Особенности процесса резания композитов

Обработка резанием композитов обладает рядом специфических особенностей, определяемых, главным образом, особенностью их струк­туры и свойств. В то же время процессу резания композитов сопутствуют те же явления, что и при резании металлов, т.е. наблюдаются стружкообразование, силовые и тепловые явления, интенсивное изнашивание ре­жущего инструмента. Каждое из перечисленных явлений в той или иной мере отличается от аналогичных явлений при резании металлов.

Процесс резания композитов имеет ряд особенностей:

1. Анизотропия свойств материалов. Если металлы, имеющие кристаллическое строение, с определенным допущением можно считать изотропными, то композиты, наполнителем в которых являются волок­нистые материалы различного состава, обладают анизотропией свойств. Это определяет различие процесса резания, в частности стружкообразования, при обработке вдоль и поперек армирующих волокон. Существенным образом схема армирования будет влиять и на качество получаемой поверхности, поэтому при разработке технологи­ческой операции механической обработки следует учитывать и направ­ление обработки относительно направления армирования.

2. Относительная сложность получения высокого качества поверхности. Вследствие невысоких прочностных характеристик полимерных композиционных материалов (особенно при повышенных температурах), а также из-за их слоистой структуры и в ряде случаев низкой адгезионной связи наполнителя со связующим их обработку следует производить острозаточенным инструментом. При больших затуплениях ин­струмента из-за низкой адгезии связующего с армирующим волокном при увеличении сил резания образуются трещины между волокном и связующим, происходят выкрашивания связующего с обрабатываемой поверхности изделия, особенно в местах входа и выхода инструмента, что, естественно, сказывается на качестве обработки. Слоистая структура приводит к тому, что при повышенных износах инструмента происходит расслоение материала. Кроме того, при перерезании армирую­щих волокон, особенно при перекрестном армировании, наблюдается разлохмачивание перерезанных волокон, что ухудшает качество обработанной поверхности и заставляет иногда применять дополнительную отделочную операцию, например, зачистку шкуркой.

3. Высокая твердость наполнителя. Например, у материалов на основе волокон бора микротвердость наполнителя составляет 40-43 ГПа, что превосходит твердость таких инструментальных материалов, как быстрорежущие стали и твердые сплавы, и соизмерима с микротвердо­стью сверхтвердых материалов - натуральных алмазов (98,1 ГПа), синтетических алмазов АС6 (89 ГПа) и Эльбора-Р (84 ГПа). Поэтому для обработки таких материалов могут быть применены только сверхтвердые материалы (СТМ), причем и в этом случае проблема обработки не снимается, ибо соотношение микротвердостей инструментального и обрабатываемого материалов составляет всего 2,5, тогда как для эффективного осуществления процессов резания соотношение микро­твердостей должно составлять 4-6.

4. Низкая теплопроводность композитов. Низкая теплопроводность композитов существенно влияет на соотношение составляющих общего теплового баланса. Так, теплопроводность композитов составляет 0,14-0,50 Вт/(мК), что в несколько сот раз меньше, чем у металлов. Это обу­словливает слабый отвод теплоты со стружкой и в обрабатываемое изделие, поэтому при обработке композитов основная доля теплоты отводится через режущий инструмент. Так, расход теплоты при обработке полимерных композиционных материалов распределяется следующим образом: в инструмент - 90%, в стружку - 5%, в обрабатываемую деталь - 5%. В то же время при обработке металлов порой до 90% тепло­ты уносится стружкой и только 10% поглощается деталью и инструмен­том. Такое перераспределение расходной части теплового баланса накладывает определенные условия на применяемый режущий инструмент, который должен интенсивно отводить выделяющуюся в зоне резания теплоту.

5. Абразивное воздействие наполнителя. Из всех видов пластмасс наибольшие трудности вызывает обработка композитов, так как напол­нителем в них являются стеклянные, борные или угольные волокна, обладающие высокой твердостью и абразивной способностью. Наличие в зоне резания твердых составляющих приводит к абразивному износу инструмента, который при обработке некоторых композитов, например, боропластиков, имеет преобладающее значение. Следовательно, об­работка резанием композитов определяется во многом свойствами на­полнителя.

6. Деструкция полимерного связующего при резании. Характерной особенностью пластмасс, и композитов в частности, является наличие в материале полимерного связующего. При воздействии в процессе ре­зания механических нагрузок и выделяющейся в зоне резания теплоты происходит неизбежная деструкция связующего. Деструкция происхо­дит за счет действия больших локальных напряжений и высокой темпе­ратуры, превышающей теплостойкость полимера, и заключается в том, что происходит массовый разрыв химических связей у молекулярных цепей полимера, образуется большое количество свободных макрора­дикалов, обладающих избыточной энергией. В результате этого образу­ется вязко-текучий в микрообъемах полимер, являющийся поверхност­но-активным веществом (ПАВ). Мигрируя по поверхности механически напряженного режущего клина инструмента и по дефектам его поверх­
ности, деструктированный полимер ПАВ снижает поверхностную энер­гию металла (эффект Ребиндера), что облегчает отрыв от его поверх­ности отдельных микро- и макрочастиц. В результате этого возникает механо-химический адсорбционный износ инструмента, который харак­терен только для обработки полимерных материалов.

