Композиционные материалы (КМ), металломатричные композиты, керамокомпозиты, композиты на полимерной матрице, углерод-углеродные материалы, являются базовыми для ракетно-космической и авиационной техники. Расширяется их применение и в других отраслях, в которых необходимо обеспечить высокую удельную прочность конструкций. Обработка КМ имеет особенности, обусловленные различием в механических, физических и химических свойствах матрицы и наполнителя. Кроме того, необходимы специальные подходы к обработке изделий из КМ с учетом их жесткости, формы, структуры. Современные конструкции часто изготавливаются с применением гибридных КМ, состоящих из двух и более разнородных материалов, включая металлы, различные наполнители их сотовых конструкций и пеноматериалов [1, 2]. Расширяется применение объемных изделий, требующих 3D-обработки.
Обрабатываемость КМ резанием дополнительно зависит от соотношения объемов матрицы и наполнителя, схемы армирования, ориентации волокон и слоев, технологии изготовления (табл. 1). Следует отметить также, что при обработке многих КМ недопустимо применение смазочно-охлаждающих жидкостей из-за опасности набухания и расслоения.
Наиболее часто для изготовления изделий из КМ применяют лезвийные и абразивные методы механической обработки. В последние годы расширяется применение струйноабразивной и лазерной обработки. Для изделий из керамокомпозитов и углегод-углеродных материалов используют ультразвуковую обработку и ультразвуковую обработку вращающимся инструментом (табл. 2).
КМ на полимерной матрице, получаемые с применением аримидных стеклянных или углеродных волокон на эпоксидной фенольной или полиамидной смолах, чаще всего обрабатывают методами резания, включая раскройные операции (пилами из быстрорежещих сталей и твердых сплавов, ножевой резкой, ультразвуковой ножевой резкой, резкой абразивными кругами и алмазной проволокой), обработку отверстий, контурное фрезерование, фрезерование поверхностей и конструктивных элементов, точение и шлифование тел вращения.
Для лезвийной обработки КМ требуется использование инструмента с очень острой режущей кромкой, большим задним углом и малым радиусом режущей кромки для обеспечения среза волокон с низкой шероховатостью рабочих поверхностей, для улучшения отвода стружки и снижения сил трения между поверхностями инструмента и заготовки. Кроме того, важно обеспечить высокую стойкость инструмента, поскольку 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. В качестве инструментальных материалов, обеспечивающих приемлемую износостойкость, используют твердые сплавы, твердые сплавы с упрочняющими покрытиями, кубический нитрид бора, поликристаллические спеченные и CVD-алмазы. Перспективным является инструмент с алмазными, получаемыми по технологии CVD, и алмазоподобными (АПП) покрытиями.
Рекомендуемые параметры инструмента и режимов обработки при использовании и резании резцами из спеченного поликристаллического алмаза приведены в табл. 3.
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. Для устранения этих дефектов используют специальные конструкции инструментов, оптимизируют их геометрию, технологические режимы и условия обработки, используют 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.
Следует остановиться на особенностях обработки резанием основных конструктивных элементов.
При сверлении композиционных материалов часто возникают дефекты на входе и выходе отверстия, обусловленные особенностями силового воздействия сверла на заготовку. На входе наблюдают расслоение материала, вызванное действием крутящего момента, а на выходе — расслоение и непрорез волокон (рис. 1). Поскольку отверстия являются концентраторами напряжений, такие дефекты способствуют снижению усталостной и статической прочности конструкций. Следует отметить, что постоянно увеличиваются требования по точности и шероховатости обработанных отверстий. Например, требования по шероховатости поверхности отверстий в ответственных конструкциях изделий достигают значения Ra=1,6 мкм. Для минимизации дефектов многие инструментальные фирмы предлагают специальные конструкции сверл.
Рис. 1. Отверстия в стеклопластике: а — «выход» отверстия, 1 — расслоение материала; 2 — непрорез волокон; б — качественное отверстие.
Например, для уменьшения расслоения на входе отверстия используют сверла с двойной заточкой, а для устранения непрореза волокон — сверла с острыми кромками на периферии (рис. 2). Для того чтобы избежать расслоения, иногда приходится использовать кондукторы, прижимаемые к поверхности с силой, достаточной для предотвращения расслаивания [3]. Сверление обычно осуществляют со скоростями резания 100…200 м/мин при низких подачах в диапазоне 0,02…0,1 мм/об. На входе и выходе сверла для устранения расслаивания снижают величину подачи. 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.
