Обработка композиционных материалов

Обработка композиционных материалов (технология) в большинстве случаев разрабатывается одновременно с проектированием этих изделий. Это связано, с одной стороны, с анизотропией свойств материалов и необходимостью учета влияния механической обработки на прочность готового изделия и, с другой, с возможностью создания таких конструкций, которые позволяли бы снизить производственные затраты без ущерба для качества изделий. Форма и размеры наиболее ответственных изделий, несущих нагрузки, близкие к предельно допустимым для материала, обеспечиваются вместе с формированием материала.
В результате этого последующая обработка изделий сводится к минимуму или вообще исключается. Использование механической обработки при изготовлении изделий из композиционных материалов позволяет полностью или частично выделить процесс формирования композиционного материала и резко снизить производственные затраты. При назначении режимов обработки композитов важное значение имеют их реальные физико-механические свойства, которые определяются типом и состоянием матричного материала, свойствами и геометрией упрочняющей фазы. Резка ножницами применяется в основном для раскроя неотвержденных препрегов и тонких слоистых пластиков (толщиной менее 3,2 мм), используемых для конструкций, не являющихся несущими. Применяются как обычные, так и дисковые ножницы. Режущая часть инструмента изготавливается из твердого сплава. Быстрый износ ножниц и возможность образования расслоений в зоне резания делают этот способ малоприменимым для раскроя других композиционных материалов.Резка дисковыми и ленточными пилами применяется для раскроя стеклопластиков с термореактивными связующими и распиловки термопластов. Во время раскроя происходит размельчение упрочняющей фазы композиционного материала и как следствие — интенсивный износ зубьев пилы и снижение качества получаемого реза. Для повышения качества реза назначают высокие скорости резания, применяют направляющие кондукторы, ограничивающие поперечные перемещения инструмента. Применение охлаждающих жидкостей приводит к снижению износа инструмента, повышению скоростей увеличению качества реза. Однако большинство композиционных материалов являются пористыми и не допускают применения смазок и жидкостного охлаждения. Режущая часть пил изготавливается из инструментальных сталей и вольфрамо-кобальтовых твердых сплавов. С целью увеличения стойкости инструмента и увеличения производительности резания зубья пил изготавливаются из твердосплавных смесей с добавлением алмазной крошки с предварительным твердофазным спеканием и пропиткой металлическим расплавом. В этом случае лезвийная обработка совмещается с алмазно-абразивной. Качество реза повышается, а окружная скорость дисковой пилы может достигать 3965 м/мин и ленточных — 2440 м/мин.

Раскрой и обрезка специальными ножами возвратно-поступательного действия аналогичны применяемому в швейной промышленности способу раскроя тканей. Применяют этот метод для раскроя готовых препрегов со скоростью резания до 22,9 м/мин. Однако этот способ требует дополнительных мер, обеспечивающих укрывание препрега от отходов резки. Метод непригоден для резки борно-эпоксидных материалов в силу быстрого износа ножей.

Вырубка ножевыми штампами аналогична раскрою и обрезке специальными ножами. Применяется эта операция для вырубки за один рез целой заготовки. Листовой композиционный материал располагают между стальным резаком замкнутого контура и плитой из мягкой стали.

Фрезерование слоистых композиционных материалов осуществляется на металлорежущих станках фрезами, используемыми для обработки металлических материалов. При выборе схем закрепления заготовок и выборе режимов фрезерования следует учитывать склонность композиционных материалов к расслоению. Скорость резания для большинства композиционных материалов должна составлять 180…300 м/мин, глубина резания не должна превышать 0,25 мм, подача — до 0,15 мм/об. В качестве охлаждения рационально использование сжатого воздуха или тумана смазывающе-охлаждающих жидкостей.

