Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблема повышения эффективности и обеспечения стабильности процессов сверления отверстий в изделиях из полимерных композиционных материалов 12
1.1 Актуальность производства звукопоглощающих конструкций 12
1.2 Конструктивные особенности звукопоглощающих панелей и материала для их изготовления 15
1.3 Анализ альтернативных методов формирования отверстий в звукопоглощающих панелях 21
1.4 Технологические особенности механической обработки полимерных композиционных материалов 22
1.5 Анализ подходов к исследованию процесса резания конструкционных материалов и ПКМ 23
1.5.1 Связь напряжения сдвига при резании с механическими характеристиками обрабатываемого материала 25
1.5.2 Определение усадки стружки и угла сдвига 28
1.6 Режущий инструмент для сверления отверстий в ПКМ 32
1.6.1 Материал режущих лезвий 32
1.6.2 Особенности конструкции и геометрических параметров заточки инструмента 32
1.7 Назначение режимов резания при сверлении ПКМ; 37
1.8 Существующие подходы к описанию силовых характеристик сверления ПКМ 39
1.9 Технологические предпосылки повышения стабильности и качества обработки отверстий в ПКМ 41
1.10 Выводы, постановка цели и задач исследования 45
Глава 2. Теоретическое определение силовых показателей при сверлении отверстий в полимерных композиционных материалах 47
2.1 Теоретическое описание силы стружкообразования 47
2.2 Анализ структурного строения ПКМ 49
2.2.1 Оценка многофазного строения однонаправленных ПКМ 50
2.2.2 Оценка влияния анизотропных свойств композиционных материалов на характеристики стружкообразования 52
2.2.3 Оценка постоянства площади срезаемого слоя полимерных композиционных материалов 58
2.3 Определение силовых факторов при сверлении 63
2.3". 1 Определение суммарного крутящего момента 64
2.3.1.1 Определение угла при вершине для сверл с подрезающими режущими кромками 67
2.3.2 Определение осевой силы 74
2.3.2.1 Нахождение переднего угла 76
2.3.2.2 Определение усадки стружки 79
2.3.2.3 Вычисление нормальной силы на задней поверхности 80
Выводы 89
Глава 3. Конструкторско-технологическая реализация стабилизации процесса сверления изделий из полимерных композиционныхматерилов 90
3.1 Методика назначения параметров компенсирующих колебаний при сверлении ПКМ 90
3.1.1 Определение частоты вынужденных колебаний1. 91
3.1.2 Определение амплитуды вынужденных колебаний 94
3.2 Производственная реализация вибрационного сверления 95
3.3 Конструкция оправки для реализации процесса вибрационного сверления ПКМ 96
Выводы 99
Глава 4. Методика проведения экспериментальных исследований 100
4.1. Основное оборудование и инструмент 101
4.2 Исследуемые материалы и образцы 102
4.3 Методика измерения сил и моментов резания 103-
4.4 Методика исследования вибрационного сверления 108
4.4.1 Аппаратура для реализации процесса сверления с вибрациями... 109'
4.4.2 Методика задания амплитуды колебаний 112
4.5 Методика испытаний сверления с воздушным охлаждением 113
4.5.1 Аппаратура для реализации процесса сверления с охлаждением... 114
4.6 Исследуемые показатели при проведении экспериментов 118
4.7 Методика измерения износа сверл 119
4.8 Исследование качества обработанных отверстий 120
4.9 Условия проведения экспериментов 121
4.9.1 Выбор режимов резания 121
4.10 Математическая обработка результатов экспериментов 122
4.10.1 Математическая обработка результатов полных факторных экспериментов 122
4.10.2 Математическая обработка результатов экспериментов исследования воспроизводимости процессов стабильного сверления ... 126
Выводы 128
Глава 5. Технологические возможности стабилизации процесса сверления полимерных композиционных материлов 130
5.1 Эмпирические зависимости силовых факторов процесса сверления на базе активного эксперимента 130
5.1.1 Получение математической модели осевой силы на основе обработки данных полного факторного эксперимента 131