Рис. 2. Сверла для КМ: а — с двойной заточкой, б — с подрезными кромками.
При обработке материалов, обладающих высокой абразивностью, целесообразно использование сверл с рабочей частью из поликристаллических спеченных (PCD) или CVD-алмазов, а также с алмазными покрытиями, многократно повышающими стойкость инструмента из быстрорежущих сталей и твердых сплавов (рис. 3).
Рис. 3. Влияние материала режущего инструмента на суммарную глубину сверления стеклопластика.
Для повышения качества обработки отверстий используют технологию орбитального сверления, которая имеет следующие преимущества:
• уменьшение расслоения вследствие снижения сил резания;
• уменьшение температуры резания и, как следствие, риска термодеструкции матрицы;
• лучшие условия отвода тепла даже при отсутствии охлаждающей жидкости;
• облегчение условий удаления стружки из отверстия вследствие уменьшения ее размера и наличия свободного пространства между сверлом и стенками отверстия;
• возможность использования одного инструмента для обработки отверстий разного диаметра;
• облегчение условий обработки наклонных отверстий и устранение увода оси отверстия.
Орбитальное сверление выполняют концевыми фрезами.
Для фрезерования композиционных материалов разработаны фрезы специальной конструкции, приведенные на рис. 4: а — борфреза с перекрестной насечкой; б — борфреза с перекрестной насечкой и сверлом; в — фреза с разнонаправленными спиральными канавками; г — многозубая фреза с большим углом наклона стружечных канавок; д — борфреза с обратным режущим торцом; концевая фреза с прямым зубом и стружкоразделительными канавками; ж — сферическая концевая фреза с перекрестной насечкой; з — концевая фреза Z=1 прямой зуб для высокоскоростной чистовой обработки; и — однозубая концевая фреза для высокоскоростной обработки Z=1 правая спираль, прерывистая режущая кромка; к — концевая фреза Z=3 спираль 45° с неравномерным шагом режущих кромок.
Рис. 4. Фрезы, рекомендуемые для обработки композиционных материалов.
Широко применяется обработка борфрезами с перекрестной насечкой образующей системы прерывистых режущих кромок, обеспечивающих обработку КМ при малых силах резания. Для чистовой обработки контуров деталей используют однозубые фрезы. Контурную обработку сравнительно толстого листового материала выполняют фрезами с разнонаправленными спиральными канавками (рис. 4, в), которые позволяют избежать расслоения материала, поскольку осевые силы резания, возникающие при обработке, сжимают поверхностные слои сверху и снизу листа (рис. 5).
Рис. 5. Направления действия осевых сил резания при фрезеровании фрезами с разнонаправленными спиральными канавками (а) и при обработке обычной концевой фрезой (б).
Рис. 6. Инструмент и схемы применяемые при обработке сотовых конструкций.
На рис. 6. показан инструмент, который используется при различных операциях обработки изделий с сотовыми и пенными наполнителями.
Рис. 7. Алмазный инструмент для обработки композитов.
Рис. 8. Специализированное оборудование для механической обработки изделий из КМ.
Следует отметить, что для обработки таких изделий, кроме фрез, достаточно широко используется алмазный абразивный инструмент (рис. 7) на гальванических и металлических связках. Особенно эффективно его применение для контурной обработки углепластиков и углерод-углеродных композитов, получения в них высокоточных отверстий.
Особенности конструкций изделий из композиционных материалов и их обработки требуют создания гаммы специализированного оборудования (рис. 8) для раскроя исходных заготовок, резки и сверления отверстий в листовом материале, обработки крупногабаритных изделий авиационной и ракетно-космической техники. Данные многокоординатные обрабатывающие центры отличаются от традиционного металлорежущего оборудования дополнительными опциями, в частности, защитой электрооборудования и систем управления от попадания пыли и дисперсных проводящих частиц, генерируемых при обработке углепластиков и углерод-углеродных материалов.
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
- Кербер М. Л., Полимерные композиционные материалы. Структура. Свойства. Технологии. — СПб.: Профессия, 2008. — 560 с.
- Справочник по композиционным материалам/ под ред. Дж. Любина, кн.2, — М.: Машиностроение, 1988. — 446 с.
- 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.
<"