Точение, как и фрезерование, осуществляется на соответствующих металлорежущих станках (токарных, расточных, обрабатывающих центрах). Режимы обработки определяются свойствами обрабатываемого композиционного материала и требуемым качеством обработанной поверхности. Для слоистых материалов подачи и глубины имеют малые значения, а скорость резания обеспечивается в пределах 183…305 м/мин. Для термореактивных материалов (например, стеклопластиков) режимы резания должны обеспечивать температуру в зоне резания не выше 300 °С. Режущую часть резцов предпочтительно изготавливать из мелкозернистых твердых сплавов с низким содержанием кобальта (ВК2, ВКЗМ, ВК4), имеющих высокие значения теплопроводности. Для обработки стекло-, угле- и органопластиков в качестве режущего инструмента применимы быстрорежущие стали. Лезвийный инструмент, применяемый для обработки композиционных материалов, должен отвечать следующим требованиям:

  • величины задних углов резания должны быть максимально увеличены (вплоть до 20…30 °) с целью снижения сил трения по задним граням инструмента;
  • передние углы из соображений оптимального стружкообразования должны быть в пределах 0…15°;
  • режущая кромка должна быть острозаточенной (не допускаются большие величины износа);
  • стружечные канавки для исключения прилипания продуктов резания должны быть отполированы.

Строгание применяется при обработке протяженных поверхностей. Требования к инструменту такие же, как и при токарной обработке.

Обработка отверстий (сверление, развертывание, нарезание резьбы) производится либо металлообрабатывающим инструментом, либо инструментом, размеры которого компенсируют упругие деформации обрабатываемого композиционного материала. Для сверл и разверток предпочтительны технологические ленточки уменьшенной ширины, а канавки для стока стружки — повышенной ширины и полированные. Такой инструмент позволяет снизить трение, исключить забивание канавок стружкой и улучшить качество обработанных отверстий. Точность обработанных отверстий после сверления невелика и не превышает 11 квалитета, шероховатость по критерию R, — 20 мкм и выше.

При необходимости ужесточить точность отверстий и снизить шероховатость обработанной поверхности проводят несколько операций: сверление, зенкерование с применением направляющего штифта, который базирует инструмент по предварительно просверленному отверстию, и развертывание. Режимы обработки и конструкция инструмента зависят от свойств обрабатываемого материала и условий обработки (наличия СОЖ, применения дополнительных устройств для направления инструмента и отвода продуктов обработки). В лучшем случае, основываясь на научных рекомендациях, проводят инженерные исследования. Наилучшие показатели качества обработки и технологические результаты обеспечивает применение алмазных сверл, хотя по существу это уже абразивное резание.

Нарезание резьбы в композиционных материалах — один из самых трудоемких процессов. Размеры метчиков и плашек должны учитывать пластические деформации обрабатываемого материала. Конструкция резьбы для соединения композиционных материалов с металлическими изделиями значительно отличается от стандартных типов резьбы. Кроме того, углы заточки резьбообразующего инструмента, применяемого для композиционных материалов, отличаются от соответствующих углов заточки металлообрабатывающих метчиков, плашек и резцов.

Абразивная обработка композиционных материалов применяется с целью обеспечения высокого качества обработанной поверхности. Применяется при раскрое и сверлении материалов со сверхтвердой упрочняющей фазой.

Раскрой абразивными и алмазными кругами применяется для обработки композиционных материалов, имеющих упрочняющую фазу из сверхтвердых материалов. Толщина кругов составляет 1…4 мм, скорость вращения — до 3500 мин, что позволяет обеспечить высокое качество поверхности реза. Для раскроя применяются круги карборунда на вулканитовой или на бакелитовой основе, а также алмазные круги на бакелитовой или металлической связках. Скорости резания достигают 2100 м/мин. Проведение этого вида обработки затрудняют необходимость интенсивного охлаждения зоны реза с целью исключения плавления наполнителя композиционного материала, а также быстрое засаливание инструмента материалом наполнителя и продуктами его разрушения.

Алмазный инструмент может иметь форму фрез (дисковые, пальцевые и фасонные), что позволяет вести высокопроизводительную обработку с высокой точностью не только на операциях раскроя, но и при формировании пазов, резьб и фасонных поверхностей.