5.1.2 Получение математической модели суммарного крутящего момента на основе обработки данных полного факторного эксперимента 133
5.2 Исследование воспроизводимости процессов стабильного сверления по результатам экспериментов 143
5.2.1 Оценка статистических показателей замеров осевой силы 143
5.2.2 Оценка статистических показателей замеров суммарного крутящего момента 145
5.2.3 Оценка показателей стойкости 146
5.3 Параметры и условия процесса сверления ПКМ в зависимости от качества обработанных отверстий 151
Выводы 156
Заключение 158
Список литературы 160
Приложение
- Анализ альтернативных методов формирования отверстий в звукопоглощающих панелях
- Оценка влияния анизотропных свойств композиционных материалов на характеристики стружкообразования
- Конструкция оправки для реализации процесса вибрационного сверления ПКМ
- Математическая обработка результатов экспериментов исследования воспроизводимости процессов стабильного сверления
Введение к работе
Развитие авиационной и космической техники связано с расширением применения композиционных материалов, которые обладают высокими физико-механическими, теплофизическими, диэлектрическими характеристиками.
Полимерные композиционные материалы (ПКМ) представляют собой сочетание высокопрочных волокон с матрицей. Матрица обеспечивает монолитность композита, фиксирует форму изделия и взаимное расположение армирующих волокон, распределяет действующие внешние напряжения по объему композита, обеспечивая равномерную нагрузку на волокна и ее перераспределение при разрушении части армирующих волокон. В качестве матрицы используются эпоксидные и полиамидные смолы. Волокна производят из графита, бора, стекла, карбида кремния, сапфира.
Современные методы армирования материалов волокнами впервые стали использоваться в промышленности в 1940-х годах для получения стеклопластиков на основе ненасыщенных полиэфирных смол.
Одни и те же ПКМ, содержащие армирующие волокна, одни исследователи, как например, А.А. Степанов, называет ВКПМ (высокопрочные композиционные полимерные материалы), другие исследователи, как например, О.Г. Цыплаков, называет волокнистыми полимерными композиционными материалами.
ПКМ получили широкое распространение в авиационной промышленности благодаря сочетанию механических, физических и химических свойств. Например, по основным показателям - плотности, модулю упругости, прочности при растяжении, ползучести, усталостной прочности, демпфирующей способности и коррозионной стойкости — ПКМ в диапазоне температур от -60 С до +200 С превосходят алюминиевые сплавы.
Среди ПКМ на органической основе высокой прочностью и модулем Юнга обладает армированная углеродными волокнами смола. Применение
ПКМ на основе углеродных волокон - одно из эффективных средств снижения массы конструкций, обусловленное по сравнению с традиционными конструкционными материалами рядом неоспоримых преимуществ: высокие характеристики прочности и жесткости; стойкость к вибрационным и акустическим воздействиям; свойство сдерживать развитие трещин; коррозионная стойкость изделий; технологичность (возможности создания крупногабаритных конструкций сложной аэродинамической формы и др).
ПКМ обладают способностью поглощать и гасить акустические шумы. Во многом благодаря последнему свойству, из ПКМ (стекло- и углепластиков марок КМУ 4э, КМУ 11э разработанных Всероссийским Институтом авиационных материалов), на Пермском заводе «Машиностроитель» изготавливают звукопоглощающие панели для авиадвигателей серии ПС-90А2.
Конструкции звукопоглощающих панелей содержат огромное количество отверстий. Отверстия в панелях имеют различное назначение (для поглощения шума, крепежных элементов и др.). Традиционное получение отверстий в звукопоглощающих панелях из ПКМ методом сверления - имеет недостатки: низкое качество обработанных отверстий (наличие сколов), низкая стойкость режущего инструмента, малая производительность процесса.
