Москва, г. Москва и Московская область, Россия
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
ГРНТИ 55.01 Общие вопросы машиностроения
ГРНТИ 55.13 Технология машиностроения
ГРНТИ 55.35 Металлургическое машиностроение
Рассмотрено влияние метода механической обработки на долговечность деталей машиностроения, изготовленных из дисперсно-упрочненных полимерных композиционных материалов. Были проведены сравнительные испытания на циклическую прочность образцов, полученных традиционным методом фрезерования алмазным инструментом и с использованием гидроабразивного резания (ГАР). Испытания базировались на оценке количества циклов до разрушения и дрейфа амплитудночастотной характеристики образца при вибровоздействии на его резонансной частоте. Подтверждена перспективность ГАР в качестве альтернативы традиционным методам механической обработки ДУПКМ.
машиностроение, механическая обработка, гидроабразивное резание, дисперсно-упрочненные полимерные композиционные материалы
Введение
Применение дисперсно-упрочненных полимерных композиционных материалов (ДУПКМ) в станкостроении является перспективным направлением [1, 2], которое позволяет реализовать противоречивое требование изготовления единичных образцов (и малых партий) конструкций и деталей станков (станин) при их малой себестоимости. Различная рецептура и способы обработки позволяют получать детали с различными механическими свойствами, удовлетворяя разнонаправленные запросы современного машиностроения, при этом данный материал более технологичный по сравнению с серым чугуном [3].
Вместе с тем, при проектировании и производстве деталей из ДУПКМ возникает ряд проблем, затрудняющих использование данного материала в машиностроении. В первую очередь ‒ это низкая эффективность существующей технологии механической обработки деталей из ДУПКМ. В настоящее время единственным методом формирования отверстий, пазов и других элементов детали является резание алмазным инструментом без применения смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ).
Отказ от использования СОЖ связан с образованием в процессе резания этого материала гидроабразивной суспензии, которая приводит к повышенному износу подвижных частей станка. Данная технология механической обработки деталей из ДУПКМ характеризуется, как низкой производительностью, так и неудовлетворительным качеством формирующегося поверхностного слоя детали. Последнее определяется деградацией полимерного связующего материала вследствие температурного воздействия в зоне резания [4] (рис. 1).
Рис. 1
Как следствие, это может приводить к снижению прочностных характеристик детали и в первую очередь ее усталостной прочности. Известно доминирующее влияние вибраций, в результате действия которых происходит более 70 % отказов в машиностроительных изделиях ответственного функционального назначения [5].
Проведенные в МГТУ им. Н.Э Баумана исследования показали перспективность применения технологии гидроабразивного резания (ГАР) при механической обработке деталей из ДУПКМ по сравнению с обработкой алмазным инструментом по критерию производительности (достигнуто 2‒3-х кратное повышение производительности при обработке типовых деталей).
В настоящей статье приводятся результаты дальнейших исследований, ставящих целью оценку влияния двух технологий механической обработки на долговечность конструкции.
Методика испытаний
В качестве критерия при сравнительном исследовании прочностных характеристик был выбран результат динамических испытаний образцов заданной геометрии на циклическую прочность.
Основой методики определения циклической прочности является подход, реализованный при испытаниях образцов сварных соединений [7] и крупногабаритных изделий [8] на усталость на резонансных режимах, а также методиках, приведенных в отраслевом стандарте ГОСТ РВ 20.57.305-98. На основе этого подхода был разработан алгоритм испытания, представленный на рис. 2.
Рис. 2
При испытаниях контрольные образцы материала закрепляются консольно. Вибровозмущение производится на собственной резонансной частоте первого тона образцов, поскольку изгибающий момент в консольной балке достигает максимального значения в заделке.
Исследования проводились на тонкостенных плоских образцах (ГОСТ 25.502–79), где фактор качества поверхностного слоя играет важную роль в формировании эксплуатационных показателей таких ответственных частей деталей машиностроения, как ребра жесткости и несущие стенка.
С целью выбора испытательного оборудования в конфигурации, обеспечивающей требуемые режимы испытаний, была произведена предварительная оценка резонансной частоты консольно закрепленного образца из ДУПКМ с использованием программного обеспечения SolidWorks. На основании полученных результатов в качестве основы испытательного стенда использовался электродинамический вибростенд DataPhysics GW-V400LT/DSA1-2K, позволяющий осуществлять вибронагружение консольно закрепленного образца на резонансной частоте с заданной величиной виброускорения. Структурная схема стенда приведена на рис. 3.
Рис. 3
На рис. 4 приведен чертеж и фотография образца из ДУПКМ. Образцы были изготовлены из листового ДУПКМ толщиной 8 мм с использованием режимов обработки, приведенных в табл. 1. Состав ДУПКМ приведен в табл. 2.
