Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и постановка задач исследований 16
1.1 Актуальность и расширенное применение армированных композитов в различных отраслях и машинах 16
1.2 Основные требования к качеству и производительности процессов механической обработки изделий из армированных полимерных композиционных материалов 25
1.3 Технологические проблемы, возникающие в ходе промышленной реализации процессов механической обработки ПКМ
1.3.1 Методы контроля величины расслоений 32
1.3.2 Регистрация теплообразования и сил резания при обработке армированных ПКМ
1.4 Теоретические методы исследования и модельного описания процессов сверления армированных полимерных композитов 39
1.5 Анализ методов совершенствования технологии сверления армированных ПКМ 44
1.6 Цель и задачи исследования 51
ГЛАВА 2. Теоретические исследования и математическое моделирование процессов механической обработки отверстий в армированном титаном стеклопластике 54
2.1 Моделирование температурных полей в слоистом композите в процессе сверления 54
2.1.1 Общие закономерности теплофизики процессов резания армированных ПКМ осевым лезвийным инструментом 54
2.1.2 Моделирование температурных потоков при сверлении комбинированного материала стеклопластик-титан 56
2.1.3 Анализ результатов моделирования
2.2 Построение и идентификация двухфакторной регрессионной модели зависимости расслоений от режимов обработки 71
2.3 Моделирование результатов экспериментов по расслоениям с использованием искусственных нейронных сетей 73
Выводы к главе 2 77
ГЛАВА 3. Методика проведения экспериментальных исследований 79
3.1 Технологическое оборудование 79
3.2 Приборы и приспособления экспериментальных исследований 80
3.3 Образцы для экспериментальных исследований 83
3.4 Методика сравнительных экспериментов по стружкообразованию 86
3.5 Методика измерения величины расслоений 89
3.6 Методика определения точности обработанных отверстий 90
3.7 Методика определения шероховатости поверхности 91
3.8 Методика измерения крутящего момента резания
3.8.1 Принцип работы и калибровка прибора регистрации и записи крутящего момента 92
3.8.2 Методика спектрального анализа крутящего момента
3.9 Методика измерения температуры в зоне резания 98
3.10 Методика исследования влияния нагрева образцов в процессе резания на свойства материала 101
3.11 Методика обработки экспериментальных данных расслоений методом сопряженных градиентов 103
3.12 Методика обработки экспериментальных данных расслоений с использованием искусственных нейронных сетей 105
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования процесса сверления армированного титаном стеклопластика 109
4.1 Исследование процесса стружкообразования 109
4.2 Влияние процесса стружкообразования, режимов обработки и геометрии инструмента на величину расслоений 118
4.3 Сопоставление результатов моделирования экспериментальных данных линейными двухфакторными зависимостями и искусственными нейронными сетями 134
4.4 Исследование виброактивности процесса сверления и его влияние на качество обработки и стружкообразование 146
4.5 Микрогеометрия поверхности отверстия, обработанного осевым инструментом 157
4.6 Исследование точности обработанных отверстий 160
4.7 Исследование теплообразования 161
4.7.1 Экспериментальное измерение температуры в зоне резания 161
4.7.2 Исследование влияния повышения температуры в зоне резания на
термофизические характеристики обрабатываемого материала 163
Выводы к главе 4 164
ГЛАВА 5. Практическое применение результатов исследований 166
5.1 Разработка технологических рекомендаций 166
5.2 Техника безопасности при работе со стеклопластиками 170
Заключение 172
Список использованных источников 175
- Основные требования к качеству и производительности процессов механической обработки изделий из армированных полимерных композиционных материалов
- Моделирование температурных потоков при сверлении комбинированного материала стеклопластик-титан
- Методика измерения величины расслоений
- Микрогеометрия поверхности отверстия, обработанного осевым инструментом
Введение к работе
Актуальность темы.
Производство новых летательных аппаратов (ЛА) требует
постоянного совершенствования, разработки и внедрения новых материалов
и технологических процессов, обеспечивающих постоянно растущие
требования к качеству и эксплуатационной надежности. Ответом на эти
требования стало расширяющееся в последние 20 лет применение
полимерных композиционных материалов (ПКМ) в авиационных
конструкциях.