Процесс механической лезвийной обработки углепластиков в настоящее время мало изучен, по целому ряду причин. Углепластики, как новый класс материалов первоначально использовался в оборонной промышленности, этот материал не был доступен широкому кругу исследователей, возникающие вопросы обработки решали частным образом.
Исследования резания неметаллов начались в первой половине XIX века. Теория резания неметаллических материалов заимствовала методы исследования и законы резания из теории обработки металлов и переносила их в практику обработки пластмасс, текстолита и др.
Среди отечественных ученых проводивших исследования обработки пластмасс, т.е. особых классов материалов близким по свойствам к ПКМ, были А.И. Исаев, М.Ф. Семко, П.Р. Родин, Б.П. Штучный, В.И. Дрожжин,
Н.И. Житник. Среди зарубежных ученых следует выделить работы А. Ко-баяши. Исследованию резания стеклопластиков посвящены работы: П.И. Бу-ловского, А.В. Руднева, Р.А. Тихомирова, А.П. Никитина.
Научные вопросы прикладного значения по обработке отверстий в неметаллических слоистых материалах решали Л.С. Кравченко, Н.А. Кришто-па. Наиболее систематизирован материал о различных видах механической обработки ПКМ у А.А. Степанова.
Среди современных исследователей механической обработки углепластиков судостроительного назначения отметим работы В.М. Петрова, О.А. Иванова [47].
Расширение спектра использования углепластиков в различных отраслях народного хозяйства требуют разработки эффективных технологий их механической обработки. Основные трудности заключаются в отсутствии методики назначения режимов обработки, которая позволила бы определить параметры качества механически обработанной поверхности ПКМ. Недопустимо применять подходы к описанию процесса резания металлов к ПКМ, что связано с анизотропными свойствами ПКМ.
Анизотропные свойства ПКМ требуют многофакторного рассмотрения процесса резания с учётом, как многофазного строения ПКМ, TaKvH направления укладки армирующих волокон. Таким образом, анизотропия свойств ПКМ предопределяет особенности процессов, проходящих в зоне контакта, оказывает существенное влияние на качество обрабатываемой поверхности и стойкость инструмента. При решении этой прикладной задачи необходим комплексный подход. На сегодняшний день отсутствуют исследования по прогнозированию и технологическому обеспечению геометрических показателей качества обработанных отверстий методом сверления. Это не позволяет осознанно управлять процессами сверления,с целью обеспечения заданного качества обработки при наивысшей её производительности, а также изыскать пути повышения интенсификации процессов и расширения их технологических возможностей.
Дальнейшее развитие технологий сверления ПКМ, повышения качества и производительности обработки возможно лишь на базе теории, описывающей основные закономерности функциональных характеристик процессов сверления и их связи с формированием качества обработанных отверстий. Отмеченное выше явилось предпосылкой для постановки этой работы, основная цель которой - развитие теории процесса сверления ПКМ, разработка новых усовершенствованных способов сверления, технологическое обеспечение заданных параметров качества и производительности обработки.
В соответствии с указанными целями в работе было выполнено следующее:
аналитически получены выражения для нахождения силовых параметров, являющихся основными функциональными параметрами- (осевая сила, суммарный крутящий момент) при сверлении ПКМ;
разработаны способы стабилизации процесса сверления ПКМ (один способ на основе вибросверления ПКМ с разработанной методикой'определения задаваемых параметров вибраций, второй способ на основе конструк-торско-технологических решений для реализации сверления с охлаждением воздушным потоком);
разработаны практические рекомендации по технологическим параметрам сверления, позволяющих достигать удовлетворительное качество обработанных отверстий изделий из ПКМ.
Решению поставленных в работе задач посвящено 5 глав.
