Исследование динамических характеристик ультразвукового алмазного фрезерования высокопрочной керамики

Перспективы применения высокопрочной керамики в авиации и космонавтике неразрывно связаны с обеспечением технологической надёжности процессов обработки деталей. Изделия из карбида кремния (SiC), нитрида кремния (Si₃N₄) и композитов на их основе обладают уникальным сочетанием свойств: высокой жаропрочностью и жаростойкостью, повышенной плотностью, а также исключительной стойкостью к окислению и термическим ударам [1]. Эти характеристики позволяют им работать в экстремальных условиях при температурах 1 400...1 600 ° C, что делает их идеальными материалами для основных деталей и узлов авиационных и ракетных двигателей, таких как лопатки турбин, сопловые аппараты, подшипники и теплозащитные экраны [2].

Однако широкое внедрение керамики сдерживается существенными технологическими трудностями. В большинстве случаев высокая твёрдость и низкая пластичность этих материалов не позволяет обрабатывать их механическими методами с необходимой точностью и качеством поверхностного слоя [3]. При изготовлении точных сложнопрофильных деталей, таких как лопатки турбин, возникают проблемы с обеспечением заданной геометрии профиля. Это связано с деформацией (отжимом) и интенсивным износом режущего инструмента под действием значительных сил резания [4]. В условиях высоких динамических нагрузок это не только снижает точность обработки, но и может привести к полному разрушению инструмента и браку дорогостоящей заготовки.

Эффективным решением данной проблемы является применение ультразвуковой (УЗ) обработки. Данный метод подразумевает наложение высокочастотных колебаний (как правило, 18...22 кГц) на режущий инструмент. Это позволяет принципиально изменить характер взаимодействия инструмента и материала.

Основные преимущества ультразвуковой обработки керамики:

• •    снижение сил резания — ультразвуковые колебания уменьшают динамическое воздействие на инструмент и заготовку, минимизируя риск деформации и сколов;

• •    повышение стойкости инструмента — снижение нагрузок и температур в зоне резания способствует уменьшению износа режущей части инструмента;

• •    обеспечение высокого качества поверхности — ультразвуковая обработка позволяет добиться требуемых параметров шероховатости и качества поверхностного слоя без микротрещин.

• •    увеличение производительности — снижение сил резания позволяет повысить параметры режимов обработки (скорость резания, величину подачи).

Таким образом, учитывая отсутствие отработанной технологии изготовления деталей двигателей летательных аппаратов из высокопрочной керамики, которая бы стабильно обеспечивала необходимую точность и качество поверхности, разработка и внедрение ультразвуковых методов обработки являются особенно важными. Дальнейшие исследования должны быть направлены на оптимизацию режимов УЗ-обработки (амплитуды, частоты , характеристик режущего инструмента), разработку специализированного оборудования и создание комплексных технологических решений, гарантирующих получение высокоточных и надёжных деталей и узлов для аэрокосмической отрасли.

Для экспериментов по влиянию режимов обработки на динамические характеристики алмазного фрезерования была использована модернизированная экспериментальная установка на базе портально-фрезерного станка с числовым программным управлением (рис. 1, 2).

В качестве измерительного блока для исследования режимов резания был выбран динамометр модели X-6A-XD80-H28-500N-10N (рис. 3), предназначенный для измерения сил резания при фрезерной обработке. Динамометр X-6A-XD80-H28 представляет собой высокоточный многокомпонентный измерительный прибор, построенный на пьезоэлектрическом принципе. Его ключевой особенностью является способность одновременно измерять все шесть компонент нагрузки: три силовые ( F_x, F_y, F_z ) и три момента ( M_x, M_y, M_z ).

Рис. 1. Схема экспериментальной установки с измерительным динамометрическим блоком: 1 — бак-отстойник; 2 — стол; 3 — усилитель; 4 — преобразователь; 5 — персональный компьютер; 6 — шпиндель; 7 — электромотор; 8 — частотный преобразователь; 9 — ультразвуковой генератор; 10 — форсунка; 11 — бак; 12 — фреза; 13 — измерительный блок; 14 — насос (рисунок создан авторами)

Рис. 2. Экспериментальная установка с измерительным динамометрическим блоком (фотография сделана авторами)

Рис. 3. Динамометр для измерения сил резания (фотография сделана авторами)

Динамометр обладает следующим диапазо- ном измерений:

по силовым осям ( F _x , F _y , F _z ) ............. до ±0,4 кН;

по осям моментов ( M _x , M _y , M _z ) ........... ±10 Н·м.

Высокая собственная резонансная частота, превышающая 2,5 кГц, обеспечивает безынерционное измерение быстроменяющихся динамических процессов, что делает его незаменимым для анализа таких процессов, как ультразвуковая обработка. Точность прибора очень высока — его погрешность не превышает ±1% от полной шкалы измерений.

Методика проведения эксперимента

Для проведения экспериментов была выбрана схема фрезерования с постоянной скоростью продольной подачи S (мм/мин) (рис. 4) [5, 6]. При проведении экспериментов варьировалась глубина резания t (мм), так как именно эта величина в наибольшей степени оказывает влияние на изменение сил резания. Обработке подвергались глухие пазы (стеснённое резание). Именно при такой схеме резания, на наш взгляд, в наибольшей степени проявляются все преимущества и недостатки наложения ультразвуковых колебаний на режущий инструмент. Скорость резания при ультразвуковом фрезеровании является суммарной скоростью вращения инструмента и его продольного колебания и вычисляется по следующей формуле:

Рис. 5. Алмазный инструмент (фотография сделана авторами)

где V _Е — суммарная (результирующая) скорость резания; V — окружная скорость вращения фрезы; V_a — максимальная колебательная скорость.