Большое число особо ответственных авиационных конструкций из
полимерных композиционных материалов подвергается механической
обработке, в частности, для получения крепежных отверстий,
обеспечивающих крепление композитной конструкции (лопасти несущих и
рулевых винтов, стабилизаторы, крылья и т.п.). Эти конструкции называются
в авиации особо ответственными, что означает просто исключительную
важность в обеспечении надежности и живучести летательного аппарата. В
такие крепежные отверстия запрессовывается стальная втулка,
предварительно охлаждаемая до углекислотных температур, причем
требования к надежности ее установки очень жесткие. Обеспечение их
возможно за счет высокой точности отверстия, малых высотных параметров
шероховатости, отсутствия расслоений и локального ослабления
механических свойств связующего.
Сложность обеспечения этих требований обусловлена в первую очередь тем, что высокопрочные полимерные композиты, особенно, армируемые металлическими слоями, являются многокомпонентными дискретными материалами и характеризуются:
-
Низкой теплопроводностью армирующих стеклонитей, резание которых вызывает повышенный износ и затупление режущих кромок инструмента.
-
Зависимостью фазового состояния материала связующего от температуры, что затрудняет удаление стружки из отверстия и к деградации свойств связующего и материала в целом при нагреве.
-
Невозможностью использования смазочно-охлаждающих жидкостей в виду предрасположенности ПКМ к влагопоглощению.
-
Обусловленностью свойств композита адгезией связующего к металлу, которая ослабляется при нагреве, сопровождающем резание.
-
Резким различием механических свойств и обрабатываемости титана и полимерного композита, что вызывает смятие титановой фольги, расслоения.
Эти трудности, сопровождающие процессы механической обработки
несущих композитных конструкций, которые все более широко
используются в авиационной технике, кораблестроении, автомобилестроении
и других отраслях обусловили проведение интенсивных научных
исследований ведущими научными школами и промышленными корпорации
Италии, Франции, США, Германии и т.д., с рядом которых поддерживался
взаимный обмен информацией при выполнении настоящего исследования. В
России аналогичные работы проводились научной группой Иркутского
государственного технического университета в интересах научно-
производственной корпорации «Иркут».
Установлено, что определяющими факторами, влияющими на качество финальной операции обработки рассматриваемых отверстий, являются геометрия инструмента, режимы обработки, определяющие точность, шероховатость, виброактивность процесса, возникновение и технологическое наследование расслоений, деградации свойств связующего, нарушение сплошности материала. Используемые в современной технике полимерные композиты многообразны, что определяет необходимость специфического подхода к анализу процессов обработки каждого нового класса материалов.
Рассматриваемый в работе процесс сверления высокопрочного слоистого композита типа стеклопластик-титан представляет собой наиболее сложный и ранее неизученный процесс, что определяет научную актуальность и практическую важность выполненного исследования, которое имеет стратегическое значение для отечественного авиастроения.
Цель и основные задачи диссертационного исследования.
Целью работы является совершенствование процесса сверления
многослойного полимерного композита типа «стеклопластик-титан»,
выявление характерных особенностей и рекомендаций по его
обрабатываемости.
Для достижения поставленной цели, необходимо решить следующие задачи:
-
Теоретические и экспериментальные исследования теплообразования в зоне резания, разработка и реализация методик компьютерного моделирования распространения тепла в стеклопластике, армированном слоями титановой фольги; определение критических температур, приводящих к деструкции термореактивных связующих.
-
Исследование возможностей разработки и обучения искусственных нейронных сетей в качестве моделей, обеспечивающих адекватный прогноз качества процессов сверления ПКМ типа «стеклопластик-титан».
-
Выявление закономерностей стружкообразования, его влияния на показатели качества, и разработка на этой основе рангового критерия, характеризующего процесс пакетирования и удаления стружки.
-
Экспериментальное исследование виброактивности и стабилизация процесса сверления за счет снижения колебаний силовых составляющих процесса резания.
