Повышение эффективности лезвийной обработки композиционных углепластиков на основе учета их физико-механических характеристик

Современный технический прогресс требует от применяемых конструкционных материалов высоких эксплуатационных свойств. Существующие материалы, в том числе металлы и их сплавы, не в состоянии удовлетворить возросшие требования по прочности, износостойкости, долговечности. На смену традиционным материалам приходят композиционные материалы. Достоинства композитов: высокие удельные прочностные и упругие характеристики, стойкость к агрессивным химическим средам, низкие теплои электропроводность, хорошие триботехнические характеристики (имеют низкий коэффициент трения, высокую износостойкость способны работать в режиме сухого трения), а также они экологичны. Все эти свойства позволяют применять их в промышленности и на транспорте. К таким материалам, применяемым в современном машиностроении, относят композиционные углепластики марок ФУТ и УГЭТ. Работы над созданием данных материалов начались с 70 г. XX в. Использовались данные материалы в основном в оборонной промышленности. Была разработана технология изготовления композиционных углепластиков с различной структурой и свойствами. Большой вклад в развитие данных композиционных материалов сделал ФГУП «Прометей». С наступлением в стране рыночных отношений на рынок конструкционных материалов поступило большое количество материалов, в число которых попали и композиционные углепластики ФУТ и УГЭТ. Данный материал относится к углепластикам триботехнического назначения, и используется в узлах трения энергетических установок и транспортных машин, где немалую роль играет качество и точность контактирующих поверхностей. Качество поверхностного слоя характерезуется не только шероховатость обработанной поверхности, но и физико-механические параметры, наличие инородных вкраплений, прожогов, трещин и других дефектов.

Заготовительные операции не в состоянии обеспечить требуемой точности и качества поверхности, поэтому приходится использовать дополнительные способы механической обработки. Процесс механической лезвийной обработки углепластиков в настоящее время практически целиком не изучен. Применительно к современному авиаи судостроению известны некоторые работы, в которых рассмотрены частные вопросы механической обработки композиционных материалов. Для расширения спектра использования углепластиков в различных отраслях народного хозяйства необходимо разработать эффективные технологии механической обработки данных композиционных материалов. Основное трудности заключаются в отсутствии методики оценки работоспособности режущего инструмента, что весьма актуально при обработке заготовки с большими габаритами, где размерный износ инструмента значительно влияет на точность всего изделия в целом. Так же нет четкого алгоритма, который бы позволил с приемлемой достоверностью определить параметры качества механически обработанной поверхности. Отсутствует также подробное рассмотрение процесса взаимодействия заготовки и инструмента в процессе резания. Нельзя безусловно применить принципы процесса резания металлов и их сплавов к композиционным углепластикам что связано с отличием структуры обрабатываемого материала. Углепластик — это композит, состоящий из полимерной матрицы и угольного волокна. Нельзя отдельно рассматривать процесс резания полимера и угольного волокна. При решении этой задачи необходим комплексный подход. Анизотропия требует многогранного рассмотрения процесса резания с учётом не только двухфазного строения композита, но и направления армирующих волокон. Способ армирования в основном и предопределяет анизотропия свойств. Природа процесса резания будет различной в зависимости от направления приложения силы резания относительно обрабатываемой поверхности.

Режимные параметры обработки в свою очередь зависят от обрабатываемого материала. Так для получения поверхностей с низкой шероховатостью необходима малая подача и высокая скорость резания. Однако повышение скорости резания может привести к повышенному выделению тепла и его концентрации в зоне контакта в силу низкой теплопроводности материала заготовки и снимаемой стружки и деструкции материала заготовки. Процессы, проходящие в зоне контакта, оказывают существенное влияние на качество обрабатываемой поверхности и износ инструмента. Износ инструмента в данном случае будет зависеть от триботехнических, химических и агезионных процессов, протекающих в зоне контакта заготовки и инструмента. Для решения данной задачи необходимо изучить свойства обрабатываемого материала, по возможности использовать опыт по обработке аналогичных материалов, имеющих сходную структуру и свойства, что и является целью данной работы.

Цель работы. Основной целью исследований, выполненных в работе, является повышение эффективности лезвийной механической обработки заготовок из композиционных углепластиков на основе моделирования процесса резания с дифференцированным учетом их физико-механических характеристик.

В работе была поставлена совокупность следующих частных задач:

1. На базе накопленного опыта расчетно-экспериментальных работ синтезировать информативно-содержательную модель процесса резания лезвийным инструментом в качестве основы для проведения комплекса исследований.

2. Разработать экспресс-методы, определения качества лезвийной механической обработки, учитывающие, с необходимой полнотой физико-механические характеристики материала заготовки — композиционного углепластика и инструментального материала на основе имитационного моделирования упругопластической задачи при контактном взаимодействии инструмента с заготовкой.

3. Разработать эффективные методики и предложить соответствующие средства производственных испытаний физико-механических характеристик углепластиковпровести исследования напряженно-деформированного состояния обработанного поверхностного слоя композиционного материала.

4. Выполнить комплекс экспериментальных исследований с целью обоснования и достоверной оценки правильности предложенных в работе технических решений.

5. Разработать автоматизированную систему приспосабливаемости (адаптации) лезвийной обработки к условиям производства с целью обеспечения рациональных режимов резания с дифференцированным учетом физико-механических характеристик композиционных углепластиков.

6. Выполнить технико-экономический анализ эффективности внедрения в промышленности разработанных методик и средств, направленных на повышение производительности и качества лезвийной обработки заготовок из композиционных углепластиков.

Объект исследования. Объектом исследования в диссертации является процесс лезвийной обработки композиционных углепластиков с заданными производительностью и качеством обработанной поверхности.

