Przedstawić właściwości użytkowe materiałów PEEK wzmocnionych włóknem węglowym oraz charakterystykę strukturalną części wykonanych z tego materiału, przeanalizować trudności w przetwarzaniu takich materiałów, wybrać narzędzia z diamentu polikrystalicznego i inne narzędzia jako obiekty badawcze oraz zbadać narzędzia z diamentu polikrystalicznego w oparciu o konstrukcję wielu porównawcze eksperymenty procesowe. Zastosowanie narzędzi diamentowych w obróbce tworzyw sztucznych wzmacnianych włóknem węglowym (PEEK5600CF30) oraz parametry obróbki powszechnie stosowanych narzędzi.
1 Przedmowa
Materiał PEEK wzmocniony włóknem węglowym skutecznie poprawia odporność na zużycie i właściwości mechaniczne materiału po dodaniu włókna węglowego. Jest to specjalne tworzywo konstrukcyjne o doskonałych parametrach. Wśród nich wysoka odporność na zużycie i wyjątkowe właściwości mechaniczne materiału PEEK5600CF30 sprawiają, że jest on szeroko stosowany w hermetycznych elementach uszczelniających i pozycjonujących podpory. Podczas toczenia materiałów PEEK5600CF30 napotkano również poważne problemy, takie jak szybkie zużycie narzędzi i niska wydajność obróbki. Podczas obróbki wymiarów o wysokiej precyzji wartość kompensacji narzędzia zmienia się znacznie, a dokładność przetwarzania nie jest łatwa do zagwarantowania. Materiał narzędziowy PCD (diament polikrystaliczny) ma zalety ścisłego połączenia cząstek, niełatwego do złamania i wysokiej odporności na zużycie. Jako narzędzie tokarskie kąty przedni i tylny mogą osiągnąć dużą wartość, a siła skrawania jest niewielka. Nadaje się do obróbki materiałów niemetalowych [1- 3].
2 Charakterystyka konstrukcyjna i zagadnienia obróbki części
Obrobiony w autorskiej jednostce pierścień redukujący zużycie haka wyrzutowego wykonany jest z tworzywa konstrukcyjnego wzmocnionego włóknem węglowym PEEK5600CF30. Grubość ścianki części wynosi 1 mm, wartość chropowatości powierzchni wewnętrznego otworu i zewnętrznego koła Ra wynosi 1,6 μm, a średnica zewnętrznego koła wynosi 30 ~ 55 mm. , długość wynosi 1 ~ 10 mm, strukturę części i widok trójwymiarowy pokazano na rysunku 1 i rysunku 2.
zdjęcie
Rysunek 1 Konstrukcja pierścienia przeciwciernego
Rysunek 2 Trójwymiarowy widok pierścienia przeciwciernego
Obecnie istnieją trzy główne problemy związane z przetwarzaniem specjalnych tworzyw konstrukcyjnych PEEK: po pierwsze, użycie narzędzi węglikowych do obróbki, żywotność narzędzia jest wyjątkowo niska; po drugie, podczas przetwarzania nie można skutecznie zagwarantować dokładności wymiarowej i chropowatości powierzchni części, a stabilność jakości jest niska; po trzecie, toczenie Wydajność obróbki jest niska i należy optymalizować parametry skrawania [4, 5].
3 rozwiązania
3.1 Narzędzia skrawające PCD
Ogólne narzędzie PCD składa się z trzech części: narzędzia metalowego, łatki PCD i warstwy kleju. Rysunek 3 to schematyczny diagram typowej konstrukcji ostrza PCD. Osnowa z węglika spiekanego i łatka PCD są połączone warstwą kleju.