-
Выявление влияния конструктивно-геометрических параметров инструмента на качество и стабильность процесса сверления, определение оптимальных углов заточки и соответствующих им режимов обработки.
-
Разработка и апробация в условиях серийного авиационного предприятия практических рекомендаций по обработке отверстий в особо ответственных конструкциях из армированных металлом полимерных композитов.
Объектом диссертационного исследования являются процессы и
технологии механической обработки отверстий в высокопрочных
стеклопластиках, армируемых слоями титановой фольги.
Предметом исследования являются факторы, влияющие на
точность, качество и производительность процесса сверления в
комбинированных материалах типа «стеклопластик-титан», численные модели теплообразования, оптимальная геометрия инструмента и ее влияние на стружкообразование, виброактивность процесса резания.
Научная новизна и результаты, выносимые на защиту.
Впервые разработана методика ранжирования степени пакетирования стружки, характеризующая его влияние на величину расслоений и качество обработанной поверхности. Получены количественные зависимости влияния углов заточки инструмента и режимов обработки на виброактивность и стружкообразование в процессе резания. Впервые определены области оптимальных режимов обработки и геометрических параметров режущей части сверла при обработке высокопрочных стеклопластиков, армированных титаном. На основе экспериментальных исследований теплообразования при сверлении отверстий в смешанных пакетах типа «стеклопластик-титан» и в результате динамического ДСК сканирования используемых связующих установлены закономерности распространения тепла и определены условия достижения критических температур, вызывающих деградацию свойств материала при сверлении.
Методы исследования.
Теоретические исследования базируются на основных положениях технологии машиностроения, теории вероятностей и математической статистики, теории нейронных сетей и градиентных методов нелинейной оптимизации, численных методах решения уравнений математической физики методами конечно-элементного моделирования. Статистическая обработка экспериментальных данных выполнялась с помощью прикладной программы инженерных и научных расчетов Mathcad. Формулировка и
численное решение задачи теплопроводности, моделирующей процесс сверления армированного композита, выполнены методом конечных элементов средствами пакета Comsol Multiphysics. Разработка и исследование работы искусственных нейронных сетей проведено с помощью программного модуля Neural Network Toolbox, входящего в состав пакета MATLAB. Используя модуль Curve Fitting Toolbox среды MATLAB, выполнен спектральный анализ колебаний крутящего момента резания, характеризующего виброактивность процесса сверления.
Теоретическая значимость работы заключается в разработке математического описания и конечно-элементной реализации модели распространения тепла при сверлении армированного титаном стеклопластика с периодической неоднородностью теплофизических свойств. Исследована и экспериментально обоснована эффективность применения элементов искусственного интеллекта на базе нейронных сетей в качестве средств прогноза качества процесса обработки.
Практическая значимость работы.
Экспериментально выявлено и обосновано определяющее влияние первого перехода сверления на качество высокоточных отверстий при их выполнении в армированных титаном стеклопластиках. Получены зависимости для прогнозирования параметров качества отверстий в зависимости от режимов обработки и конструктивно-геометрических параметров инструмента. Разработаны прошедшие апробацию практические рекомендации по методике проектирования процессов механической обработки осевым инструментом армированных стеклопластиков.
Апробация работы.
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях и научных форумах:
Международная научно-техническая конференция «Перспективные направления развития технологии машиностроения и металлообработки» (Ростов-на-Дону, 2013).
12-я Международная конференция «Авиация и космонавтика - 2013» (Москва, 2013).
Международная научно-техническая конференция «Наукоемкие комбинированные и виброволновые технологии обработки материалов» (Ростов-на-Дону, 2013).
Юбилейная конференция студентов и молодых ученых, посвященная 85-летию ДГТУ (Ростов-на-Дону, 2015).
Международный научный симпозиум технологов-машиностроителей «Интегрированные и виброволновые технологии в машиностроении, металлообработке и других отраслях (Ростов-на-Дону, 2015).
Международный молодежный форум «Будущее авиации и космонавтики за молодой Россией» (Рыбинск-Москва-Жуковский, 2015).
