формуючи параметри її якості, тобто якості отвору в ПКМ. При ви-
Not
a reprint
борі режимів свердління слід враховувати існуючі рекомендації і емпіричні співвідношення параметрів свердел рекомендованих виробниками.
а б
Рис. 6. Зображення графіку зміни статичних кутів заточки при кінематиці обер- тання перового або спірального свердел: а – в залежності від величини радіуса свердла R; б – вздовж ріжучої кромки; △ і ● – позначення значень кутів по нор- малі до ріжучого клину; □ і ○ – позначення значень кутів в площині різання рі-
жучого клину
Для забезпечення заданої геометричної точності отвору важливо правильно призначити допуски на геометрію інструменту. Якщо точність виготовлення гео- метричних параметрів істотно не впливає на точність оброблення, то відхилення кутів робочої частини інструменту призначають ±1…2. Для малих кутів (до 3) відхилення дорівнює ±30. Якщо точність виготовлення інструменту впливає на точність деталі й на тривалість експлуатації інструменту, то допуск ще менший.
Наприклад, відхилення на кути α і γ зуборізних гребінок становить ± 10 [17].
5. 2. 2. Розрахунок потрібних зусиль різання
Розрахунок потрібних зусиль різання базується на припущенні, що механі- чні властивості ПКМ низькі при поперековому навантаженні до волокон та при зрушенні ПКМ вздовж волокон. Низькі механічні властивості ПКМ поперек волокон пояснюються недостатньою міцністю сполучника та армуючих воло- кон на границі розділу компонентів.
Теоретично механічні характеристики компонентів ПКМ у напрямку ар- мування визначають за правилом сумішей:
к V в 1 Vв м;
(2)
For
reading
only
к в 1 в м;
Е V Е V Е (3)
к V в 1 Vв м,
(4)
де V, Vв – об’ємний вміст сполучника і об’ємний вміст волокна;
σв, Ев, ρв – граничні напруження, модуль пружності при розтягуванні та щільність волокон;
σм, Ем, ρм – граничні напруження, модуль пружності при розтягуванні та щільність матриці.
Для кожного матеріалу є свої оптимальні значення величини Vв, які дорів- нюють 0,61…0,63 для склопластику та 0,63 … 0,67 – для вуглепластику.
Границя міцності для композиту визначається як
V в 1V м. (5)
У відповідності з кінематичною схемою дії сил різання (рис. 3, 4) напру- ження у волокнах та матриці ПКМ при свердлінні становить:
2 в
2
4 4 s i n ,
s i n
N S N S d i
b t b t
d i
(6)
2
м
2
1 s i n
, s i n 1
N N d i
b t b t
d i
(7)
де S – площа зсуву стружки, мм2;
N – зусилля, що діють вздовж волокна, Н;
i – кількість волокон в межах площі зсуву, шт/мм2; β – кут сколювання стружки, град.;
d – діаметр волокна, мм;
t – глибина різання, мм;
b – ширина ріжучого клина, мм.
Відповідно до (2)–(7) можна розрахувати зусилля в будь-якій точці зони різання з урахуванням кута повороту φ.
5. 2. 3. Визначення шорсткості отвору полімерного композитного матеріалу
Під час одночасного обертання і подачі ріжучого клину на обробленій по- верхні матеріалу утворюються гребінці шорсткості. Нижче проаналізовано кі- нематика утворення гребінців шорсткості (рис. 7).
Not
a reprint
Рис. 7. Зображення кінематичної схеми формоутворення шорсткості Rz (Rа) На рис. 7 позначені наступні позиції: 1, 4 – точки заходу та виходу ріжучо- го клину інструмента; 1–2–3 та 3–4–5 – точки трикутника для розрахунку вели- чин теоретичної шорсткості R1 з прогнозуванням на загальну шорсткість Rz (Rа); 6–7–8 – точки трикутника щодо розрахунку величини гребнів зминання, Rзм; hзм – зминання/знос по задній грані ріжучого клину, мм; а – а – площа рі- зання (циліндрична поверхня різання умовно розгорнута в площину); ω – кут між радіусами при подачі S/2.
Враховуючи малі значення кута ω і подачі S, приймаємо наступне: пряма між точками 3 та 4 перпендикулярна у точці 5 до радіуса свердла. При цьому допущені висоти шорсткості R1, без урахування зношеності ріжучого клину дорівнює
1 .
2 R S
t g
(8)
Площину шорсткості обмежену за допомогою геометричної побудови точ- ками 6–8 назвемо гребнем шорсткості. З малою долею похибки, приймаємо, що кут нахилу прямої 7, 8 дорівнює куту ω (рис. 9).