P z

P x

n

A

S

P ^y

Рис. 4. Схема с продольно-круговой подачей инструмента: 1 — главная режущая поверхность; 2 — вспомогательная режущая поверхность; S — скорость продольной подачи; A — амплитуда колебаний; n — частота вращения инструмента; t — глубина резания; B — ширина паза; P_x , P_y , P_z — составляющие силы резания по осям Ox , Oy , Oz соответственно (рисунок создан авторами)

Для обработки высокопрочной керамики применялся алмазный инструмент в виде цилиндрических алмазных фрез на металлической связке 0 6 мм. Твёрдость синтетических алмазов АС32, зернистость 315/220 (рис. 5).

В качестве смазочно-охлаждающей жидкости применялся 3%-й раствор соды в воде.

Перед проведением работ по фрезерованию заготовку необходимо закрепить на сменной платформе, устанавливаемой на измерительный блок (рис. 6). В качестве связующего компонента для установки заготовки на сменную платформу был выбран клеящий состав на основе канифоли.

Рис. 6. Закреплённая на измерительном блоке заготовка из SiC после проведения серии экспериментов (фотография сделана авторами)

По результатам проведённых ранее исследований [7] были выбраны рациональные режимы обработки, а также амплитудно-частотные характеристики ультразвукового воздействия на режущий инструмент. Режимы резания, применяемые в ходе проведения экспериментов по обработке фрезерованием высокопрочной керамики SiC, следующие: S = 10 мм/мин; A = 8.12 мкм; f = 22.24 кГц; n = 4 000 об/мин; l паза = 10 мм, где S — подача инструмента; A — амплитуда УЗ-колебаний; f — частота УЗ-колебаний; n — частота вращения инструмента; l _паза — длина паза после обработки.

В качестве варьируемого параметра при измерении сил резания была выбрана глубина резания t = 0,3...0,7 мм.

В ходе обработки экспериментальных исследований были построены зависимости составляющей силы резания Py от времени т. Каждая линия на графике строилась по трём предварительно проведённым экспериментам. Выбиралась глубина резания и режим обработки — с ультразвуком или без него. Заготовка обрабатывалась на одном из режимов с постоянной глубиной трижды, затем данные передавались на персональный компьютер для обработки. В ходе работы с результатами строился общий график по трём результатам. Путём вычисления среднего арифметического из трёх точек на графике выделялась одна, которая вносилась на четвёртый график. Выбивающиеся точки удалялись, поскольку являлись ошибками записи программного комплекса. Полученные таким образом результаты вносились в окончательную таблицу для анализа.

В ходе анализа результатов трёх экспериментов было принято решение рассматривать исключительно составляющую P_y , поскольку она имеет решающее влияние на точность обрабатываемой поверхности и деформацию инструмента в процессе работы.

Анализ полученных результатов обработки керамики без наложения ультразвуковых колебаний показал, что практически на всех режимах обработки происходит резкое возрастание силы резания P_y как в процессе врезания, так и на стационарном режиме обработки. В ходе работы инструмента в режиме самозатупления происходит также частичное налипание частиц керамики на режущую поверхность инструмента. Увеличение глубины фрезерования до значений выше 0,7 мм приводит к сильной деформации режущего инструмента (изгибу) и, как следствие, к его разрушению.

Применение ультразвука снижает величину силы резания P_y как на этапе врезания в заготовку, так и в процессе обработки, в 2–5 раз. Инструмент работает в режиме самозатачивания. Однако при глубине резания более 1 мм начинается процесс затупления инструмента, возрастают силы резания и снижается производительность обработки.

Результаты проведённых экспериментов представлены на рис. 7, 8.

При детальном рассмотрении графиков необходимо отметить постоянное колебание значений в пределах номинала. Это вызвано работой зёрен алмазного инструмента — в определённый момент количество работающих в зоне обработки зёрен разнится, что приводит к постоянному изменению сил резания.

Заключение

Обработка высокопрочной керамики SiC на исследуемых режимах алмазным инструментом приводит к интенсивному затуплению режущего инструмента и резкому возрастанию сил резания.

Фрезерование алмазными инструментами при глубине резания свыше 0,7 мм приводит к разрушению фрез вследствие действия силы P_y ,

Рис. 7. График изменения составляющей силы резания P _y от времени т при обработке без наложения ультразвуковых колебаний на инструмент:       — глубина резания t = 0,3 мм; ---- — t = 0,5 мм; ---- — t = 0,7 мм

(рисунок создан авторами)

Рис. 8. График изменения составляющей силы резания Py от времени т при обработке с наложением ультразвуковых колебаний на инструмент:       — глубина резания t = 0,3 мм; ---- — t = 0,5 мм; ---- — t = 0,7 мм

(рисунок создан авторами)

вызывающей критическую деформацию — изгиб режущего инструмента.

Наложение продольных ультразвуковых колебаний на режущий инструмент переводит его в режим самозатачивания при глубине фрезерования до 1 мм.

Величина силы P_y на всех исследуемых режимах обработки с ультразвуком была в 2–5 раз ниже, чем без него.

Применение ультразвука позволяет обрабатывать криволинейные и сложнопрофильные детали двигателей летательных аппаратов из керамических материалов с минимальными погрешностями размеров и формы.