zdjęcie
Rysunek 3 Narzędzie PCD
Jakość narzędzi PCD zależy głównie od jakości szlifowania łatek PCD i jakości materiału łatek PCD. Obecnie głównym krajowym producentom narzędzi PCD udało się osiągnąć lokalizację i precyzyjną obróbkę materiałów PCD. W związku z tym cena krajowych narzędzi skrawających PCD spadła z nieosiągalnych w latach 90. XX wieku do zasadniczo takich samych, jak w przypadku wysokiej jakości węglików spiekanych. Jednak w porównaniu z importowanymi narzędziami PCD, krajowe narzędzia PCD nadal mają pewne wady, takie jak niestabilna jakość i krótka żywotność. Niektóre krajowe narzędzia skrawające PCD wykorzystują materiały importowane. Ze względu na krajowe poziomy przetwarzania ich technologia przetwarzania krawędzi nadal pozostaje w tyle za zagranicą. W zależności od wielkości cząstek diamentu tworzących materiał, powszechnie stosowane materiały PCD dzielą się na gatunki 20, 30 i 30M. Im większy rozmiar cząstek, tym większa klasa materiału. Podobnie jak w przypadku węglika spiekanego, większe rozmiary cząstek mają lepszą odporność na zużycie i nadają się do obróbki twardszych materiałów.
3.2 Wybór narzędzia
Przyjmując jako obiekt badań obróbkę pierścienia przeciwzużyciowego haka wyrzutowego typowej części wykonanej z PEEK5600CF30, do obróbki wykorzystano odpowiednio narzędzia węglikowe i narzędzia PCD. Zaobserwowano różnicę w zużyciu i zmianach wartości zużycia pomiędzy nimi oraz porównano parametry przetwarzania obu materiałów. Materiał ostrza, sprzęt do obróbki i liczbę obrabianych części przedstawiono w tabeli 1.
Tabela 1 Materiał ostrza, sprzęt do obróbki i liczba obrabianych części
zdjęcie
Podczas procesu obróbki płytek z węglika spiekanego często występuje zużycie kraterowe, zużycie powierzchni przyłożenia i zużycie rowków na powierzchni natarcia. W początkowej fazie zużycia narzędzia krawędź skrawająca jest podatna na pękanie na skutek wytłaczania włókna węglowego; powłoka powierzchni natarcia ulega szybkiemu uszkodzeniu pod wpływem tarcia materiału z włókna węglowego, a matryca ostrza szybko się zużywa, powodując dalsze zmniejszenie wytrzymałości krawędzi i intensyfikację uszkodzeń krawędzi skrawającej; w poważnym stadium zużycia powierzchnia boczna narzędzia ulega poważnemu zużyciu, a łukowy kształt końcówki narzędzia ulega uszkodzeniu (patrz rysunek 4), co powoduje zmniejszenie dokładności obróbki części, poważne wyoblenia i zadziory oraz jakość powierzchni nie może być gwarantowana.
zdjęcie
Rysunek 4 Uszkodzony łukowy kształt końcówki narzędzia
Wartość promienia łuku wierzchołkowego ostrza pokazana na rysunku 4, zmierzona za pomocą mikroskopu elektronowego dużej mocy firmy OLYMPUS, wynosi 0,34 mm, a promień wierzchołka nieużywanego ostrza wynosi 0,4 mm. Różnica pokazuje, że odchylenie teoretycznego położenia ostrza narzędzia wynosi -0,06 mm. Przy obróbce według położenia końcówki narzędzia zmierzonego podczas obróbki pierwszej części oznacza to, że błąd konturu obróbki części wynosi +0,06 mm. Porównując obraz tolerancji grubości ścianek części pierścienia przeciwciernego w mm, tolerancja ta jest wystarczająca, aby spowodować złomowanie części.
Po zastosowaniu narzędzi skrawających z polikrystalicznego diamentu PCD, zużycie narzędzi zostało skutecznie poprawione. Przy tym samym czasie obróbki i warunkach skrawania jedynie powierzchnia natarcia ostrza wykazuje niski stopień zużycia, krawędź tnąca jest w zasadzie nienaruszona, a łukowy kształt końcówki narzędzia utrzymuje wysoką dokładność (patrz rysunek 5), dokładność obróbki części została znacznie poprawiona.
zdjęcie
Rysunek 5 Łukowy kształt końcówki narzędzia zapewnia wysoką dokładność
Rysunek 5 pokazuje, że promień łuku końcówki narzędzia ostrza mierzony za pomocą mikroskopu elektronowego dużej mocy firmy OLYMPUS wynosi 0,385 mm, a promień wierzchołka narzędzia nieużywanego ostrza wynosi 0,4 mm. Różnica pokazuje, że odchylenie teoretycznego położenia ostrza narzędzia wynosi -0.015 mm. Przy obróbce według położenia końcówki narzędzia zmierzonego podczas obróbki pierwszej części oznacza to, że błąd konturu obróbki części wynosi +0.015mm. Porównując obraz tolerancji grubości ścianek części pierścienia przeciwciernego w mm, części te są nadal kwalifikowane w tym momencie.