VI Всероссийская научно-техническая конференция молодых специалистов, посвященная 90-й годовщине образования ОАО «УМПО» (Уфа, 2015).
XI Ежегодная научная конференция студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра Российской академии наук (Ростов-на-Дону, 2015).
Конкурсные работы, представленные по результатам исследования, были отмечены звания Победитель конкурсов: Ростовского отделения Российской инженерной академии на лучшую работу по фундаментальным и прикладным проблемам современной техники (Ростов-на-Дону, 2013-2015); «Вертолеты XXI века» в номинации «Разработка новых технологий изготовления авиационных конструкций» конкурса (Москва, 2015); «Молодежь и будущее авиации и космонавтики» в номинации «Математические методы в аэрокосмической сфере» (Москва, 2015); Всероссийского инженерного конкурса (Москва, 2015); и лауреат конкурса «Будущее авиации и космонавтики за молодой Россией» в рамках Международного авиасалона «МАКС-2015» (Жуковский, 2015).
Публикации
По результатам диссертационного исследования опубликовано 14 работ, в том числе, 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Внедрение результатов.
Полученные в диссертации научные и прикладные результаты прошли апробацию в условиях лопастного производства ПАО «Роствертол», что подтверждено актом промышленных испытаний и использованы при выполнении плановых НИОКР Южного научного центра Российской академии наук (2014-2016 г.г.) и при выполнении гранта Российского фонда фундаментальных исследований 15-08-00849А.
Структура и объем работы.
Диссертация включает в себя введение, пять глав, заключение, библиографический список из 125 источников, приложения. Основное содержание работы изложено на 199 страницах и содержит 133 рисунка и 13 таблиц.
Основные требования к качеству и производительности процессов механической обработки изделий из армированных полимерных композиционных материалов
С активным внедрением ПКМ в производство возникает необходимость их механической обработки [34]. С целью достижения высокого качества и производительности резания необходимо учитывать физико-механические свойства композитов, которые принципиально отличаются от характерных свойств металлов и определяют специфические особенности обработки полимерных материалов.
Одной из важных задач является получение соединений композит металл крепежными элементами (болты, заклепки) через отверстия, обработанные осевым инструментом. Механическая обработка отверстий более сложный процесс по сравнению с обработкой наружных поверхностей вращения, так как жесткость инструмента ограничена размерами отверстия, осложнен отвод стружки из зоны резания и обрабатываемая поверхность закрыта от визуального контроля. Сверление отверстий в слоистых армированных ПКМ сопровождается большим количеством технологических проблем: образование характерных только для механообработки композитов дефектов, невозможность использовать смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ), усадка отверстий, повышенный износ режущего инструмента, сложность получения отверстий высокого качества ввиду низкой адгезионной связи наполнителя со связующим. Характерными дефектами при сверлении отверстий в композитах являются расслоения, разлохмачивания, сколы, растрескивания, термические повреждения и оплавления полимерной матрицы, микротрещины между волокном и связующим [23-26, 53, 55, 73]. Наиболее опасные и часто встречаемые из них расслоения [90, 98, 100, 101, 105-107, 112, 113, 116, 117, 122]. Образуются они в местах входа и выхода сверла из отверстия (рис. 1.2.1). В работах Kilickap [105, 106] и Shyha [115] отмечено, что на входе в отверстие преобладают разлохмачивания, на выходе – расслоения. Величина дефектов для каждого изделия из ПКМ строго регламентируется. Расслоения снижают усталостную прочность изделия [30, 121, 91], провоцируют повышенное влагопоглощение в виду нарушения целостности поверхности [63]. Поскольку отверстия служат для получения болтовых соединений композит-метал и композит-композит, немаловажной характеристикой надежности сборки является прочность на смятие. Durao [95] экспериментально доказал, что снижение предела прочности на смятие связано с увеличением расслоений. Данный вывод подтвержден Khashaba в работе [104].
Использование полимерных композитов в конструкциях современной авиационной техники ограничивается недостаточной изученностью совместного сверления комбинированных пакетов ПКМ-метал [23, 125]. Техническая реализация существенно затруднена по причине взаимных противоречий в требованиях к режимам обработки, стратегиям, подходам и геометрическим параметрам режущего инструмента [70].
