Belgorod, Belgorod, Russian Federation
Belgorod, Belgorod, Russian Federation
GRNTI 55.03 Машиноведение и детали машин
BBK 345 Общая технология машиностроения. Обработка металлов
The paper proposes a solution to the problem of a quality assurance of jointing surfaces of metal-polymer molds. The results of experimental research for achieving the required roughness of metal-polymer shaping part are presented by the authors. The justification for selection of processing method of grinding as the most appropriate to ensure the quality of metal-polymer surfaces are given in the paper.
Metal polymer, shaping part, grinding, roughness, mold, surface processing
В современном конкурентном мире компании, занятые в области переработки пластмасс, постоянно совершенствуют методы переработки, оборудование, материалы и технологическую оснастку с целью сделать производственный процесс наиболее технологичным [1]. В единичном и мелкосерийном производстве наибольшую долю в себестоимости изготовления изделия занимает стоимость изготовления технологической оснастки, а именно стоимость изготовления пресс-форм. Современные технологии ускоренной подготовки производства описаны в [2]. Исследования полученные отечественными учеными [3,4] показывают, что одним из наиболее перспективных направлений в инструментальной промышленности при изготовлении пресс-форм для мелкосерийного литья термопластов, является изготовление комбинированной металл-металлополимерной оснастки. Применение комбинированной оснастки с формообразующими деталями из термостойкого металлополимера позволяет существенно ускорить сроки изготовления формующего инструмента и снизить стоимость оснастки, а следовательно и стоимость конечного изделия. Однако на сегодняшний день технология изготовления комбинированной металл-металлополимерной оснастки является малоизученной, так в частности отсутствуют данные по обработке плоских комбинированных металл-металлополимерных поверхностей.
На рис. 1 показана схема комбинированной металл-металлополимерной формообразующей детали пресс-формы (матрица). Где, 1 – это металлическая часть пресс-формы, изготавливаемая из стали 40Х13; 2 – металлополимернаячасть (металлополимерWEIDLINGC) [5];3 – формообразующая поверхность; 4 – плоская поверхность смыкания пресс-формы.
Рис. 1. Схема комбинированной металл-металлополимерной формообразующей детали пресс-формы.
1 – металлическая часть; 2 – металлополимерная часть; 3 – формообразующая поверхность; 4 – поверхность смыкания пресс-формы
Для обоснования выбора метода обработки плоской комбинированной металл-металлополимерной поверхности смыкания пресс-формы проведем анализ обрабатываемых материалов, требований предъявляемых к обрабатываемой поверхности и существующих методов обработки.
В табл. 1 показаны основные физико-механические свойства обрабатываемых материалов, необходимые при выборе метода обработки.
Таблица 1
Свойства металлополимераWeidlingC и стали 40Х13
|
Марка материала |
Прочность, МПа. на сжатие; |
Модуль Юнга, МПа |
Твёрдость HB |
Температуростойкость до °С |
|
WeidlingC |
140 |
5800–6000 |
630 |
220 |
|
Сталь 40Х13 |
1165–1700 |
2,14 |
229 |
400–450 |
К обрабатываемой поверхности предъявляются следующие требования. Плоскости плит имеют шероховатость поверхности не ниже 7-го класса чистоты[6], что соответствует не ниже Ra 1,25. По [7] шероховатость поверхности смыкания пресс-формы должна быть не ниже Ra0,8. Допуск плоскостности опорных плоскостей плит, плоскостей разъема пресс-форм должен соответствовать 6-й степени точности [8] (для размеров 250–400 – 16мкм). Помимо этого опорные поверхности воспринимают усилия смыкания, удерживая полуформы в замкнутом состоянии, уплотняют игерметизируют полость формы.
Проанализируем виды обработки плоских поверхностей деталей из стали.
Строгание позволяет достигать приемлемого качества обработки поверхностей заготовок, их размерную точность и шероховатость поверхности. Потеря времени при холостых ходах делает строгание менее производительным методом обработки.
Шабрение является слесарной операцией плохо поддающейся механизации, которой можно достигнуть высокой размерной точности (0,003-0,01 мм) и шероховатости (Ra 0,63 мкм) поверхности. Однако из-за высокой трудоемкости обработки деталей шабрением, связанной со сложностью контроля плоскостности поверхности (по числу пятен приходящихся на единицу обрабатываемой поверхности) и наличием ручного труда, такой вид обработки поверхности не является предпочтительным.
