Новое в обработке композитов

Виды композитов и сферы применения

Базовые материалы для высоких технологий

Композиционные материалы (КМ) стали фундаментом современной ракетно-космической и авиационной техники. Металломатричные композиты, керамокомпозиты, материалы на полимерной матрице, углерод-углеродные композиции — перечень впечатляет.

Но применение не ограничивается аэрокосмосом. Отрасли, где критична высокая удельная прочность конструкций, активно внедряют композиты. И тенденция усиливается.

Современные конструкции часто изготавливаются с применением гибридных КМ. Они состоят из двух и более разнородных материалов, включая металлы, различные наполнители, сотовые конструкции и пеноматериалы. Расширяется применение объемных изделий, требующих 3D-обработки.

Логично, что такие материалы требуют особого подхода к обработке.

Особенности механической обработки

Почему композиты — это сложно

Обработка КМ имеет особенности, обусловленные различием в механических, физических и химических свойствах матрицы и наполнителя. Представьте: нужно одновременно резать мягкую смолу и твердые волокна. Это не металл, где свойства более-менее однородны.

Кроме того, необходимы специальные подходы к обработке изделий из КМ с учетом:

• ✓ Жесткости конструкции
• ✓ Формы изделия
• ✓ Структуры материала

Обрабатываемость КМ резанием дополнительно зависит от множества факторов:

И вот что важно: при обработке многих КМ недопустимо применение смазочно-охлаждающих жидкостей. Причина — опасность набухания и расслоения материала. Приходится работать «всухую», а это создает дополнительные проблемы с теплоотводом.

Непростая задача, согласитесь?

Режущий инструмент для КМ

Требования к геометрии и материалам

Для лезвийной обработки КМ требуется использование инструмента с особыми характеристиками. Обычные фрезы и сверла здесь не подойдут.

Ключевые требования:

1. → Очень острая режущая кромка
2. → Большой задний угол
3. → Малый радиус режущей кромки

Зачем? Для обеспечения среза волокон с низкой шероховатостью рабочих поверхностей, улучшения отвода стружки и снижения сил трения между поверхностями инструмента и заготовки.

Но есть проблема: армирующие волокна и компоненты матрицы КМ могут интенсивно изнашивать режущую кромку. Что приводит к увеличению силы резания и тепловыделения, а также снижению качества обработанных поверхностей.

Какие материалы обеспечивают приемлемую износостойкость?

Перспективным является инструмент с алмазными покрытиями, получаемыми по технологии CVD, и алмазоподобными (АПП) покрытиями.

Рекомендуемые режимы обработки

При использовании резцов из спеченного поликристаллического алмаза существуют определенные рекомендации по параметрам инструмента и режимам обработки. Важно соблюдать баланс между производительностью и качеством.

Сверление без дефектов

Проблемы и решения

При сверлении композиционных материалов часто возникают дефекты на входе и выходе отверстия. Они обусловлены особенностями силового воздействия сверла на заготовку.

Что происходит:

• ✗ На входе — расслоение материала, вызванное действием крутящего момента
• ✗ На выходе — расслоение и непрорез волокон

Поскольку отверстия являются концентраторами напряжений, такие дефекты способствуют снижению усталостной и статической прочности конструкций. Это серьезно.

Требования постоянно растут. Например, требования по шероховатости поверхности отверстий в ответственных конструкциях изделий достигают значения Ra=1,6 мкм.

Как минимизировать дефекты?

Многие инструментальные фирмы предлагают специальные конструкции сверл:

1. → Сверла с двойной заточкой — уменьшают расслоение на входе
2. → Сверла с острыми кромками на периферии — устраняют непрорез волокон

Иногда приходится использовать кондукторы, прижимаемые к поверхности с силой, достаточной для предотвращения расслаивания.

Определенные сложности возникают при обработке КМ из нескольких разнородных материалов, например, углепластика и титанового сплава. Очевидно, что в этом случае придется выбирать инструмент, пригодный для сверления обоих материалов, или проводить обработку в два перехода разными инструментами.

Не всегда просто.

Орбитальное сверление

Технология будущего

Для повышения качества обработки отверстий используют технологию орбитального сверления. Выполняют его концевыми фрезами, а не традиционными сверлами.