В первой главе показана актуальность производства звукопоглощающих панелей авиационных двигателей из ПКМ, проанализированы существующие и применяемые структуры ПКМ. На основании рассмотрения технологических особенностей обработки резанием изделий из ПКМ на промышленных предприятиях и по данным литературы, определены основные пути совершенствования их обработки:
- повышение качества обрабатываемых отверстий в ПКМ на базе выбо
ра специальной геометрии инструмента;
- использование высокоэффективного способа получения отверстий
(сверление с осцилляциями) на основе разработки особой кинематики реза
ния с вибрациями с учетом строения ПКМ;
- сверления с предварительно охлажденным воздушным потоком.
Вторая глава посвящена теоретическому определению силовых параметров процесса сверления, с учётом строения ПКМ и особенностей геометрии специального инструмента. Решение теоретической задачи позволило > установить пульсирующий характер силовых параметров процесса (осевой силы, крутящего момента), что в последствии позволило реализовать динамическую стабилизацию процесса сверления за счет компенсирующих колебаний.
Третья глава посвящена конструкторско-технологической реализации стабилизации процесса сверления изделий из ПКМ. Разработана методика назначения параметров компенсирующих колебаний при сверлении ПКМ (определение частот и амплитуд вынужденных колебаний). Предложена конструкция оправки для производственной реализации процесса вибрационного сверления ПКМ.
В четвертой главе приводится методика- проведения экспериментальных исследований, для проверки влияния компенсирующих колебаний при сверлении изделий из ПКМ, а также проверки влияния охлаждения воздушным потоком при сверлении. Приводятся описания спроектированного вибрационного стенда, чертежи вихревой трубы и применяемой технологической оснастки.
Пятая глава посвящена результатам экспериментальных исследований. В ней рассмотрен комплекс вопросов, связанных:
с получением эмпирических силовых характеристик на основе полного факторного эксперимента;
с экспериментальными исследованиями эффективности процесса сверления ПКМ с вибрациями и сверления с предварительно охлажденным воздухом;
- с разработкой практических рекомендаций по назначению рациональных параметров режима сверления ПКМ и требований к инструменту.
Научная новизна работы. Совокупность полученных в диссертации научных результатов обеспечивает решение' проблемы технологического обеспечения динамической стабильности сверления ПКМ на базе разработки теоретических основ и новых технических решений конструктивно-технологических средств их реализации.
К ним можно отнести:
Математические модели силовых характеристик (осевая сила, кру
тящий момент)- при- сверлении отверстий в ПКМ с учётом геометрических
параметров специального режущего инструмента и* строения ПКМ. На<осно
ве полученных аналитических выражений установлено,- что осевая сила и
крутящий момент непостоянны в течение времени одного оборота сверла.
Определены пути управления» процессом сверлєнияіПКМ; с целью его стаби
лизации.
' Два новых способа» сверления ПКМ, повышающих качество обработки отверстий: сверление с компенсирующими-колебаниями, и сверление с воздушным охлаждением. На разработанный способ^ сверления ПКМ' с компенсирующими колебаниями подана заявка на патент РФ.
Эмпирические зависимости силовых характеристик при традиционном сверлении углепластиков марки КМУ-Пэ, дополненные поправочным коэффициентом, учитывающим строение ПКМ.
Эмпирические зависимости величины заусенцев вокруг отверстия, при сверлении ПКМ, от величины износа инструмента по задней поверхности.
Практическая ценность работы.
Разработаны- и апробированы методики назначения параметров виб
рационного сверления'ПКМ для получения высокого качества обработанных
отверстий, повышения стойкости режущего инструмента;
Разработано и апробировано технологическое оснащение двух но
вых способов сверления (вибросверления и сверления с охлаждением), по
вышающее стойкость режущего инструмента, улучшающее качество обрабо
танной поверхности.
Даны рекомендации по параметрам режима сверления ПКМ.
Результаты диссертационной работы докладывались в период с 2005 г.
по 2008 г. на научно-технических конференциях: «Аэрокосмическая техника и высокие технологии» г. Пермь, (2005); «XXVI Российская школа по проблемам науки и технологий» г. Миасс, (2006); «Новые материалы и технологии в авиационной и ракетно-космической технике» г. Королёв, (2006); «Материаловедение и технология конструкционных материалов...» г. Волжский, (2007) и др.
Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 14 печатных работах и патенте РФ.
Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы, приложения. Содержит 170 страниц текста, включая 25 таблиц, 81 рисунок, список литературы из 126 наименований.
Анализ альтернативных методов формирования отверстий в звукопоглощающих панелях
В некоторых областях промышленности электрофизикохимические методы обработки полностью вытеснили механическую обработку. Объем внедрения этих методов в промышленности неодинаков. Каждый из них имеет определенные, присущие только ему характеристики, определяющие их применяемость. Электрохимическая обработка применима для обработки тех материалов, которые проводят электрический ток [57, 99]. Среди ПКМ углепластики проводят ток, а стеклопластики - являются диэлектриками, поэтому данная задача указанными методами не решаема.
Светолучевая (лазерная) и электроннолучевая обработки используются для различных материалов. В Самарском филиале Физического института им. П.Н. Лебедева разработаны основы технологий размерной обработки углеродных композиционных материалов с использованием непрерывного и импульсно-периодического лазерного излучения. Но такие методы приемлемы только для углерод-углеродных материалов, не имеющие в основе матрицы полимеров. При лазерной размерной обработке углепластиков может наблюдаться явление деструкции полимеров - разрушение в зоне обработки структуры, вызванное разложением макромолекул под действием тепла, что будет являться технологическим браком.
Самая главная причина ограниченного применения немеханических методов формообразования отверстий, таких как: гидравлической струйной обработки ] или электрофизической обработки, заключается в том, что звукопоглощающие панели, представляют многослойную ячеистую конструкцию, наружную стенку которых необходимо сохранить целостной, т.е. не допускается стенки панели ЗПК перфорировать насквозь (рис. 1.5)v.
Одной из. тенденций современного машиностроения является стремление максимально приблизить заготовку к готовой детали с целью уменьшения объёма работ по её механической.обработке резанием: Однако, несмотря-наэто, именно механическая обработка резанием-до настоящего времени остаётся наиболее распространенным методом изготовления деталей; особенно при получении мелкоразмерных.отверстий диаметром до 3 мм [95]. Таким,образом, вышеперечисленный обзор показывает, что применение механической, обработки резанием при производстве изделий из ПКМ не утратило своей актуальности-и в наши дни. Обработка резанием отверстий в звукопоглощающих панелях из ПКМ имеет следующие особенности: 1. Наличие сколов, разлохмачивания материала в местах входа и- выхода инструмента из отверстий, по причине низкой адгезионной связи наполнителя со связующим. 2. Сложность получения высокого качества обработанной поверхности (отсутствия сколов, расслоения, необходимой шероховатости), из-за ярко выраженной анизотропии свойств, что требует индивидуального подбора режимов резания и.геометрии инструмента. 3. Низкая теплопроводность материала, обуславливающая плохой отвод теплоты из зоны резания (инструмент поглощает 80-90% тепла). 4. Высокие вязкоупругие свойства приводят к нетривиальному явлению -усадке отверстий. 5. Абразивное воздействие твердого наполнителя приводят к интенсивному износу инструмента. Помимо абразивного присутствуют и другие виды износа: механохимический и водородный [101]. 6. Деструкция полимерного связующего при резании. Под действием механических, тепловых нагрузок происходит химическое разрушение наполнителя, такое разрушение характерно при обработке глубоких отверстий. 7. Низкая производительность процесса, из-за невысоких скоростей резания, т. к. ограничено применение смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ), поскольку ПКМ обладают свойством влагопоглощения. 8. Наличие больших площадей контакта по задней поверхности инструмента [27]. Длина контакта на задней поверхности зависит от упругих свойств ПКМ, геометрических параметров инструмента, в том числе его износа на задней поверхности, и практически не зависит от режимов резания. 9. Специфические требования техники безопасности, связанные с выделе нием летучих токсичных частиц материала при резании. Для решения вышеперечисленных задач, необходимо разработать эффективный и производительный способ обработки отверстий.