Стружкообразование при сверлении металлов происходит за счет пластических деформаций, вызывающих повышение температуры до 1000С [24]. При обработке композитов ввиду хрупкости матрицы и наполнителя пластические деформации очень малы, перегрев происходит в основном за счет трения поверхностей инструмента и композита. Теплопроводность полимеров значительно ниже теплопроводности металлов. Поэтому существенная часть образующегося в зоне резания тепла отводится в инструмент, значительно меняя соотношение теплового баланса. Долю этого тепла можно вычислить выражением [31]:
3= Лс , (1.2.1) Лс+Лп где сЛп - коэффициенты теплопроводности стали и полимера соответственно.
Расчеты авторов [31, 57, 84, 85] показывают, что от 95 до 99,8% тепла отводится в инструмент, тогда как при обработке металла основная его часть покидает зону обработки вместе со стружкой. Хотя такие инструментальные материалы как быстрорежущие стали выдерживают без заметного ухудшения режущих свойств температуру 550С, значительная концентрация теплоты на режущих кромках инструмента влияет на интенсивность износа. Повышение температуры в зоне резания до значений температуры стеклования ПКМ вызывает оплавление полимерной матрицы и образование прижогов на обработанных поверхностях [99, 71]. Термические повреждения снижают межслойную прочность и прочность по границе раздела волокно-эпоксидная смола, что в свою очередь ведет к образованию расслоений, сколов и разлохмачиваний [34]. Ввиду высокой адсорбционной способности и низкой влагостойкости ПКМ использование СОЖ не допускается [21, 24, 108, 63, 107, 110, 111]. Кроме того, металлы имеют в десятки раз большую теплопроводность по сравнению с полимерами и в случаи их совместной обработки тепло может распространяться на значительные расстояния от зоны резания, вызывая образование дефектов на границе композит-металл.
Характеристика процесса сверления отверстий в полимерных композиционных материалах во многом определяется свойствами наполнителя. Стекло- и углеволокна имеют высокую твердость и истирающую способность, что вызывает повышенный абразивный износ и округление режущих кромок (рис. 1.2.2). Износ увеличивает контактные силы трения по задней поверхности сверла, что влечет за собой повышение температуры в зоне резания и образование расслоений [101, 104, 115]. В работах [63, 57, 21] отмечено преобладание абразивного износа над всеми остальными.
Моделирование температурных потоков при сверлении комбинированного материала стеклопластик-титан
Специфика свойств полимерных композиционных материалов определяет и особенности тепловых явлений их механической обработки. Так, теплостойкость армированного стеклопластика ВПС-7 составляет 285С. Превышение значения этого температурного порога во время сверления отверстий приводит к резкому ухудшению свойств обрабатываемого материала, термодеструкции и разложению полимерного связующего, образованию дефектного слоя.
Теплота, образующуюся при резании ПКМ, может быть описана в общем виде выражением (2.1.1) и является результатом работы деформаций, трения стружки и обрабатываемой детали о переднюю и заднюю поверхности инструмента, механических превращений полимера, диспергирования армирующих волокон [63]: 0 = Одеф. +Q т . п. +Q т.з. +Q м.х. +дисп. , (2.1.1) где Q деф . - тепло от деформаций в условной плоскости сдвига; Q т . п . - тепло от трения стружки о переднюю поверхность; Q т . з . – тепло от трения обрабатываемой детали о заднюю поверхность; Q - тепло от механохимических превращений полимера; Q дисп . – тепло от диспергирования армирующих волокон. Если пренебречь количеством теплоты от диспергирования армирующих волокон и учесть большие контактные явления по задней поверхности инструмента, то мощность источников теплоты по данным Дрожжина [16], в среднем составят: деф 15%, т п 10%, Q т з «60%, Q м х «15%. Таким образом, основным источником теплоты являются контактные явления и трение по задней поверхности инструмента. Отверстия, получаемые на этапах механической обработки осевым инструментом, условно можно отнести к закрытым поверхностям. В этом случае сверло и деталь соприкасаются друг с другом на большом участке обрабатываемой поверхности. Стружка полимерного композита относительно длительное время находится в контакте с инструментом и деталью ввиду особенностей ее образования и наличия процесса пакетирования, что вызывает вторичный теплообмен - передача части температуры из зоны резания через стружку к обрабатываемому материалу и сверлу [54, 55].