Алмазное сверление отверстий является разновидностью абразивной обработки. Алмазные сверла представляют собой металлические стержни или трубки с нанесенной на торцевую и цилиндрическую поверхности алмазной крошкой зернистостью 60… 100, связанной металлической матрицей. Производительность такого сверления и качество обработанного отверстия очень высокие, стойкость инструмента также высокая. Недостатком является засаливание инструмента продуктами резания. Снижению засаливания помогает внесение в конструкцию сверл канавок, придающих режущему алмазоносному слою форму зубьев.

Шлифование, хонингование и притирка поверхностей изделий из композиционных материалов проводятся с целью обеспечения точной геометрии (формы и размеров) и снижения шероховатости. Шлифование и хонингование проводятся абразивным инструментом (кругами и брусками) из карбида кремния или окиси алюминия. Наилучшие результаты по производительности и качеству обработки обеспечивает алмазный инструмент. Недостаток его заключается в быстром засаливании и необходимости использования СОЖ для исключения оплавления материала наполнителя. Наименьшему засаливанию подвержен инструмент зернистостью 30…80. Шлифование может осуществляться абразивной и алмазной шкуркой в ленточном варианте. Притирка осуществляется с помощью абразивных и алмазных порошков. Недостаток обработки заключается в возможности шаржирования абразивом обрабатываемой поверхности.

Чтобы исключить оплавление наполнителя, избежать появления микротрещин в волокнах упрочняющей фазы из сверхтвердых материалов, применяют технологию размерной ультразвуковой обработки. Схема расположения инструмента и обрабатываемого изделия показана на рис. 7.2.

В качестве рабочего инструмента используются суспензии из порошков сверхтвердых материалов (карбид бора, карбид кремния, оксид алюминия, алмаз) и формообразующий инструмент, выполненный из мягкого материала. В основе обработки лежит хрупкое разрушение обрабатываемого материала в зоне вдавливания в его поверхность единичной частицы абразива. При этом в зоне вдавливания абразивной частицы образуется сетка микротрещин, по которым происходит выкрашивание обрабатываемого материала. Абразивные частицы подаются в зону обработки в виде суспензии (чаще всего водной) под небольшим давлением. Для вдавливания абразивных частиц используется инструмент из отожженных или нормализованных низкоуглеродистых сталей.

Инструмент представляет собой пластину любой формы, выполненную на торце трансформатора ультразвуковых колебаний, которые инициируются магнитострикционным или пьезокерамическим преобразователем колебаний напряжения электрического тока высокой частоты (16…60 кГц) в механические колебания. Трансформатор имеет переменное поперечное сечение, изменяющееся, как правило, по линейной (конические трансформаторы) или экспоненциальной (экспоненциальные трансформаторы) зависимости. Длина концентратора (расстояние от торца преобразователя до торца, воздействующего на абразивные частицы) равна половине длины звуковой волны. Основное преимущество метода -возможность прорезать отверстия и пазы сложной формы в высокотвердых и сверхтвердых компонентах композиционных материалов, а также высокое качество боковых поверхностей обработанных отверстий (отсутствие привнесенных обработкой дефектов поверхностного слоя). Недостаток метода заключается в сложности оборудования и невысокой производительности процесса. Мягкие матричные материалы обрабатываются этим методом с очень низкой производительностью.

Ультразвуковое сверление отверстий алмазным инструментом отличается от алмазного сверления с наложением ультразвуковых колебаний на алмазные сверла. В последнем случае снижается трение инструмента об обработанную поверхность, уменьшается эффект прилипания продуктов резания к инструменту и, как следствие снижается его засаливание. Стойкость алмазных сверл возрастает в два и более раз. Недостаток метода заключается в сложности придания сверлу ультразвуковых колебаний.

Автор:

доцент кафедры Механика композиционных материалов и конструкций, кан. техн. наук

А.В. Бабушкин

Название: Конструкционные и функциональные волокнистые композиционные материалы

Город: Пермь

Год: 2007