Оценка влияния анизотропных свойств композиционных материалов на характеристики стружкообразования
Как показано в главе 1, ПКМ имеют ярко выраженные анизотропные свойства. Если металлы, имеющие кристаллическое строение, с определенным допущением можно считать изотропными, то ПКМ, наполнителем в которых являются волокна, обладают анизотропией свойств. Это определяет различие процесса резания, в частности стружкообразования, при механической обработке вдоль основы или вдоль утка армирующих волокон. Схема армирования существенно влияет на качество обработанной поверхности, поэтому при обработке следует учитывать углы армирования волокон.
Угол армирования может варьироваться в очень широком диапазоне. Угол армирования волокон определяет анизотропию свойств, т.к., во-первых, волокна обладают гораздо большей прочностью, по сравнению с матрицей, в которой они размещены. Во-вторых, сами по себе волокна обладают разной прочностью в зависимости от направления нагрузки (по основе, по утку). В-третьих, путём оценки фактического объёмного содержания волокон, по сравнению с матрицей, как показывают расчёты, доля волокон достигает 90%.
Каждый слой ПКМ имеет различные прочностные характеристики: в направлении основы (оси X на рис. 2.6) прочность всегда выше, чем в направлении утка (направлении, перпендикулярном основе), а также иная прочность наблюдается в трансверсальном направлении (по оси Z).
Так для ПКМ, марки КМУ 11 э характерно, что в направлении основы (на Рис. 2.6 б направление ОХ) максимальное напряжение разрыву составляет 1030 МПа, а в направлении утка (на Рис. 2.6 б направление OY), напряжение составляет всего 42 МПа.
Практически наиболее распространенной является ортотропная схема армирования: 0/90о/0/90о (или ±90), т. е. когда слои чередуются: продольно-поперечным направлением основы. Итак, для расчетов сил резания ПКМ, необходимо: 1. Определить величину угла сдвига Ф. 2. Определить величину напряжения сдвига тф.
Степанов А.А. предлагает в качестве величины напряжения сдвига Тф использовать усредненные значения допускаемых напряжений для различных направлений по утку и основе. Но такой метод определения сдвига тф не обладает достоверностью. Кроме того, исследуемые ПКМ марки КМУ-11э и др. имеют ортогональную схему армирования. Поэтому необходимо учитывать направление армирующих волокон по отношению к режущим кромкам в процессе сверления, так как именно прочные волокна определяют усилия резания, а не матрица, в которой они находятся, которая менее прочная по сравнению с волокнами.
Для определения переменной величины напряжения сдвига тф ПКМ можно использовать следующий подход: анизотропность обрабатываемого материала, можно учитывать в выбранной системе координат, путём функциональной зависимости напряжения сдвига от угла поворота инструмента.
При таком подходе, напряжение сдвига тф не будет постоянным T i (e) const, а напряжения сдвига будет определяться как функциональная зависимость тф=ґ((х, 9), где под а принимаем угол укладки волокон (рис. 2.7), а под 9 принимаем угол поворота инструмента (рис. 2.8).
Конструкция оправки для реализации процесса вибрационного сверления ПКМ
Для промышленного использования была разработана вибрационная оправка, чертеж которой приведен на рис. 3.3.
При разработке был учтен опыт инженерных решений для вибрационного резания отечественных ученых: А.И. Маркова [69] и В.Н. Подураева [82], а также японских изобретателей, в частности наиболее яркого представителя среди исследователей вибрационного резания - Д. Кумабэ [64].
