RU2369478C1

RU2369478C1 - Method of drilling polymer composite materials

Info

Publication number: RU2369478C1
Application number: RU2008119145/12A
Authority: RU
Inventors: Александр Сергеевич Дударев (RU); Александр Сергеевич Дударев; Валентин Иванович Свирщёв (RU); Валентин Иванович Свирщёв
Original assignee: Открытое акционерное общество Пермский завод "Машиностроитель"
Priority date: 2008-05-14
Filing date: 2008-05-14
Publication date: 2009-10-10

Abstract

FIELD: process engineering.

SUBSTANCE: revolving drill bit is moved axially under forced axial vibrations. Note that, preliminary, parametres of axial or torsion vibrations are measured during at least one drill bit revolution, amplitude magnitudes of aforesaid vibrations are recorded to impart compensation vibrations to drill bit allowing for amplitude magnitudes, during preset time intervals and in counter phase at cyclic frequency. The latter is determined from the expression

where ω_k is cyclic frequency of compensation vibrations, (c^-1); ω_dp is cyclic drill pit RPM, (c^-1); φ is the angle of reinforcements, or that between fibers of reinforcing polymer composite materials in adjacent layers, (degrees).

EFFECT: higher quality of holes in drilling polymer composite materials.

2 dwg

Description

Изобретение относится к области обработки материалов резанием, в частности к способам сверления полимерных композиционных материалов (ПКМ), типа углепластиков, стеклопластиков.The invention relates to the field of processing materials by cutting, in particular to methods for drilling polymer composite materials (PCM), such as carbon fiber reinforced plastics, fiberglass plastic.

Известен способ сверления ПКМ, при котором сверлу сообщают вращение и осевое перемещение (Степанов А.А. Обработка резанием высокопрочных композиционных полимерных материалов. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отделение, 1987, с.100).There is a known method of drilling PCM, in which the drill is informed of rotation and axial movement (A. Stepanov. Processing by cutting of high-strength composite polymer materials. - L .: Engineering, Leningrad. Department, 1987, p. 100).

Недостатками известного способа являются низкое качество обработанных отверстий, наличие сколов и разлохмачиваний ПКМ в зонах выхода сверла из обрабатываемых отверстий.The disadvantages of this method are the low quality of the machined holes, the presence of chips and loosening of the PCM in the areas of the drill exit from the machined holes.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что не учитываются осевые или крутильные колебания режущего инструмента, обусловленные структурой ПКМ.The reasons that impede the achievement of the technical result indicated below when using the known method include the fact that the axial or torsional vibrations of the cutting tool due to the PCM structure are not taken into account.

Наиболее близким к предложенному является способ вибрационного сверления отверстий, согласно которому сверлу сообщают вращение и осевое перемещение с наложением на него вынужденных осевых колебаний. Этот способ решает задачу повышения эффективности и качества сверления однородных труднообрабатываемых материалов за счет облегчения условий стружкообразования, дробления сливной стружки и облегчения отвода ее из зоны резания путем сообщения инструменту вынужденных колебаний в осевом направлении (Подураев В.Н. Обработка резанием с вибрациями. - М.: Машиностроение, 1970, с.313-316).Closest to the proposed one is a method of vibratory drilling of holes, according to which the drill is informed of rotation and axial movement with imposed axial vibrations on it. This method solves the problem of increasing the efficiency and quality of drilling homogeneous difficult to process materials by facilitating the conditions of chip formation, crushing of the drain chips and facilitating its removal from the cutting zone by communicating the tool with forced vibrations in the axial direction (V. Poduraev, Cutting with vibrations. - M. : Engineering, 1970, p. 313-316).

К причинам, препятствующим достижению технического результата при использования известного способа, относится то, что при сверлении не учитываются изменения функциональных характеристик (осевой силы, крутящего момента) процесса сверления, обусловленные структурой обрабатываемого материала, что отрицательно отражается на качестве обрабатываемых отверстий, в частности при сверлении ПКМ, - неудовлетворительная шероховатость обработанной поверхности, имеют место сколы и разлохмачивание в зонах выхода сверла из обрабатываемых отверстий.The reasons that impede the achievement of the technical result when using the known method include the fact that during drilling the changes in the functional characteristics (axial force, torque) of the drilling process due to the structure of the material being processed are not taken into account, which negatively affects the quality of the holes being machined, in particular when drilling PCM, - unsatisfactory roughness of the machined surface, chips and loosening occur in the areas where the drill exits the machined hole th.