З урахуванням величини зносу ріжучого клину по передній площині hп та кі- нематики руху наступним за попереднім ріжучим клином формується зниження висоти шорсткості R1 на величину зминання гребнів шорсткості Rзм, яка дорівнює
з м
з м t g .
2
R h (9)
Загальна геометрична висота шорсткості, з прийнятими припущеннями, при свердлінні дорівнює
For
reading
only
з м
з м
t g t g 1 t g ,
2 2 2
Z о
S h
R S h (10)
де δо – величина усадки ПКМ при свердлінні, мм. Величина усадки ПКМ δ для склопластиків та вуглепластиків мізерно мала, тому в розрахунках шорсткості для точності отвору з квалітетом 11–12 нею можна знехтувати. Для отворів 7–8 квалі- тетів бажано враховувати усадку, яку встановлюють експериментальним шляхом.
5. 3. Аналіз впливу усадки на геометричну точність отвору в полімер- ному композиційному матеріалі
Класичне уявлення зі свердлення отворів в ПКМ складається з низької швидкості подачі та високої швидкості різання, що збільшують якість поверхні отвору, знижуючи ризики утворення розшарування. Однак при низькій швид- кості подачі і високій частоті обертання свердла з’являється інтенсивний нагрів у зоні різання, що провокує термічну деструкцію матриці і погіршення сверд- ління і усадку ПКМ в зоні оброблення. Прийнято вважати, що коефіцієнт усад- ки для ПКМ знаходиться в межах 2…20 % [17, 18]. Параметр усадки для кож- ного типу ПКМ різний та найбільш достовірні його показники встановлюються експериментальним шляхом. На рис. 8 наведено графік залежності усадки отворів діаметром 6 мм в вуглепластику в залежності від швидкості свердління для трьох типів свердел С, П та ПРК. Заміри геометрії отворів виконані за до- помогою координатно-вимірювальною машиною Faro Fusion Arm (США).
Рис. 8. Графік залежності усадки отворів Δ у вуглепластику в залежності від швидкості свердління V [20]
Аналіз даних графіка дозволив стверджувати, що
– при свердлінні вуглепластику свердлами ПРК утворюються отвори з мі- німальною усадкою Δ;
Not
a reprint
– при збільшенні швидкості різання V до 100 м/хв відбувається незначне зниження усадки отворів;
– при свердлінні перовими свердлами утворюється максимальна усадка отворів (до 0,25…0,30 мкм).
На рис. 9 представлено циклограму усадки отворів у вуглепластику сверд- лами С, П та ПРК за характерними зонами різання А, В, С, D, де Δ – для ПРК, – для С, ○ – для П.
а
б
Рис. 9. Циклограми усадки отворів у вуглепластику за характерними зонами різання А, В, С, D: а – кругова; б – розгорнута
Результати експериментальних досліджень з усадки отворів діаметром 6 мм в АК із вуглепластику показали їх ідентичність результатам теоретичних досліджень з розподілу зон А, В, С, D (рис. 3). З циклограми (рис. 9, а) видно, що розподіл усадки від 0° до 360° відбувається відповідно розподілу сил різан- ня діючих в ПКМ при свердлінні (рис. 5). Мінімальна усадка спостерігається в
For
reading
only
діапазонах від 0° до 90° і від 180° до 270°, а максимальна – від 90° до 180° і від 270° до 360°. Так у межах зон роботи свердла від 0° до 90° і від 180° до 270°
зменшуються сили різання, що саме і поліпшує показники усадки, якості пове- рхні, шорсткості та геометричної точності отвору в ПКМ. В зонах від 90° до 180° і від 270° до 360° – навпаки збільшуються сили різання, що пояснює неви- соку якість поверхні в цих діапазонах. Слід зауважити, що тенденція усадки отворів у вуглепластику за характерними зонами різання А, В, С, D однакова для всіх дослідних свердел П, С і ПРК.
Виходячи з результатів експериментальних досліджень з усадки отворів із вуглепластику діаметром 6 мм можна надати наступні рекомендації:
– найбільш ефективним типом свердел серед досліджених П, С та ПРК для забезпечення якості отвору в ПКМ є ПРК;
– для компенсації усадки при свердлінні отвору типами свердел П та С слід використовувати розмір свердел на 0,01…0,025 мм більше, ніж указано в кресленні;
– для отримання отворів без усадки пропонується використовувати сверд- ла-розгортки, що реалізують процес свердління з розгортанням. Номінальний розмір розгортки слід обирати на 0,01…0,03 мм більшим, ніж номінальний ро- змір заданого отвору.
6. Обговорення результатів досліджень щодо забезпечення заданої ге- ометричної точності та шорсткості отвору
Встановлені характерні зони контакту свердла та поверхні отвору в ПКМ з урахуванням кінематичної схеми контакту свердла та поверхні ПКМ дозволили проаналізувати та спрогнозувати зону деформації матеріалу. Встановлено, що зона деформації для утворення стружки знаходиться в зоні ОКМО (рис. 3).