7. Высокие упругие свойства композитов. Композиты обладают высокими упругими свойствами, что определяет особенности процесса резания. Из-за высоких упругих характеристик обрабатываемого материала происходит упругое восстановление слоя обрабатываемого ма­териала, лежащего над поверхностью резания. Это приводит к увели­ченным площадкам контакта, и, как следствие этого, к повышенным значениям сил резания. Учет этих сил при обработке композитов необ­ходим из-за интенсивных контактных явлений на задних поверхностях инструмента (его износ происходит главным образом по задней поверх­ности и путем округления режущей кромки). Упругое восстановление обработанной поверхности следует учитывать и при оценке точности обработки. Силы резания при обработке композитов в 10-20 раз ниже, чем при аналогичной обработке металлов, а упругие характеристики выше, поэтому точность их обработки в меньшей мере определяется упругими деформациями системы станок - приспособление - инстру­мент.

8. Технологический критерий износа. Характерным при обработке композитов является технологический критерий износа инструмента. Поскольку из-за слоистой структуры материалов, а иногда из-за низкой адгезии наполнителя и связующего при обработке композитов образу­ются характерные дефекты поверхности, такие, как сколы, расслоения, разлохмачивание, прижоги, то при определении допустимого износа преобладает технологический фактор - отсутствие этих дефектов и оп­ределенный уровень шероховатости поверхности, которая существенно зависит от степени износа инструмента. Поэтому допустимый износ ин­струмента при обработке композитов всегда ниже, чем при аналогичной обработке металлов и оценивается по технологическим факторам, оп­ределяющим качество поверхности.

9. Специфика процесса стружкообразования. При обработке компо­зитов иначе, чем у металлов, происходит процесс стружкообразования, что объясняется, в первую очередь разницей их структур. Анизотропия свойств композитов определяет иные процессы стружкообразования и при резании в разных (по отношению к направлению армирования) на­правлениях. Высокие упругие свойства материала определяют процесс разрушения материала, который носит хрупкий характер. Получение в ряде случаев мелкодисперсной стружки ставит вопросы ее удаления и защиты от ее воздействия на обслуживающий персонал.

10. Низкая теплостойкость композитов. Существенной особенно­стью композитов является их низкая теплостойкость. В зависимости от типа связующего теплостойкость этих материалов составляет 160-300°С. При температурах выше указанных происходит выгорание свя­зующего, на поверхности обработанной детали появляются прижоги. Поэтому уровень температур в зоне резания должен быть значительно меньше, чем при обработке металлов. Это усугубляется еще и тем, что в большинстве случаев не допускается применение смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ). Как известно, композиты обладают таким свойством, как влагопоглощение, поэтому применение СОЖ во многих случаях влечет за собой введение дополнительной операции – сушки изделия. Следовательно, чаще всего приходится предусматривать ме­ханическую обработку изделий из композитов без применения СОЖ.

11. Выделение мелких частиц материала при резании. Обработка резанием композитов сопровождается выделением мельчайших частиц наполнителя, смешанного со связующим, выделением летучих, порой токсичных веществ, поэтому требования техники безопасности и произ­водственной санитарии также будут носить специфический характер.

Перечисленные особенности обработки резанием композитов пока­зывают, что простой перенос закономерностей процесса резания ме­таллов на эти материалы недопустим.

Процесс стружкообразования при резании композитов

Стружкообразование в значительной степени определяет процесс резания в целом и его результаты. От процесса стружкообразования зависят сила резания, расход энергии и количество выделяющейся те­плоты, точность и качество обработки, условия работы инструмента и станка. Характер стружкообразования и типы получающейся стружки во многом определяются свойствами обрабатываемого материала. Компо­зиты представляет собой гетерогенную композицию, состоящую из ар­мирующих волокон и полимерного связующего, причем механические свойства (прочность, твердость и т.п.) армирующих волокон на несколь­ко порядков выше, чем у полимерного связующего.

Механизм процесса стружкообразования определяется закономер­ностями деформации и разрушения. Необходимым условием стружко­образования является доведение обрабатываемого материала по ли­нии среза до разрушения, которое практически происходит после пре­одоления предела упругости без пластического деформирования. Т.е. характерным для процесса резания композитов является то, что
стружка образуется вследствие преодоления упругих деформаций. Об­рабатываемый материал, упруго сжатый в момент резания, затем упру­го восстанавливается.

Механизм стружкообразования при резании композитов можно представить следующим образом. Под действием механических напря­жений в зоне наибольших касательных напряжений (ее принимают за условную плоскость сдвига) протекают периодические сдвиговые явле­ния, приводящие к упругому разрушению обрабатываемого материала и формированию, в зависимости от условий обработки и схемы армиро­вания материала, стружки того или иного вида.