Задачей заявляемого изобретения является улучшение качества обрабатываемых отверстий при сверлении ПКМ типа углепластиков и стеклопластиков.The objective of the invention is to improve the quality of the machined holes when drilling PCM type carbon fiber reinforced plastic and fiberglass.

Технический результат - динамическая стабилизация пульсации силовых характеристик по осевой силе сверления и крутящего момента процесса сверления ПКМ за счет суммирования двух периодических законов колебаний, т.е. одного закона колебаний, обусловленного строением ПКМ, и второго закона компенсационных колебаний.EFFECT: dynamic stabilization of pulsation of power characteristics with respect to axial drilling force and torque of the PCM drilling process by summing up two periodic laws of vibration, i.e. one law of vibrations due to the structure of the PCM, and the second law of compensatory vibrations.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе сверления отверстий в полимерных композиционных материалах (ПКМ), при котором сверлу сообщают вращение и осевое перемещение с наложением на сверло вынужденных осевых колебаний, предварительно измеряют параметры осевых или крутильных колебаний сверла, как минимум, в течение одного его оборота, вызванные структурой ПКМ, фиксируют амплитудные значения этих колебаний, а затем в определенных интервалах времени сообщают, с учетом зафиксированных амплитудных значений, компенсационные колебания в противофазе с циклической частотой, определяемой из выражения:The specified technical result is achieved by the fact that in the method of drilling holes in polymer composite materials (PCM), in which the drill is informed of rotation and axial displacement with superimposed axial vibrations on the drill, the parameters of the axial or torsional vibrations of the drill are preliminarily measured for at least one its turnover, caused by the PCM structure, fix the amplitude values of these oscillations, and then, at certain time intervals, report, taking into account the recorded amplitude values, the compensation tional fluctuations in anti-cyclic frequency determined by the expression:

где ω_k - циклическая частота компенсирующих колебаний, с^-1;where ω _k is the cyclic frequency of compensating oscillations, s ^-1 ;

ω_св - циклическая частота вращения сверла, с^-1;ω _St - the cyclic frequency of rotation of the drill, s ^-1 ;

φ - угол армирования или угол между волокнами арматуры ПКМ в соседних слоях, град.φ is the angle of reinforcement or the angle between the fibers of the PCM reinforcement in adjacent layers, deg.

Известен способ подавления паразитных колебаний для конструкций, согласно которому используют признаки, сходные с заявляемыми отличительными, а именно измеряют параметры колебаний в течение определенного периода времени, фиксируют пороговые значения этих колебаний и задают в указанных местах компенсационные колебания, учитывающие параметры зафиксированных пороговых значений.There is a method of suppressing spurious vibrations for structures, according to which they use features similar to the claimed distinctive ones, namely, they measure vibration parameters over a certain period of time, fix the threshold values of these vibrations and set compensatory vibrations in these places, taking into account the parameters of the fixed threshold values.

Применение сходных признаков в заявленном способе позволит стабилизировать динамические характеристики процесса обработки, но данные технологические приемы не используют потенциальные возможности улучшения показателей качества обрабатываемых отверстий за счет задания параметров компенсационных колебаний, с учетом их взаимосвязи со структурой армирования ПКМ и параметрами режима сверления (Патент РФ №2044170, МПК F16F 15/03).The use of similar features in the claimed method will stabilize the dynamic characteristics of the processing process, but these technological methods do not use the potential to improve the quality indicators of the machined holes by setting compensation oscillation parameters, taking into account their relationship with the PCM reinforcement structure and drilling mode parameters (RF Patent No. 2044170 IPC F16F 15/03).