Альтернативой ручному шабрению является чистовое (шабрящее) фрезерование. Шабрящее фрезерование производят при высокой скорости резания (200–300 м/мин), но при малой подаче (0,05–0,15 мм/об), поэтому производительность получается низкой, не смотря на применение высокой скорости резания. Шабрящее фрезерование обеспечивает шероховатость поверхности стальных и чугунных заготовок до Ra 0,32–1,25 мкм, а заготовок из бронзы и алюминиевых сплавов – до Ra 0,16–0,32 мкм, достигаемое отклонение от плоскостности соответствует 0,02–0,03 мм. Чистовое фрезерование алюминиевых сплавов осуществляют однозубыми фрезами, а черных и цветных металлов и сплавов – двузубыми ступенчатыми, при этом применяется широкая режущая кромка резца.
Тонкое торцевое фрезерование так же позволяет достичь параметров точности, шероховатости и плоскостности поверхности смыкания пресс-формы. Высокоскоростное фрезерование (HSC) наиболее перспективный и производительный способ обработки поверхностей. Однако технология HSC требует современного оборудования с высоким числом оборотов шпинделя, а так же дорогостоящего износостойкого инструмента. Следует так же отметить, что основной идеей высокоскоростной обработки резанием является достижение в зоне резания достаточно высокой температуры и снижения сил резания, тепло при этом отводится вместе со стружкой. Такое условие накладывает ограничения при обработке материалов имеющих низкую теплопроводность, так как при обработке материалов имеющих низкую теплопроводность возможна термо-окислительная деструкция [9] материала.
Протягивание является не технологичным методом обработки заготовок машин для единичного и мелкосерийного производства, так как требует изготовление дорогостоящего специального режущего инструмента [11].
Обработка плоских поверхностей смыкания пресс-форм плоским шлифованием периферией круга отвечает требованиям по точности, шероховатости и взаимному расположению поверхностей, но из-за ограничений по глубине резания не относится к высокопроизводительным видам обработки.
Проведенный эксперимент по шлифованию полимерно-композиционного материала WEIDLINGC показал, что при скорости резания 50 м/с кругом 25А при глубине резания от 0,01 до 0,1 и на всем диапазоне скоростей перемещения стола станка 3Б722 от 2 до 40 м/мин, температура в зоне резания не превышает температуры 50 °С, что значительно ниже температуростойкостиметаллополимера равной 220 °С. Измерение температуры производилось тепловизоромFlukeTi400. На рис. 2 изображена диаграмма измерения температурных полей при шлифовании металлополимерного образца WeidlingC: глубина резания 0,1мм, скорость перемещения стола 9м/мин, максимальная температура в зоне резания при этом соответствует 35,2 °С.
Для удобства представим данные по точности, шероховатости и взаимному расположению поверхностей при различных видах обработки в табл. 2.
Рис. 2. Диаграмма температурных полей при шлифовании металлополимераWeidlingC.
Таблица 2
Виды обработки плоских поверхностей деталей и достигаемые параметры
|
Вид обработки |
Достигаемая шероховатость, Ra мкм. |
Квалитет допуска размера при обработке. |
Плоскостность поверхности, достигаемая степень точности |
|
Строгание (долбление) тонкое |
0,32-1,6 |
8 |
5-6-7 |
|
Торцевое фрезерование (тонкое) |
0,32-1,25 |
7 |
4-5-6 |
|
Высокоскоростное фрезерование HSC |
0,8-1,6 |
6-8 |
6-7 |
|
Протягивание |
0,32-1,25 |
6 |
3-4-5 |
|
Плоское шлифование (чистовое) |
0,32-1,6 |
7 |
4-5-6 |
Анализ видов обработки показывает, что заданные параметры (размерная точность, шероховатость, плоскостность) для поверхностей смыкания пресс-форм можно достичь различными методами, однако остается вопрос обработки комбинированной металл-металлополимерной поверхности. Можно сделать вывод, что при выборе вида механической обработки плоской комбинированной металл-металлополимерной поверхности смыкания пресс-формы основным критерием является возможность одновременной обработки двух материалов с различными физико-механическими свойствами, в частности различным модулем Юнга и теплопроводящими свойствами. В табл. 3 описаны недостатки и выявлена целесообразность совместной обработкистали 40Х13 (сталь) и металлополимераWeidlingC (полимерно-композиционный материал ПКМ) различными видами обработки.