Можно сделать вывод, что тепловые процессы при механообработке ПКМ и металлов количественно и качественно отличаются друг от друга. Хотя количество выделяющегося тепла при сверлении отверстий в композитах значительно меньше, чем у металлов, условия резания хуже. Низкая теплопроводность полимеров вызывает значительное повышение температуры в тонком поверхностном слое глубиной не более 0,3 мм и резко снижается при удалении от линии среза [21].
В представленной работе стеклопластик ВПС-7 имеет сложную схему армирования (рис. 1.1.8) - толщина слоев композита, расположенного между титановой фольги составляет менее 0,5 мм. Следовательно, будет наблюдаться температурное взаимодействие ВПС-7 со сплавом ОТ4-0-0,1, а теплофизические свойства обрабатываемого комбинированного материала будут отличаться и от свойств полимера, и от свойств металла. Наряду с анизотропией самого стеклопластика добавляется проблема изменения физико-механических, химических и теплофизических свойств комля лонжерона в направлении осевого перемещения сверла. Обладающий гораздо большей теплопроводностью титан в сравнении с ПКМ будет прогреваться на значительные расстояния от зоны резания, воздействуя на удаленные слои композита и снижая межслойную прочность по границе стеклопластик-титан. В связи с отсутствием аналитических методик расчета теплообразования при сверлении многослойных пакетов стеклопластик-титан и невозможностью контроля температуры экспериментальным путем в удаленных от зоны резания участках лонжерона необходимо провести компьютерное моделирование распространения температурных потоков. Это позволит спрогнозировать зоны повышенного выделения тепла и повысить эффективность технологической операции сверления [74, 82].
Осесимметричная модель теплообразования при сверлении комбинированного пакета усиления стеклопластик-титан, представленного на рис. 1.1.8,б главы 1, формулировалась на основе уравнения теплопроводности - дифференциального уравнения в частных производных (PDE), решаемого методом конечных элементов (FEM) в среде COMSOL Multiphysics [19, 71]. Достоинством данного программного продукта являются встроенные физические режимы, где коэффициенты PDE задаются в виде теплофизических свойств материала: теплопроводность, теплоемкость, коэффициенты теплопередачи, объемная мощность тепловых источников, граничных, начальных условий и т.п. Преобразование этих параметров в коэффициенты математических уравнений происходит автоматически. Поэтому применение COMSOL Multiphysics исключительно эффективно в инженерных приложениях. Взаимодействие с системой возможно как стандартным способом – через графический интерфейс пользователя (GUI), либо программированием специализированных модулей на языке скриптов COMSOL Script или языке MATLAB.
Методика измерения величины расслоений
В экспериментах по исследованию пакетирования и стружкообразованию использовались сверла 15 мм производства ПАО «Роствертол» с различной геометрией режущей части: стандартное сверло и сверла с двойной заточкой (СДЗ) тип 1 и тип 2 с подточенными премычками (рис. 3.4.1). Стружечные канавки СДЗ полированы для снижения трения с выводимой стружки [69]. Варьируемыми параметрами были режимы обработки, значения которых представлено в таблице 3.4.1. Вид и характер образующейся стружки регистрировался снимками с помощью цифровой фотокамеры Canon EOS 1200D 18-55DC Kit.
Матрица исследованных режимов сверления Скоростьрезания,м/мин 7,5 7,5 7,5 12 12 12 19 19 19 Подача, мм/об 0,2 0,6 0,8 0,2 0,6 0,8 0,2 0,6 0,8 Проблема пакетирования стружки при обработке отверстий в армированном стеклопластике в зарубежной и отечественной технической литературе практически не освещена. Автором предложена методика по качественному определению степени пакетирования. Серия опытов с различными режимами обработки и заточкой инструмента позволила сформировать общие закономерности пакетирования и стружкообразования, характерные для обработки армированного титановой фольгой композита ВПС-7 [72].