Указанные признаки являются отличительными и существенными, впервые применены при сверлении отверстий в ПКМ и в совокупности с другими существенными признаками позволяют получить новый технический результат, не присущий выявленным аналогам, а также выявленным в других технических решениях сходным признакам порознь.The indicated features are distinctive and significant; they were first used when drilling holes in the PCM and, together with other essential features, provide a new technical result that is not inherent to the identified analogues, as well as similar features identified in other technical solutions separately.

Таким образом, заявленное техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень», так как характеризуется новой совокупностью признаков, и новым признаком - математическое выражение

не известным в уровне технике в данной области.Thus, the claimed technical solution meets the criterion of "inventive step", as it is characterized by a new set of features, and a new feature is a mathematical expression

not known in the art.

Использование указанных существенных признаков в совокупности с остальными позволит получить указанный выше новый технический результат и решить поставленную техническую задачу.Using these essential features in conjunction with the rest will allow you to get the above new technical result and solve the technical problem.

Способ осуществляется в следующей последовательности.The method is carried out in the following sequence.

Сверлу сообщают вращение и осевое перемещение, с помощью, например, динамометра измеряют параметры силовых: осевых или крутильных колебаний, как минимум, в течение одного оборота сверла, фиксируют их значения, по амплитудным значениям колебаний силовых характеристик и с учетом режимов сверления - подачи (S₀) и частоты (ω_св) сверления рассчитывают параметры накладываемых на сверло компенсирующих колебаний - циклическую частоту вращения сверла и амплитудное значение компенсирующей силы, при этом циклическую частоту накладываемых компенсирующих колебаний, определяют из выраженияThe drill is informed of rotation and axial displacement, using, for example, a dynamometer, the force parameters are measured: axial or torsional vibrations, at least during one revolution of the drill, their values are recorded, according to the amplitude values of the power characteristics oscillations and taking into account the drilling-feed modes (S ₀ ) and drilling frequencies (ω _sv ) calculate the parameters of the compensating vibrations superimposed on the drill - the cyclic frequency of rotation of the drill and the amplitude value of the compensating force, while the cyclic frequency of the superimposed compensations oscillating oscillations, determined from the expression

φ - угол между волокнами арматуры ПКМ в соседних слоях, град.φ is the angle between the fibers of the PCM reinforcement in adjacent layers, deg.

При сверлении ПКМ в течение времени каждого оборота сверла происходит изменение силовых характеристик (осевой силы, крутящего момента) процесса по периодическому закону, обусловленное строением ПКМ и характером перерезания армирующих волокон режущими лезвиями сверла. Строение ПКМ характеризуется углом φ между волокнами арматуры в соседних слоях, а характер перерезания армирующего волокна определяется углом действия режущих лезвий сверла на волокно и определяется различными напряжениями сдвига - τ_mах и τ_min (МПа) вдоль и поперек волокон, характеристики напряжения сдвига приведены в справочной литературе (Авиационные материалы: Справочник / Том 7, часть 1. Полимерные композиционные материалы. - М., ОНТИ, 1976, 391 с.).When drilling PCM during the time of each revolution of the drill, a change in the force characteristics (axial force, torque) of the process according to the periodic law occurs, due to the structure of the PCM and the nature of the cutting of the reinforcing fibers with the cutting blades of the drill. The PCM structure is characterized by the angle φ between the reinforcing fibers in adjacent layers, and the nature of the cutting of the reinforcing fiber is determined by the angle of action of the cutting blades of the drill on the fiber and is determined by various shear stresses - τ _max and τ _min (MPa) along and across the fibers, the shear stress characteristics are given in the reference literature (Aviation materials: Handbook / Volume 7, part 1. Polymer composite materials. - M., ONTI, 1976, 391 pp.).

Способ поясняется чертежами.The method is illustrated by drawings.

На фиг.1 представлен графически характер изменения силовых характеристик осевой силы и крутящего момента в зависимости от угла поворота сверла.Figure 1 shows graphically the nature of the change in the power characteristics of the axial force and torque depending on the angle of rotation of the drill.