Рис. 4, а, б, в
Табл. 1
Табл. 2
Образцы последовательно фиксируются с использованием оснастки, смонтированной на платформе вибростенда. Сигналы с контрольного (установленного на столе стенда) и вспомогательного (на испытуемом образце) акселерометров регистрируются управляющим программным обеспечением, которое, с учетом полученных данных, управляет параметрами вибронагружения. Крепление акселерометров осуществлялось согласно ГОСТ ИСО 5348-2002. Местоположение акселерометров фиксировано.
На рис. 5 приведена фотография установленного образца.
Рис. 5
В процессе испытаний в автоматическом режиме регистрируется количество циклов до разрушения и/или смещения амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) за заданное число циклов. Перед испытаниями образцов определялась амплитуда перемещения S0, при которой среднее время разрушения образцов на собственной резонансной частоте составляло 45 мин. Такой временной промежуток является наиболее комфортным для фиксации данных оператором при разбросе прочностных свойств образцов. Значение амплитуды перемещения в точке установки вспомогательного датчика равно S0 = 3 мм (соответствует 3g).
На первом этапе испытаний методом качающейся частоты в диапазоне от 10 до 250 Гц производится экспериментальное определение собственной частоты каждого образца первого тона Fрез (рис. 6), на которой будет производиться испытание. Значение амплитуды ускорения стола стенда 1 g.
Рис. 6
Затем определяется величина вибрационного ускорения A, обеспечивающего заданную амплитуду перемещения S0 в фиксированном для всех образцов месте установки вспомогательного акселерометра. Это позволяет нивелировать действие таких факторов, как качество фиксации образца в оснастке и незначительный разброс линейных размеров образцов.
На третьем этапе производится вибронагружение консольно закрепленного образца с частотой Fрез. При этом производится регистрация смещения АЧХ каждые nd = 1000 циклов. При разрушении образца регистрируется число циклов до разрушения Nразр. Испытания проводятся для каждого образца обеих групп.
Результаты испытаний
Результаты проведенных экспериментальных исследований приведены в табл. 3.
Табл. 3
Было установлено, что образцы, полученные с помощью ГАР, демонстрируют более высокую усталостную прочность (в среднем на 22,6 %), чем у полученных традиционным методом фрезерования алмазным инструментом. При этом резонансная частота образцов, полученных с помощью ГАР, была также выше в среднем на 6,3 %, что может быть связано с большим количеством дефектов, возникающих при фрезеровании. Регистрация дрейфа резонансной частоты показала, что динамика данного смещения (отнесенная на количество циклов) более высокая в случае обработки фрезерованием, что также подтверждает гипотезу о более высокой концентрации дефектов при данном методе обработки. Помимо прочего наблюдалось снижение значения собственной резонансной частоты за 20…40 тысяч циклов до разрушения образца.
Выводы
Разработана методика, формализованная в виде алгоритма, позволяющая осуществлять ускоренные сравнительные испытания на усталостную прочность образцов из ДУПКМ. Результаты исследования с использованием данной методики подтвердили более высокую циклическую прочность образцов, изготовленных с использованием ГАР, по сравнению с образцами, полученными фрезерованием. Таким образом, ГАР может рассматриваться в качестве перспективного метода механической обработки, являющейся альтернативой традиционному методу фрезерования алмазным инструментом, позволяющему повысить производительность механической обработки и снизить термическую нагрузку на материал, что приведет к повышению прочностных характеристик получаемых деталей и, как следствие, надежности конечного изделия.
1. Нотин, И.А. Проблемы конструкторско-технологического проектирования изделий машиностроения на основе дисперсно-упрочненных полимерных ком-позиционных материалов // Известия вузов. Машиностроение. ‒ 2018. ‒ №12 (705). ‒ С. 10-19.
2. Нотин, И.А. Повышение эффективности подготовительного этапа изготовления деталей машин из дисперсно-упрочненных полимерных композиционных материалов // Наукоемкие технологии в машиностроении. ‒ 2018. ‒ № 9(87). ‒ С. 3-8.
3. Рогов, В.А., Позняк, Г.Г. Технология машиностроения. Штамповочное и литейное производство: учебник для СПО; ‒ 2-е изд., испр. и доп. ‒ М.: Издательство Юрайт, 2019. ‒ 330 с.
4. Reis, João Marciano Laredo dos. (2012). Effect of tem-perature on the mechanical properties of polymer mor-tars. Materials Research, 15(4), 645-649. Epub August 07, 2012.https://dx.doi.org/10.1590/S1516-14392012005000091
5. Pratesh Jayaswal and Nidhi Gupta. An investigation of tool condition monitoring // International Journal of Engineer-ing Science and Technology. ‒2012. ‒ Vol. 4. ‒№ 8. ‒ pp. 3858-3865.
6. Шалаев, В.А. Механическая обработка сварных соединений. ‒ М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. ‒ 88 с.