Для низкочастотного диапазона колебаний от 0 до 300 Гц подходит электромагнитный вибрационный привод. На рис. 3.3 изображена оправка, на оправке имеется конус В12 ГОСТ 9953 и отверстие М6-7Н, для крепления сверлильного Патрона 8-В12 ГОСТ 8522 поз. 17. В патрон могут устанавливаться сверла диаметрами от 0 до 10 мм. Корпусом 1 - хвостовиком, оправка крепится в шпиндель станка с помощью штревеля (конус Морзе может быть со шпоночным пазом). Штревель, как принадлежность станка 6А75 ВФ1 не показан. Оправка может устанавливаться через соответствующие переходники в любые станки.
Работает оправка следующим образом: вращательное движение оправке передается от шпинделя корпусу 1. Далее крутящий момент посредством штифта 6x24 ГОСТ 3128 16 передается на сердечник 2, причём штифт запрессован в корпусе 1, а в сердечнике 2 выполнен паз, обеспечивающий продольную свободу перемещений вдоль оси оправки.
На сердечнике 2 одета с зазором электромагнитная катушка, которая зафиксирована относительно, вращающейся оправки крепежными пластинами 4, 5. Сердечник составной, его средняя часть выполнена из сортовой электротехнической стали, с малым удельным электрическим сопротивлением предназначенной для изготовления сердечников электромашин - Сталь 20880 ГОСТ 11036-75. На электромагнитную катушку подводится электрический переменный ток, в результате цилиндрическая поверхность сердечника 2 со сверлильным патроном начинает совершать периодические колебания по синусоидальному закону.
С помощью гайки 3 создается-усилие пружины 14, имеющей одинаковую жесткость с пружиной 11 (на выбор 12 или 13 для различных материалов). Таким образом, создаётся равновесное подрессоренное, состояние сердечника, обеспечивающее безударнуюработу оправки.
Усилие пружин 11 и 14 подбирается таким образом, чтобы развиваемого усилия было достаточно для преодоления осевой силы при- сверлении. Расчётная величина осевой силы при сверлении в углепластиках КМУ-Пэ отверстий диаметром 6 5 мм (во 2 главе) была 90 Н, поэтому пружину следует использовать с силой Р2 90 Н, при рабочей деформации. При этом, при, монтаже следует обеспечить серединное положение штифта 16 в пазу сердечника 2.
По ГОСТ 13767-87 [98], была подобрана пружина сжатия Пружина 378, имеющая характеристики: наружный диаметр D=16 мм, диаметр проволоки d=2,2 мм, силой при предварительной деформации Pi =20 Н, силой при рабочей деформации Р2 =100 Н, силой пружины при максимальной деформации Рз =125 Н, жесткостью одного витка Zi=89 Н/мм. 1. Разработана методика назначения параметров компенсирующих колебаний при сверлении ПКМ с целью стабилизации процесса сверления, состоящая в установлении амплитуд и частот компенсирующих колебаний силовых характеристик при сверлении, обусловленных строением ПКМ и назначении вынужденных колебаний в противофазе. В этом случае динамика процесса сверления стабилизируется за счёт сглаживания силовых характеристик (суммарного крутящего момента, осевой силы), как суммы собственных и вынужденных компенсационных колебаний. 2. При решении прикладной задачи обработки отверстий 0 6,5 мм в углепластике КМУ-11э, с ортогональной схемой армирования были получены расчетные параметры компенсирующих колебаний - значения частоты и амплитуды. 3. Для промышленного сверления ПКМ разработана конструкция вибрационной оправки с электромагнитным приводом.
Для экспериментальной проверки и подтверждения гипотезы о положительном влиянии вибраций при сверлении изделий из ПКМ, необходимо провести комплексное исследование технологических возможностей процесса сверления как с. вибрациями, так и без вибраций, для чего автором был разработан вибрационный стенд.
Для экспериментальной проверки положительного влияния охлаждения воздушным потоком при сверлении: изделий из ПКМ: необходимо провести серии экспериментов, для осуществления которых автором была разработана вихревая труба и соответствующая; оснастка.