На фиг.2 представлен графически характер изменения силовых показателей в зависимости от угла поворота сверла с наложением компенсирующих колебаний: 1 - колебания, обусловленные строением ПКМ; 2 - компенсирующие колебания; 3 - суммарная характеристика силовых показателей.Figure 2 presents graphically the nature of the change in power indicators depending on the angle of rotation of the drill with the imposition of compensating vibrations: 1 - fluctuations due to the structure of the PCM; 2 - compensating vibrations; 3 - the total characteristic of power indicators.

Пример. Деталь из углепластика КМУ-11э имеет продольно-поперечную схему армирования φ=90°, τ_max=185 (МПа), τ_min=120 (МПа).Example. The KMU-11e carbon fiber part has a longitudinal-transverse reinforcement scheme φ = 90 °, τ _max = 185 (MPa), τ _min = 120 (MPa).

Для такого материала характер изменения осевой силы - Р (Н) и крутящего момента - М (Н·мм) от угла поворота (θ°) сверла приведен на фиг.1.For such a material, the nature of the change in axial force - P (N) and torque - M (N · mm) from the angle of rotation (θ °) of the drill is shown in Fig. 1.

Анализ зависимости Р, M=f(θ) показывает, что в течение времени одного оборота сверла при сверлении углепластика КМУ-11э происходит периодическое изменение Р и М с частотой в 2 раза, превышающей циклическую частоту вращения сверла ω_св. В общем случае, при изменении φ в диапазоне 0<φ<180°, коэффициент превышения будет равен l80/φ.An analysis of the dependence P, M = f (θ) shows that during the time of one revolution of the drill when drilling KMU-11e carbon fiber, there is a periodic change in P and M with a frequency of 2 times the cyclic rotation frequency of the drill ω _sv . In the general case, when changing φ in the range 0 <φ <180 °, the excess coefficient will be equal to l80 / φ.

Для стабилизации процесса сверления ПКМ по силовым характеристикам (Р, М) необходимо на сверло в противофазе наложить осевые или крутильные компенсирующие колебания (фиг.2). При этом в течение времени одного оборота сверла сумма двух колебаний даст стабильное среднее значение силовых характеристик: средней осевой силы и крутящего момента соответственно (Р_ср и М_cр).To stabilize the PCM drilling process in terms of power characteristics (P, M), axial or torsional compensating vibrations must be applied to the drill in antiphase (Fig. 2). Moreover, during the time of one revolution of the drill, the sum of the two oscillations will give a stable average value of the power characteristics: the average axial force and torque, respectively (P _cf and M _cf ).

Параметры накладываемых на сверло в противофазе компенсирующих колебаний определяют по формулам: циклическая частота компенсирующих колебаний

амплитуды колебаний (выраженные в единицах силовых параметров), при наложении осевых колебаний - А_р=(Р_max-Р_min)/2, а при наложении крутильных колебаний - А_м=(М_max-М_min)/2, где Р_max, Р_min - максимальное и минимальное значение осевой силы, М_max, М_min - максимальное и минимальное значение крутящего момента, регистрируемые динамометром. Компенсирующие колебания сдвинуты по фазе относительно колебаний силовых характеристик процесса сверления на величину ω_k·Т/2,The parameters of the compensating vibrations superimposed on the drill in antiphase are determined by the formulas: the cyclic frequency of the compensating vibrations

the oscillation amplitudes (expressed in units of force parameters), when applying axial vibrations - And _p = (P _max -P _min ) / 2, and when applying torsional vibrations - And _m = (M _max -M _min ) / 2, where P _max , P _min - the maximum and minimum value of the axial force, M _max , M _min - the maximum and minimum value of torque recorded by the dynamometer. Compensating vibrations are phase shifted relative to fluctuations in the power characteristics of the drilling process by ω _k · T / 2,

где Т- период компенсирующих колебаний.where T is the period of compensating oscillations.

