Способ токарной обработки заготовок из углепластика
Владельцы патента RU 2630132:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет" (ФГБОУ ВО "КнАГТУ") (RU)
Изобретение относится к обработке материалов резанием и может быть использовано при механической обработке заготовок из полимерных композиционных материалов, преимущественно из углепластика. Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение производительности обработки заготовки и качества обработанной поверхности. Способ включает токарную обработку заготовок из углепластика, при котором заготовке и режущему инструменту сообщают относительное движение формообразования, а подачу осуществляют дискретно. Предварительную обработку заготовки из углепластика производят поверхностным деформированием путем ударного воздействия шариком. Частота ударных воздействий шариком превышает частоту вращения заготовки на величину, равную 1,0-1,2 отношения длины окружности заготовки к диаметру шарика в плоскости, проходящей через пятно контакта шарика и детали перпендикулярно оси шарика. 1 табл.
Изобретение относится к обработке материалов резанием и может быть использовано при механической обработке заготовок из полимерных композиционных материалов, преимущественно из углепластика.
Известен способ механической обработки, например токарной, заготовок из пластмасс, для осуществления которого применяют специальный режущий инструмент, оснащенный твердыми сплавами (В.Н. Подураев. Резание труднообрабатываемых материалов: Учебное пособие для вузов. - М.: Высшая школа, 1974, с. 574).
Однако реализация такого способа не обеспечивает получение качественной поверхности после обработки ввиду наличия существенных отличий в физико-химических свойствах металлов и пластмасс. При этом образуется значительная шероховатость поверхности, элементы которой создают концентраторы напряжений, негативно влияющие на прочностные характеристики готовой детали в целом.
Ближайшим аналогом является способ токарной обработки заготовок из капролона, при котором заготовке и режущему инструменту сообщают относительное движение формообразования, а подачу осуществляют дискретно, при этом заготовку из капролона подвергают предварительной обработке путем обкатывания (Патент РФ на изобретение №2497670, В29С 37/00, опубл. 10.11.13).
Однако известный способ не позволяет обеспечивать высокую производительность и получать высокое качество обрабатываемой поверхности при точении углепластика, так как обкатывание заготовки из углепластика не оказывает влияния на механическую прочность наполнителя - углеволокон и не уменьшает адгезионные связи между волокном и матрицей.
Техническим результатом является повышение производительности обработки заготовки и качества обработанной поверхности.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе, включающем токарную обработку заготовок из углепластика, при котором заготовке и режущему инструменту сообщают относительное движение формообразования, а подачу осуществляют дискретно, при этом заготовку из углепластика подвергают предварительной обработке, согласно изобретению предварительную обработку заготовки из углепластика производят поверхностным деформированием путем ударного воздействия шариком, при этом частота ударных воздействий шариком превышает частоту вращения заготовки на величину, равную 1,0-1,2 отношения длины окружности заготовки к диаметру шарика в плоскости, проходящей через пятно контакта шарика и детали перпендикулярно оси шарика.
Предварительная обработка заготовки из углепластика поверхностным деформированием путем ударного воздействия шариком позволяет снизить прочность поверхностного слоя углепластика на 12-16%, за счет чего снижается сила резания при последующем точении заготовки, увеличивается скорость резания и повышается качество обрабатываемой поверхности. Сферическая поверхность шарика является наиболее оптимальной по сравнению с другими криволинейными поверхностями, как показали сравнительные экспериментальные исследования.
Пример реализации способа. Заготовку из углепластика закрепляют в токарном станке известным способом. Затем производят предварительную обработку заготовки из углепластика поверхностным деформированием путем ударного воздействия шариком, который, например, соединен со штоком вибратора.
При этом за счет энергии удара в полимерной матрице углепластика образуется такая структура материала, в которой часть связей разрушена, а часть напряжена и имеет низкую энергию активации связей, что является причиной формирования внутренних трещин в объеме матрицы. В углеродных армирующих волокнах происходит концентрация напряжений, что приводит к снижению их механической прочности. В межфазной прослойке между армирующим волокном и матрицей также образуются трещины и расслоения, что снижает адгезионную прочность соединения волокон с матрицей. В целом имеет место аддитивный эффект технологического разупрочнения поверхностного слоя заготовки из углепластика.
Затем производят точение заготовки режущим инструментом. При взаимодействии поверхностного слоя углепластика с режущим клином инструмента облегчается процесс деформирования срезаемого слоя за счет образования зоны предразрушения благодаря эффекту технологического разупрочнения. Магистральная трещина приобретает более устойчивое направление развития вдоль линии среза, что является предпосылкой повышения качественных показателей обработанной поверхности, так как снижается вероятность образования вырывов, сколов и подобных дефектов обрабатываемого резанием материал. При этом частота ударных воздействий шариком превышает частоту вращения заготовки на величину, равную 1,0-1,2 отношения длины окружности заготовки к диаметру шарика в плоскости, проходящей через пятно контакта шарика и детали перпендикулярно оси шарика, и рассчитывается по формуле:
fш=πdз/dшfз,
где fш - частота ударных воздействий шарика, Гц; fз - частота вращения заготовки, Гц; dз - диаметр заготовки, м; dш - диаметр шарика, м. При выполнении данного соотношения боковая поверхность заготовки гарантировано подвергнется ударному воздействию, что обеспечит технологическое разупрочнение всей площади поверхностного слоя.
Измерения, проведенные после обработки предложенным способом, подтверждают снижение прочности поверхностного слоя углепластика на 12-16%, за счет чего снижается сила резания при последующем точении заготовки, увеличивается скорость резания и повышается качество обрабатываемой поверхности. Результаты измерений для углетекстолита на основе высокомодульного волокна и фенольного связующего (УВМ) приведены в таблице.
В отличие от аналогов предлагаемый способ обеспечивает повышение производительности обработки заготовки и качества обработанной поверхности за счет технологического разупрочнения поверхностного слоя обрабатываемой заготовки из углепластика за счет ударного воздействия шариком.
Способ токарной обработки заготовок из углепластика, при котором заготовке и режущему инструменту сообщают относительное движение формообразования, а подачу осуществляют дискретно, при этом заготовку из углепластика подвергают предварительной обработке, отличающийся тем, что предварительную обработку заготовки из углепластика производят поверхностным деформированием путем ударного воздействия шариком, при этом частота ударных воздействий шариком превышает частоту вращения заготовки на величину, равную 1,0-1,2 отношения длины окружности заготовки к диаметру шарика в плоскости, проходящей через пятно контакта шарика и детали перпендикулярно оси шарика.