Стружка утворюється шляхом відколювання ПКМ в зоні ОКМО під клином і не тільки на вході і виході свердла, як показано в роботі [9]. Встановлення зони деформації ОКМО дає розуміння стартової зони для розшарування, тріщин та відколів ПКМ в товщі матеріалу і в перпендикулярному напрямку армувальних волокон.
Відповідно до кінематичної схеми контакту свердла та поверхні ПКМ спрощується розуміння кінематики руху інструменту та утворення сили різан- ня, геометрії ріжучого клину і якості та шорсткості отвору ПКМ. Кінематика руху свердла в ПКМ, що описана за характерними зонами різання А, В, С, D (рис. 5), доповнює запропоновану в [10] методику і може бути використана для уточнення аналітичної моделі.
Дійсно, з рис. 5 видно, що в зонах кутів А, В, С, D інструмент задньою по- верхнею контактує по максимальній площині з волокнами ПКМ, що впливає на шорсткість та збільшує інтенсивність зносу ріжучого клину. У зонах контакту інструмента з кутами φ=90° і φ=270° відбувається зсув волокон перпендикуля- рно їх розташуванню та утворенню тріщин. При свердлінні ПКМ при φ=0° і φ=180° шари композиційного матеріалу, які попадають на різальну кромку під- даються місцевій деформації на згинання, що є причиною розтріскування та розшарування матеріалу навколо отвору. Загалом розтріскування та розшару-
Not
a reprint
вання спостерігаються частіше при невеликих осьових зусиллях та невеликих товщинах незрізаного шару ПКМ. Витягування волокон наповнювача з матриці може бути у зонах В і D та пояснюється значним збільшенням сил різання N над адгезійними силами Pадг та тангенціальними зусиллями зчеплення , тобто N>>Pадг. Це не розходиться з даними роботи [13], автори яких експерименталь- но встановили зони деформації ПКМ при свердлінні вуглепластику з алюмінієм товщиною 3,6 мм. Такі висновки можуть вважатися за доцільні з практичної точки зору, тому що дозволяють обґрунтовано підходити до встановлення па- раметрів свердління, точності діаметра отвору та шорсткості його поверхні.
Особливість запропонованого підходу щодо розрахунків потрібних зусиль різання та визначення якості і шорсткості отвору в ПКМ полягає в тому, що він базується на:
– врахуванні усадки отворів в ПКМ, що в сукупності з напрацюваннями роботи [14], дозволить оцінювати якість отворів не тільки за параметрами шор- сткості та геометричної точності отвору в ПКМ, а й за параметрами міцності;
– комплексному підході щодо якості отвору в ПКМ, який засновано на першочерговому аналізі кінематики руху інструменту в ПКМ. Це може бути використано для уточнення результатів електроімпульсного свердління [15]
щодо їх уточнення особливо для незрізаних волокон та розшарування ПКМ на вході та виході з отвору;
– використанні класичних типів свердел таких, як: П, С та ПРК і може бути використаним і для стандартного свердла SECO SD290A-7.963 і свердла з но- вим КТР роботи [16].
Слід зазначити, що представлений у даній статті розрахунок потрібних зу- силь різання виконується відповідно до встановленої кінематичної схеми дії сил різання (рис. 1, 2) і не враховує знос свердла. Це проявиться, в першу чергу, в збільшенні сил тертя при свердлінні та погіршенні якості поверхні отвору в ПКМ. Вирішенням проблеми можуть бути подальші дослідження в автоматич- ному регулюванні параметрів свердління різних за товщиною і діаметрами та складів АК з ПКМ.
7. Висновки
1. Проведеними дослідженнями встановлено особливості та характерні зо- ни контакту при свердлінні отвору в ПКМ з урахуванням кінематичної схеми контакту свердла та поверхні ПКМ. Встановлено, що у межах зон роботи свер- дла від 0° до 90° і від 180° до 270° зменшуються сили різання і покращуються показники якості поверхні, шорсткості та геометричної точності отвору в ПКМ.
В зонах від 90° до 180° і від 270° до 360° – навпаки передбачається невисока якість поверхні, що оброблюється. Це спостерігається в зменшенні дійсних ви- конавчих розмірів отвору та у збільшені утворення тріщин і шорсткості, порів- няно з зонами різання А і С.
2. Запропоновано розрахунок потрібних зусиль різання та розрахунок ви- соти шорсткості свердління отворів у ПКМ. Розрахунок потрібних зусиль рі- зання враховує площину зсуву стружки відповідно до встановленої зони дефо- рмації матеріалу від дії роботи клина за кінематичною схемою різання. Розра-