Методы исследований, достоверность и обоснованность результатов. В работе использованы основные положения динамики технологических систем механической обработки, основные положения теории резания и изнашивания инструментальных материалов, методы системного анализа и математической статистики, оптимизации динамических параметров пары «инструментальный — обрабатываемый материал». Теоретические положения и выводы, подтверждены экспериментально и положительными результатами применения в производственных условиях. Достоверность результатов исследования контактных взаимодействий режущего лезвийного инструмента с композиционным углепластиком подтверждена удовлетворительным соответствием результатов с основополагающими решениями, полученными в работах по процессам резания неметаллов, как собственных, так и результатами исследований других авторов. Технические решения подтверждены соответствующими техническими актами, приложенными в работе.

Основные положения выносимые на защиту:

1. Разработанную методику экспериментального определения упругого последействия композиционного материала на заднюю поверхность лезвийного режущего инструмента.

2. Методику оценки триботехнических характеристик пары «инструментзаготовка из композиционного углепластика».

3. Модель процесса разрушения композиционного углепластика, учитывающую с необходимой полнотой физико-механические характеристики обрабатываемого материала и особенности процесса лезвийной обработки.

4. Реологическую модель разрушения композиционного углепластика в процессе резания лезвийным инструментом.

5. Алгоритм выбора рационального способа лезвийной обработки композиционных углепластиков.

6. Полученные результаты экспериментальных исследований на основе Научная новизна. Предложена научно обоснованная модель процесса лезвийной обработки точением композиционных углепластиков в качестве основы для выполнения комплекса исследований по достижению заданной размерной точности обработки, качества поверхностного слоя и выбора эффективных методов повышения производительности механической обработки.

Применен новый экспресс-метод определения физико-механических характеристик поверхностного слоя обрабатываемого материала методом внедрения алмазного индентора в соответствующую поверхность.

На основе предложенной модели разработан алгоритм адаптации лезвийной обработки заготовок из композиционных углепластиков типа тел вращения, позволяющий на этапе проектирования механической обработки учесть влияние на процесс резания основных физико-механических характеристик обрабатываемого материала. Установлены зависимости между глубиной внедрения индентора и характеристиками напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя, влияющего в дальнейшем на эксплуатационные свойства изделий после механической обработки.

Практическая ценность работы. Разработанная система программной адаптации токарной обработки заготовок из композиционного углепластика позволяет обеспечить высокую производительность обработки при жестких ограничениях по размерной точности и качеству поверхностного слоя.

Система работает совместно со стендами и машинами трения, измерительно-вычислительными комплексами (ИВК) «Твердость», «Профиль», «Latimet Automatic» а также с приборами и комплексами оценки основных физико-механических характеристик традиционными методами испытания, позволяющими с необходимой полнотой оценить состояние поверхностного слоя обработанных изделий.

Личный вклад автора. В диссертации изложены результаты исследований, полученные автором самостоятельно, а также совместно с сотрудниками ПИМаш — В. М. Петровым, Е. Н. Белецким, С. Н. Безпальчуком.

При этом лично автору принадлежат:

• выбор и обоснование направления исследованийпостановка задач и разработка методологии исследованийпланирование и проведение экспериментальных работ, связанных с оценкой физико-механических свойств композиционных углепластиков, экспериментов на металлорежущем оборудовании и комплексной оценки параметров качества на приборах и ИВК;

• синтез реологической модели разрушения композиционного углепластика в процессе резания лезвийным инструментом в качестве основы для проведения последующих исследований;

• обобщение результатов экспериментальных исследований, построение на их основе моделей и установление основных закономерностей исследуемых процессов;

• разработка и внедрение алгоритма повышения эффективности механической лезвийной обработки заготовок из композиционных углепластиков.

Реализация результатов. Предложенные методы комплексной оценки физико-механических свойств композиционных углепластиков с целью выбора рациональных режимов резания, повышение эффективности механической обработки и качества обработанной поверхности заготовок. Результаты нашли применение в машиностроении на операциях механической лезвийной обработки (ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей», ОАО «Силовые машины» J1M3, ЗАО Завод «Композит»).

Материалы диссертации внедрены в учебный процесс и использованы при подготовке профилирующих дисциплин на технологическом факультете ГОУ ВПО ПИМаш, таких, как:

• «Резание, станки и инструменты» — по разделу «Обработка лезвийным инструментом композиционных материалов».

• «Взаимозаменяемость и стандартизация» и «Метрология» — по разделу «Методы и средства контроля параметров точности и качества».

• «Основы технологии машиностроения» — по разделу «Влияние параметров точности и качества обработанных заготовок из композиционных материалов на основные эксплуатационные характеристики пар трения».

Апробация работы и публикации. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались в период с 2002 г. по 2006 г. на ряде научно — технических конференций, симпозиумов, совещаний и семинарах: «Полимерные композиты в триботехнике. Проблемы создания и применения. Опыт эксплуатации», С-Петербург, ЦНИИ КМ «Прометей» (2005) — «Современное оборудование и оснастка машиностроительного производства», С-Петербург (2006) — Международном симпозиуме по транспортной триботехнике «Триботехника на транспорте" — «Транстрибо -2005» СПбГПУ, С-Петербург, (2005) — на научно-технических семинарах ПИМаш (2005;2006).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 5 печатных работ.

Объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 110 наименований и содержит 130 страниц текста, включая 12 таблиц, 47 рисунков и три приложения, которые подтверждают работоспособность разработанных алгоритмов и эффективности внедрение результатов диссертационной работы на отраслевом уровне.

11.Основные результаты исследований были внедрены и получили широкую апробацию в условиях действующего производства Филиалом ОАО «Силовые машины» JIM3, в С-Петербурге. ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей», «Завод «Композит».