Na podstawie tego testu można stwierdzić, że płytki węglikowe nie nadają się do toczenia materiałów PEEK5600CF30, a narzędzia PCD nadają się do toczenia materiałów PEEK5600CF30. Zastosowanie narzędzi PCD klasy 20 może zaspokoić te potrzeby. Cylindryczne narzędzie tokarskie PCD wybrane w rzeczywistej obróbce pokazano na rysunku 6.
zdjęcie
Rysunek 6 Zewnętrzne narzędzie tokarskie PCD
3.3 Analiza błędu dokładności wymiarowej przetwarzania
(1) Wpływ siły skrawania narzędzia na obróbkę pierścieni tocznych. Podczas obróbki części, jeśli program CNC zostanie skompilowany zgodnie z normalnym rozmiarem części pierścienia przeciwciernego, okaże się, że kształt wewnętrznego otworu i zewnętrznego koła po obróbce mają zbieżność: na długości 1 0 do 12 mm. Odchyłka wewnętrznego otworu części wynosi 0.04~0.05 mm, a odchyłka zewnętrznego okręgu wynosi 0,01~ 0,03 mm. Kształt wewnętrznego otworu i zewnętrznego koła pokazano na rysunku 7.
zdjęcie
a) Teoretyczny stan części po obróbce b) Rzeczywisty stan części po obróbce
Rysunek 7 Kształt wewnętrznego otworu i zewnętrznego koła
Analizowano przyczynę tego, że część wylotowa części ma niską sztywność, a narzędzie ugina się podczas procesu skrawania. Po przetworzeniu i debugowaniu zbieżność części po obróbce jest kompensowana w programie CNC, aby lepiej zapewnić dokładność przetwarzania. Po próbnej obróbce części istnieje bezpośredni związek pomiędzy wielkością skrawania otworu wewnętrznego a długością osiową części. Zwiększa się rozmiar osiowy i zwiększa się odkształcenie otworu. Po skompensowaniu stożka podczas procesu programowania można skutecznie poprawić dokładność obróbki części.
(2) Wpływ zużycia narzędzi na dokładność wymiarową i jakość powierzchni części. Na przykładzie obróbki części pierścieni tocznych sytuacja zweryfikowana na miejscu wygląda następująco: po obróbce 40{{10}} sztuk, ze względu na duże zużycie narzędzia, jeżeli jest nadal używany, zaleca się każdorazowe przetworzenie 50 sztuk. Dostosuj raz wartość kompensacji narzędzia i zbieżność, a następnie dostosuj wartość średnicy za każdym razem o 0,02 mm. Warunki przetwarzania są następujące: użyj obrabiarki CNC CTX310 do obróbki prętów PEEK5600CF30, a narzędziem jest krajowe narzędzie do wytaczania otworów wewnętrznych PCD. Parametry obróbki: prędkość wrzeciona 1800r/min, posuw 0,06mm/obr, naddatek na obróbkę wykańczającą 0,05mm, nie zaleca się dalszego użytkowania po wykonaniu 700 do 800 sztuk i należy wymienić narzędzie. Powodem tej operacji jest wzrost siły skrawania w wyniku zużycia narzędzia, co z kolei wpływa na dokładność wymiarową i jakość powierzchni części. Wartość przesunięcia narzędzia i program CNC muszą zostać dostosowane na czas, aby zapewnić stopień kwalifikacji obróbki części.
3.4 Parametry cięcia
Tabela 2 przedstawia zalecane gatunki narzędzi PCD i odpowiadające im parametry skrawania. Warunki stosowania tego parametru: Obrabiarką obrabiającą jest tokarka CNC CTX310, grubość ścianki części jest większa lub równa 1 mm, a średnica zewnętrznego koła obróbki wynosi 30 ~ 50 mm. Dodatkowo należy pamiętać, że producentem użytego powyżej ostrza PCD jest firma SECO (Seco) i na tej podstawie można doprecyzować parametry narzędzi innych marek.
Tabela 2 Zalecane gatunki narzędzi PCD i odpowiadające im parametry skrawania