Кроме того,, экспериментальные исследования преследовали; цель; выявления эффективности применения новых разработанных средств технологического оснащения и рациональных условий выполнения .операций; по сравнению; с традиционными методами, для повышения производительности: обработки и улучшения качества; обработанных отверстий; повышения стойкости инструмента; Поставленные цели определили методики проведения экспериментальных исследований.
Исследовались силовые параметры (осевая сила, суммарный крутящий момент) процесса сверления ПКМ, с целью проверки достоверности аналитических выражений, полученных во второй главе.
Математическая обработка результатов экспериментов исследования воспроизводимости процессов стабильного сверления
Задача проверки подтверждения стабильности сверления сводится к сравнению нескольких альтернативных процессов. Необходимо сравнить не средние значения величин, взятые из нескольких выборок, а их изменчивость или дисперсии [119]. В нашем случае будем сравнивать дисперсии трёх показателей: - осевой силы (Р), - суммарного крутящего момента (М), - стойкости сверл (Т) традиционного сверления, с показателями, полученными при вибрационном сверлении с фиксированными параметрами колебаний, ранее принятыми по расчету. А также сравним показатели традиционного сверления со сверлением с воздушным охлаждением. 1. Определение числа опытов. Для точной и объективной оценки результатов испытаний следует провести такое количество пи испытаний, чтобы вероятность отклонения выборочной средней от генеральной средней на величину большую А (величина, характеризующая точность оценки) была очень мала (меньше заданного числа доверительной вероятности/?). В [100] приводится выведенная формула для определения числа опытов, по которой можно найти необходимое число наблюдений безотносительно к размерности того или иного признака: где t - значения критерия Стьюдента; о - коэффициент вариации; к0 - заданный коэффициент, показывающий долю предельной ошибки от средней арифметической величины. На основе обработки результатов обширного количества испытаний стойкости сверл [100] установлено, что значение к0 следует брать 0,20, что соответствует хорошей точности оценки. Для распределений существенно положительных величин при определении необходимого числа наблюдений коэффициент вариации принимается равным 0,25-0,5 и t=3 [100]. По результатам испытаний определяем среднее квадратическое отклонение (выборочная характеристика) по формуле [100]: Расчет коэффициента вариации. Для сравнительной оценки колеблемости значений исследуемых характеристик в опыте, найдем коэффициенты вариации. Коэффициент вариации рассчитывается по формуле [100]: 2.
Нахождение доверительных границ. Для оценки точности выборочного значения средней величины х пользуются критерием Стьюдента t. Тогда величина, характеризующая точность оценки: степеней свободы, при псс повторных опытах и требуемой вероятности р, и определяется по справочным таблицам [100]. Крайние значения средней величины, т.е. х + А и х—А, называются доверительными границами для средней совокупности при уровне значимости а=0,05. Иными словами, вероятность того, что промежуток с этими крайними значениями накроет среднее значение общей совокупности с доверительной вероятностью/?=1- а=0,95. 1. Разработана методика проведения экспериментальных исследований, с целью проверки положительного влияния новых разработанных способов стабилизации сверления ПКМ, для повышения производительности обработки и улучшения качества обработанных отверстий, повышения стойкости инструмента. В методиках описаны условия проведения экспериментов, представлены разработанные средства технологического оснащения и рациональные режимы выполнения операций. 2. В методике испытаний стойкости сверл за критерий затупления принят технологический критерий. Конкретным проявлением технологического критерия служат признаки нарушения нормальной работы, требующие замены инструмента из-за резкого падения качества обработанных отверстий: появления вырывов, разлохмачивания КМУ-11э вокруг отверстия. Этот технологический критерий стойкости соответствовал определенному порогу затупления сверла по задней поверхности h3 0,2 мм на периферии режущей кромки. 3. Предельные сколы и отслоения слоев ГЖМ на кромках решено оценивать величиной заусенца. Для отверстий 0 2 мм принята предельная величина заусенца вокруг отверстия - 0,45 мм, для отверстия 0 6,5 мм не более 0,65 мм.
