Исследование процесса ультразвукового фрезерования высокопрочной керамики, применяемой для изготовления деталей авиационной и космической техники

Керамические материалы на основе карбида и нитрида кремния являются перспективными для изготовления деталей авиационных и ракетных двигателей, работающих в условиях высоких температур и агрессивных сред. Они обладают высокой жаропрочностью и жаростойкостью, высокими плотностью и стойкостью к окислению и термическим ударам. Детали, изготовленные из высокопрочной керамики, способны работать при температурах до 1 400-1 600 ° С. Эти материалы с успехом могут быть использованы в конструкции принципиально новых авиационных и ракетных двигателей [1–3].

Однако, высокие твёрдость и хрупкость, низкая пластичность такой керамики являются существенными факторами, влияющими на её производительную и качественную обработку. Эти материалы чрезвычайно трудно поддаются всем видам механической обработки (лезвийной и абразивной) из-за высокого износа режущего инструмента и неудовлетворительного качества обработанной поверхности [4].

В настоящее время ультразвуковая обработка находит всё более широкое применение при изготовлении деталей сложной формы из труднообрабатываемых материалов, таких как высокопрочная керамика, твёрдые сплавы, а также композитные материалы [5].

Наложение ультразвуковых колебаний на режущий инструмент позволяет повысить режимы обработки, снизить износ режущего инструмента и обеспечить необходимое качество поверхностного слоя. Наложение ультразвуковых колебаний на вращающийся режущий инструмент позволяет снизить динамическое воздействие (силы резания) на инструмент и заготовку, что в свою очередь играет важную роль при обработке заготовок из хрупких неметаллических материалов [6].

Учитывая, что в настоящее время нет научно обоснованных технологических рекомендаций по производительной и качественной обработке высокопрочной керамики, являющейся перспективным материалом для изготовления деталей авиационных и ракетных двигателей, были проведены экспериментальные исследования по алмазному ультразвуковому фрезерованию керамики на основе карбида кремния (SiC).

оборудование для проведения экспериментов

Для проведения экспериментов по высокоскоростному алмазному фрезерованию керамических заготовок с применением ультразвука была спроектирована и изготовлена установка на базе 3-координатного портально-фрезерного станка с числовым программным управлением (рис. 1).

В состав установки входят:

• •    портально-фрезерный станок с числовым программным управлением с установленной вместо рабочего стола ванной из нержавеющего материала для возможности обработки заготовок, полностью погружённых в смазочно-охлаждающую жидкость;

• •    компьютер с программным обеспечением для настройки и управления приводными двигателями, а также для запуска и отладки управляющей программы для обработки;

• •    спроектированный и изготовленный ультразвуковой шпиндель для алмазного фрезерования, позволяющий осуществлять процесс фрезерования как с наложением осевых ультразвуковых колебаний на режущий инструмент, так и без него [7];

• •    ультразвуковой генератор, предназначенный для преобразования электрической энергии переменного тока промышленной частоты в электрическую энергию переменного тока высокой частоты и служащий для питания пьезокерамических элементов в составе ультразвукового шпинделя;

• •    частотный преобразователь для регулировки скорости вращения ультразвукового шпинделя;

• •    система подачи смазочно-охлаждающей жидкости в зону обработки.

Для проведения экспериментов по высокоскоростной обработке высокопрочной керамики применялся алмазный инструмент в виде цилиндрических алмазных фрез на металлической связке ∅ 6 мм. Твёрдость синтетических алмазов АС32, зернистость 160/125, 250/200.

Рис. 1. Установка для ультразвукового фрезерования керамики: 1 — компьютер с программным обеспечением; 2 — ультразвуковой шпиндель (излучатель); 3 — ультразвуковой генератор; 4 — 3-координатный портальнофрезерный станок с ЧПУ

Методика проведения экспериментов

Фрезерование пазов производилось по методу постоянной подачи [8]. Этот метод обработки характеризуется постоянной скоростью подачи S (мм/мин), при этом инструмент и изделие находятся под действием переменной силы резания. Для проведения экспериментов была выбрана схема фрезерования с продольной подачей инструмента при обработке глухих пазов (стеснённое резание) (рис. 2). При такой схеме резания в наибольшей степени проявляются все преимущества и недостатки наложения ультразвуковых колебаний на режущий инструмент.

Рис. 2. Схема фрезерования с продольно-круговой подачей инструмента: 1 — главная режущая поверхность; 2 — вспомогательная режущая поверхность; n - частота оборотов шпинделя; А – амплитуда колебаний; t – глубина резания; В – ширина обрабатываемого паза

Процесс ультразвуковой алмазной обработки характеризуется тем, что к обычной кинематической схеме алмазной обработки добавляется элемент кинематики ультразвукового резания в виде высокочастотных колебаний малой амплитуды.

Рассмотрим кинематику процесса ультразвукового алмазного фрезерования с продольно-круговой подачей, где главным режущим элементом является поверхность алмазной фрезы. Анализ кинематики процесса микрорезания позволяет установить траекторию движения единичного зерна и длину контакта зерна с обрабатываемой деталью. На рис. 3 показано действие ультразвуковых колебаний (общий случай) на работу алмазного зерна при фрезеровании с продольно-круговой подачей.