Преимущества технологии впечатляют:

• ★ Уменьшение расслоения вследствие снижения сил резания
• ★ Уменьшение температуры резания и риска термодеструкции матрицы
• ★ Лучшие условия отвода тепла даже без охлаждающей жидкости
• ★ Облегчение удаления стружки из отверстия
• ★ Возможность использования одного инструмента для отверстий разного диаметра
• ★ Облегчение обработки наклонных отверстий
• ★ Устранение увода оси отверстия

Это работает. И как работает!

Фрезерование композитов

Специальные конструкции фрез

Для фрезерования композиционных материалов разработаны фрезы специальной конструкции. Каждая решает свои задачи.

Основные типы:

Широко применяется обработка борфрезами с перекрестной насечкой. Они образуют систему прерывистых режущих кромок, обеспечивающих обработку КМ при малых силах резания.

Для чистовой обработки контуров деталей используют однозубые фрезы. Они дают наилучшее качество поверхности.

Контурную обработку сравнительно толстого листового материала выполняют фрезами с разнонаправленными спиральными канавками. Почему именно они?

Такие фрезы позволяют избежать расслоения материала, поскольку осевые силы резания, возникающие при обработке, сжимают поверхностные слои сверху и снизу листа. Гениально просто.

Алмазный инструмент

Для самых сложных задач

При обработке материалов, обладающих высокой абразивностью, целесообразно использование сверл с рабочей частью из поликристаллических спеченных (PCD) или CVD-алмазов, а также с алмазными покрытиями.

Такой инструмент многократно повышает стойкость по сравнению с быстрорежущими сталями и твердыми сплавами.

Для обработки изделий с сотовыми и пенными наполнителями, кроме фрез, достаточно широко используется алмазный абразивный инструмент на гальванических и металлических связках.

Особенно эффективно его применение для:

• ✔ Контурной обработки углепластиков
• ✔ Обработки углерод-углеродных композитов
• ✔ Получения высокоточных отверстий

Это факт.

Специализированное оборудование

Не только инструмент

Особенности конструкций изделий из композиционных материалов и их обработки требуют создания гаммы специализированного оборудования.

Для чего оно нужно:

1. → Раскрой исходных заготовок
2. → Резка и сверление отверстий в листовом материале
3. → Обработка крупногабаритных изделий авиационной и ракетно-космической техники

Данные многокоординатные обрабатывающие центры отличаются от традиционного металлорежущего оборудования дополнительными опциями.

В частности:

Это критически важно при обработке углепластиков и углерод-углеродных материалов, которые генерируют проводящую пыль.

Устранение дефектов обработки

Основные проблемы и методы борьбы

Основными дефектами, возникающими при механической обработке, являются:

• ✖ Растрескивание матрицы
• ✖ Расслоение
• ✖ Выдергивание волокон
• ✖ Непрорез волокон
• ✖ Термическая деструкция матрицы

Происхождение этих дефектов обусловлено особенностями лезвийной обработки КМ. Режущая кромка обычно хрупко разрушает матрицу и срезает армирующие волокна.

Как устранять?

Используют:

1. → Специальные конструкции инструментов
2. → Оптимизацию геометрии
3. → Технологические режимы и условия обработки
4. → Специальные приспособления

В отличие от металлов, КМ на полимерной матрице обладают низкой теплопроводностью и теплостойкостью. При температурах выше 300-350°С начинается термодеструкция связующего.

Это приводит к резкому ухудшению качества обработанной поверхности, появлению прижогов, дефектного слоя.

Поэтому контроль температуры в зоне резания — приоритетная задача.

Есть над чем подумать инженерам-технологам.

А. Г. Бойцов, В. Б. Дудаков, А. В. Плешаков

ОАО «Научно-исследовательский институт природных, синтетических алмазов и инструмента»

(ОАО «ВНИИАЛМАЗ»)

www.vniialmaz.ru, vniialmaz@list.ru

Литература

1. Кербер М. Л., Полимерные композиционные материалы. Структура. Свойства. Технологии. — СПб.: Профессия, 2008. — 560 с.
2. Справочник по композиционным материалам/ под ред. Дж. Любина, кн.2, — М.: Машиностроение, 1988. — 446 с.
3. Ярославцев В. М. Технологические решения проблем обработки ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов//Вестник МГТУ. Сер. Машиностроение. Спец. выпуск "Композиционные материалы, конструкции и технологии", 2005. — С. 41–62.