После выхода сверла из отверстия обработка прерывалась (скорость резания и подача равнялись нулю) и инструмент выводился в режиме ручной подачи. Пакетирование стружки определялось визуально и соответствовало четырем степеням: I - пакетирование отсутствует. II-небольшое пакетирование. Пакеты стружки располагаются в основном в одной из двух стружечных канавок, при выводе сверла из отверстия обсыпаются. III-пакетирование. Пакеты стружки присутствует в обеих стружечных канавках, но их плотность невелика Под небольшой плотностью понимается, что при выводе сверла размеры пакетов стружки увеличиваются незначительно. Следовательно, силы контактного взаимодействия стружки и обработанной поверхности отверстия невелики.
Рис. 3.4.2 Пакетирование стружки IV степени IV- сильное пакетирование. Стружка располагается в стружечных канавках сверла плотными пакетами, которые не обсыпаются без внешнего воздействия (рис. 3.4.2). При выводе инструмента из отверстия слышен скрежет, показывающий о наличии сильного взаимодействия и царапании обработанной поверхности титановой стружкой. После вывода пакета из отверстия, под воздействием сил упругости его размеры увеличиваются в несколько раз. Это говорит о том, что пакеты стружки упруго зажаты в отверстии и распирают его изнутри.
Форма расслоений на входе-выходе при сверлении отверстий в комбинированном материале - стеклопластике ВПС-7, армированном титановой фольгой ОТ4-0-0,1, имеют геометрически правильную форму, близкую к окружности. Применение формулы расчета величины расслоений по отношению номинального и поврежденного диаметров, представленной в работах [87, 97, 98, 105, ПО, 115] нецелесообразно, поскольку полученное значение не дает явного представления о размерах дефекта. Поэтому измерение величины расслоений d рационально вести по формуле (3.5.1) Khashaba [34], основанной на определении разницы между максимальным радиальным размером поврежденного участка R max и номинальным радиусом отверстия Rном d = Rmax-Rном (3.5.1) Данный метод контроля использовался в лабораторных условиях на вырезанных образцах комля лонжерона при помощи микроскопа MarVision ММ220 (рис. 3.5.1,а).
Применение этого типа измерительного микроскопа на целом изделии (лонжерон ЛНВ) не представляется возможным. Для внутрицехового измерения расслоений и контроля обработанных отверстий в лонжероне без необходимости его снятия со станка, рекомендовано вести с помощью компактного переносного микроскопа МПБ-2 по представленной на рис. 3.5.1,б схеме. Достоинством данного метода является возможность получения размеров дефектов прямым измерением без математических вычислений, что в определенной мере снижает влияние человеческого фактора и вероятность ошибки.
Измеренные величины дефектов заносились в таблицу. Анализ экспериментальных данных выполнен методами статистической обработки результатов наблюдений [14], так как любое значение исследуемого параметра, вычисленное на основании ограниченного числа опытов, всегда содержит элемент случайности. В качестве оценки математического ожидания случайной величины – величины расслоений, использовалось среднее арифметическое значение. Затем оценивалась статистическая дисперсия случайной величины, на основании которой в предположении нормальности распределения строились доверительные интервалы с уровнем достоверности 0,95 в среде Mathcad [90, 91].
Микрогеометрия поверхности отверстия, обработанного осевым инструментом
Такие параметры и характеристики процесса сверления как крутящий момент, осевая сила, качество обработанных отверстий, количество выделяющегося тепла, износ и условия работы инструмента в значительной степени зависят от стружкообразования. Наибольшее влияние на тип и характер образования стружки и, как следствие, на силы резания, качество обработанных отверстий оказывают угол при вершине сверла, толщина среза и свойствами обрабатываемого материала [9, 72, 76].