Рис. 3. Действие ультразвуковых колебаний на работу зерна при обработке боковой поверхностью инструмента: β _х, β _y, β _z — углы между направлением колебательного перемещения зерна и координатными осями; A s_irT — смещение зерна от действия ультразвуковых колебаний; V — постоянная окружная скорость единичного зерна; S — скорость подачи

В условиях вын_–ужденных колебаний вектор скорости V _Σ является_– суммой двух векторов — постоянного V _– (окружная скорость) и переменного V_A (колебательная скорость). В рассматриваемом случае обработки присутствует также значение скорости подачи S . Однако, скорость подач_–и S _–значительно меньше скоростей V и V_A , и её можно не учитывать при расчётах. _–

Величина и направление V _Σ определяются величиной и направлением обоих векторов. Очевидно, что при резании с колебаниями истинная скорость V _Σ является переменной величиной. В соответствии с рис. 4, подставляя известные значения колебательной скорости [8], получим выражение средней истинной скорости резания закреплённого зерна V _{ср Σ} в следующем виде: ^р

V_mm = v V ² + А ² ю ² = V V ² + 4 п ² F А ² ;

V min = V ;

^V срΣ

4 A ² ω ²

V ² +          = V ² + 16 f ² A ² ,

π ²

где А — амплитуда колебаний зерна; f — частота колебаний; ω — циклическая частота колебаний.

Рис. 4. Изменение истинной скорости резания при воздействии ультразвука на режущее зерно

Изменение величины и направления истинной скорости резания происходит в пределах угла 2 α . Величина угла α находится из выражения

V α tan a =---,

V

тогда

V α

tanα

max

max

V

tan α cp

V α ср

V

4^

V

Можно предположить, что в процессе ультразвукового алмазного фрезерования соотношение между величинами скоростей

резания ( V и V α ) и угла α (угол внедрения зерна) во многом определяет характер физико-механических процессов, происходящих в зоне резания.

оценка эффективности обработки керамики

Оценка обработки керамики выполнялась по следующим критериям:

• •    шероховатость поверхности ( Ra ) (рис. 5),

• •    точность паза (рис. 6),

• •    удельный износ инструмента в процессе фрезерования (рис. 7).

Динамические характеристики процесса фрезерования (силы резания и моменты) оценивались по величине изгиба инструмента и падения оборотов шпинделя.

При проведении экспериментов частота вращения шпинделя и акустические характеристики процесса были следующие: n = 4 000 мин ^–1 ; A = 8...12 мкм; f = 22...24 Гц. Результаты проведённых экспериментов представлены в виде графических зависимостей, из которых видно, что накладываемые на алмазный инструмент ультразвуковые колебания при определённых режимах обработки оказывают положительное влияние как на шероховатость поверхности, так и на её точность. Из графиков, представленных на рис. 7, видно, что ультразвуковые колебания негативно сказываются на износе алмазного инструмента вследствие увеличения собственной амплитуды колебаний инструмента из-за накладываемых ультразвуковых волн.

а)                                                         б)

Рис. 5. Зависимость шероховатости поверхности от глубины резания (а) и скорости подачи (б): ■ — без ультразвука; • — с ультразвуком

а)

б)

а)

Рис. 7. Зависимость удельного износа инструмента от глубины резания (а) и скорости подачи (б): ■ — без ультра

Рис. 6. Зависимость точности паза от скорости подачи (а) и глубины резания (б): ■ — без ультразвука;

• — с ультразвуком

б)

звука; • — с ультразвуком

заключение

В результате проведения предварительных экспериментов было установлено, что:

• •    наибольшее влияние ультразвука на процесс фрезерования керамики проявляется в диапазоне частот вращения шпинделя n = 2 000…4 000 мин ^–1 ;

• •    снижается динамическое воздействие (уменьшаются силы резания и моменты) на инструмент. Алмазная фреза работает в режиме, близком к режиму самозатачивания;

• •    уменьшается шероховатость обработанной поверхности;

• •    обработка с применением ультразвука позволяет фрезеровать керамику на основе карбида кремния (SiC) на более интенсивных режимах резания ( t = 0,8…1,0 мм; S = 12…15 мм/мин;

f = 21…23 кГц; А = 10…12 мкм), чем без применения ультразвука, что позволяет увеличить производительность процесса;

• •    обработка на вышеперечисленных режимах без применения ультразвука приводит к интенсивному затуплению (засаливанию) инструмента, увеличению сил резания и, как следствие, к по-

• ломке инструмента;

• •    влияние ультразвука при увеличении частоты вращения шпинделя n > 4 000 мин ^–1 существенно снижается. Увеличивается износ по кромке инструмента (кромочный износ). Снижается производительность процесса и точность обработки;

• •    для черновой и получистовой обработки керамики на основе карбида кремния (SiC) целесообразно применять наложение продольных ультразвуковых колебаний на режущий

инструмент. Окончательную обработку керамики следует производить на высокооборотных станках с частотой вращения n > 4 000 мин ^–1 с малой глубиной и подачей.