Анализ табл. 3 показывает, что для обработки комбинированных металл-металлополимерныхплоских поверхностей смыкания пресс-форм при обеспечении заданной размерной точности, шероховатости, технологичности и плоскостности, наилучшим образом соответствует плоское шлифование периферией круга. Это обусловлено отсутствием ударных воздействий при врезании в металлополимер, имеющий высокое значение модуля упругости, которые могут привести к сколам и браку формообразующей поверхности, а также низкой температурой в зоне резания, что исключает термо-окислительную деструкцию металлополимерной поверхности.
Таблица 3.
Определение возможности совместной обработкиWeidlingC и стали 40Х13
|
Вид обработки |
Особенности обработки полимерно-композиционного материала ПКМ |
Целесообразность использования |
|
Строгание (долбление) тонкое |
В момент врезания в часть детали из ПКМ на скорости резания для стали возможны сколы из-за разных значений модуля Юнга материалов |
Не целесообразен |
|
Торцевое фрезерование (тонкое/шабрящее) |
Для обработки ПКМ и стали используют инструмент с различным числом зубьев, так же из-за разных значений модуля Юнга материалов возможны сколы при врезании в ПКМ. Заданные значения шероховатости для материалов достигаются на различных скоростях резания |
Не целесообразен |
|
Высокоскоростное фрезерование HSC |
Высокие температуры при обработке требуют высокой теплопроводности обрабатываемого материала. У ПКМ теплопроводность значительно ниже чем у стали. Заданные значения шероховатости для материалов достигаются на различных скоростях резания |
Не целесообразен |
|
Протягивание |
Обработка не технологична при мелкосерийном и единичном производстве |
Не целесообразен |
|
Плоское шлифование (чистовое) |
Может быть использован для совместной обработки ПКМ и стали на одинаковых скоростях резания[10]. |
Целесообразен |
*Работа выполнена в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» по Соглашению №14.577.21.0193 от 27 октября 2015 г. «Разработка роботизированного комплекса для реализации полномасштабных аддитивных технологий инновационных материалов, композитов, конструкций и сооружений».
1. Chepchurov M.S., Pogonin A.A., Shirtladze A.G. Modernizaciya mashin dlya lit'ya termoplastov na baze personal'nyh kopr'yuterov // Remont. Vosstanovlenie. Modernizaciya. 2007.№5.S. 7–14.
2. Menges G., Mikaeli V., Moren P. Kak delat' lit'evye formy. SPb.: Professiya, 2007. 614 s.
3. Pershin, N.S., Chepchurov M.S. Izgotovlenie formoobrazuyuschih detaley press-form iz kompozicionnyh materialov// Vestnik sibirskoy gosudarstvennoy avtomobil'no-dorozhnoy akademii. 2015. №6. S. 76-81.
4. Pershin, N.S., Chepchurov M.S. Ispol'zovanie metallopolimerov v press-formah dlya lit'ya plastmass // Vestnik sibirskoy gosudarstvennoy avtomobil'no-dorozhnoy akademii. 2015. №4. S. 86–90.
5. Mini-katalog himii WEICON. M.: Izdatel'stvo «Ofis YuMP», 2013. 20 s.
6. Vladimirov, V.M. Izgotovlenie shtampov, press-form i prisposobleniy: Uchebnik. M.: Vysshaya shkola, 1974.431 s.
7. GOST 27358-87. Press-formy dlya izgotovleniya izdeliy iz plastmass. Obschie tehnicheskie usloviya. M.: Izdatel'stvo standartov, 2004.16 s.
8. GOST 24643-81. Dopuski formy i ras-polozheniya poverhnostey. M.:Izdatel'stvo standartov, 2004.10 s.
9. Frolov K.V. Tehnologiya izgotovleniya detaley mashin (ME tom 3).M.: Izd. Mashinostroenie, 2000.840 s.
10. Andreev A.S., Shubina K.O., Vol'fov D.Yu., Yankovskaya N.F., Fillipov Yu.A. Vysokoskorostnaya obrabotka termoplastov // Aktual'nye problemy aviacii i kosmonavtiki. 2015. T.1. №11. S. 17–19.
11. Ivaschenko Yu.G., Fomina N.N., Polyanskiy M.M., Pimenov S.A. Razrabotka sostavov kompozicionnyh materialov na osnove smeshannyh termoplastichnyh polimernyh othodov/ Intellektual'nye stroitel'nye kompozity dlya zelenogo stroitel'stva : sb. materialov mezhdu-narodnoy nauchno-prakticheskoy konferencii, posvyaschennaya 70-letiyu zasluzhennogo deyatelya nauki RF, chlena RAASN, doktora tehnicheskih nauk, professora Valeriya Stanislavovicha Lesovika.2016. S. 327–332.