В технической литературе нет данных по обрабатываемости сложно слоистых гетерогенных композиций типа стеклопластик-титан со схемой армирования аналогичной комлевой части лонжерона ЛНВ [78]. Особенностью механообработки армированного ВПС-7 является прерывистость процесса резания, когда режущие кромки сверла перерезают то особо твердые армирующие стеклянные волокна, то менее прочное полимерное связующее, то вязкую и труднообрабатываемую титановую фольгу. Таким образом, происходит периодическое изменение механических и теплофизических свойств материала, а также характеристик его обрабатываемости при осевом перемещении инструмента.
Поэтому видится актуальным проведение практических экспериментов по выявлению общих закономерностей сверления и стружкообразования данного комбинированного материала. На рис. 4.1.1–4.1.9 представлены снимки процесса стружкообразования в зависимости от конструктивно-геометрических параметров режущей части инструмента и режимов обработки [77].
При использовании сверл с геометрией по ГОСТ на режимах v = 7,5м/мин, s = 0,2 мм/об (рис. 4.1.1,а) наблюдается пакетирование III степени, сливная стружка титана и небольшое количество стеклопластика интенсивно наматываются на сверло. СДЗ тип 1 (рис. 4.1.1,б) показало полное отсутствие пакетирования (I степень). Большая часть стружки беспрепятственно покидает отверстие. Пакетирование II степени на данных режимах обработки присутствует при использовании СДЗ тип 2 (рис. 4.1.1,в).
Двойная заточка с малыми углами при вершине (2tp = 70, 2tp = 35) позволяет получить стружку малого сечения за счет меньшей величины среза, и, как следствие, пакеты стружки менее плотные, чем у стандартного инструмента. На режимах v = 7,5м/мин, s = 0,6 мм/об сверло со стандартными углами заточки и СДЗ тип 2 (рис. 4.1.2,а,в) показали III и IV степень пакетирования соответственно. У СДЗ тип 1 (рис. 4.1.2б) эвакуация стружки из зоны резания происходит более активно, пакетирование отсутствует (I степень).
Стандартное сверло и СДЗ тип 2 на режимах обработки V = 7,5м/мин, 5 = 0,8 мм/об (рис. 4.1.3а, в) показали практически идентичные результаты -IV степень пакетирования. Различна плотность пакетов - у сверла с двойной заточкой типа 2 она меньше. Имея большее сечения титановой стружки у сверла по ГОСТ, из зоны резания она поднимается практически вертикальным столбом и за счет своей массы и энергии воздействует на обработанную поверхность и кромку отверстия (место врезания сверла), оставляя повреждения. СДЗ тип 1 (рис. 4.1.3б) показало промежуточные результаты. С одной стороны намотка стружки на инструмент аналогична двум другим сверлам, а с другой пакеты стружки небольшой плотности присутствуют только в одной стружечной канавке, что соответствует II степени пакетирования.
Сверла с двойной заточкой тип 1 и тип 2 на режимах у = 12м/мин, 5 = 0,2 мм/об (рис. 4.1.4б,в) показали пакетирование // степени. Обработка сопровождается образованием большого количества мелкодисперсных in пылевидных частиц стеклопластика. Стандартное сверло (рис. 4.1.4а) имеет IV степень пакетирования.
Для режимов v = 12м/мин, s = 0,8 мм/об (рис. 4.1.6) характерно пакетирование IV степени для всех типов заточки сверл. Увеличенное значение подачи влечет за собой образование титановой стружки большого сечения. Выходя из зоны резания вертикальным столбом, царапает обработанную поверхность, скалывает кромки вокруг отверстия.
Наихудший результат СДЗ тип 1 относительно двух других заточек показало в сочетании маленькой подачи и большой скорости резания: v = 19м/мин, s = 0,2 мм/об. На данных режимах двойная заточка типа 1 (рис. 4.1.7б) не обеспечивает необходимого дробления и отвода стружки из зоны резания, что влечет за собой пакетирование IV степени. У стандартного сверла (рис. 4.1.7а) плотность пакетов меньше, пакетирование III степени. Пакетирование у СДЗ тип 2 (рис. 4.1.7в) практически отсутствует (I степень).