При отсутствии динамометра амплитудное значение компенсирующей силы А_р определяют из выраженияIn the absence of a dynamometer, the amplitude value of the compensating force And _p is determined from the expression

где const - постоянная, зависящая от геометрии режущих лезвий сверла, геометрических параметров заточки, диаметра сверла, скорости резания и других условий сверления;where const is a constant, depending on the geometry of the cutting blades of the drill, the geometric parameters of sharpening, the diameter of the drill, cutting speed and other drilling conditions;

S₀ - подача на один оборот сверла, мм/об.S ₀ - feed per revolution of the drill, mm / rev.

Предварительно определенные, таким образом, значения компенсирующих колебаний последние сообщают сверлу в процессе сверления автоматически, например, электронным блоком (ЭБ) адаптивной системой управления.Thus, the values of compensating vibrations previously determined in this way inform the drill automatically during the drilling process, for example, by the electronic control unit (EB) by the adaptive control system.

Проведены эксплуатационные испытания предложенного способа сверления на модернизированном станке 2А118, оснащенным электродинамическим устройством задания сверлу осевых компенсирующих колебаний и адаптивной системой управления.Operational tests of the proposed drilling method were carried out on a modernized machine 2A118, equipped with an electrodynamic device for setting the drill axial compensating vibrations and an adaptive control system.

Сверлились образцы звукопоглощающих панелей авиационного двигателя ПС-90А, выполненные из углепластика КМУ-11э φ=90°, τ_max=185 МПа, τ_min=120 МПа), толщиной h=5 мм на проход.Drilled samples of sound-absorbing panels of the PS-90A aircraft engine made of carbon fiber KMU-11e φ = 90 °, τ _max = 185 MPa, τ _min = 120 MPa), thickness h = 5 mm per passage.

При сверлении применялось сверло D=6,5 мм, режущая часть выполнена из твердосплавной пластины ВК-8, особенность геометрии сверла - наличие двух подрезающих кромок с радиусом 0,93 мм. Сверление выполнялось на базовых режимах: число оборотов сверла n=1000 об/мин, определяющее циклическую частоту его вращения

осевая подача сверла S₀=0,12 мм/об.When drilling, a drill D = 6.5 mm was used, the cutting part is made of VK-8 carbide plate, a feature of the drill geometry is the presence of two cutting edges with a radius of 0.93 mm. Drilling was carried out in basic modes: the number of revolutions of the drill n = 1000 rpm, which determines the cyclic frequency of its rotation

axial feed of the drill S ₀ = 0.12 mm / rev.

При этих условиях сверления динамометром зафиксированы следующие пороговые значения осевой силы: Р_max=77Н; Р_min=68H.Under these drilling conditions, the dynamometer recorded the following axial force threshold values: P _max = 77N; P _min = 68H.

Расчетные значения параметров компенсирующих колебаний составили:

The calculated values of the parameters of the compensating oscillations were:

Эффективность предложенного способа сверления, по сравнению с известными аналогами, оценивалась по качеству обработанных отверстий. При обработке изделий известными способами в зонах выхода сверла из обрабатываемого изделия визуально обнаружены сколы и разлохмачивания ПКМ.The effectiveness of the proposed method of drilling, in comparison with known analogues, was evaluated by the quality of the machined holes. When processing products by known methods in the areas of the drill exit from the workpiece, chips and loosening of PCM were visually detected.

При обработке с наложением на сверло осевых или крутильных компенсирующих колебаний, значения которых рассчитаны по приведенным выше формулам с учетом структуры ПКМ, указанные виды дефектов отсутствуют.When processing with superimposed axial or torsional compensating vibrations on the drill, the values of which are calculated according to the above formulas taking into account the PCM structure, these types of defects are absent.

Таким образом, предложенный способ сверления обеспечивает по сравнению с прототипом динамическую стабилизацию пульсации силовых характеристик по осевой силе сверления и крутящего момента процесса сверления ПКМ за счет чего достигается качество обработанных отверстий при сверлении.Thus, the proposed drilling method provides, in comparison with the prototype, dynamic stabilization of the pulsation of the power characteristics by the axial drilling force and the torque of the PCM drilling process, thereby achieving the quality of the machined holes during drilling.

Для заявленного способа в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных средств и методов.For the inventive method in the form as described in the claims, the possibility of its implementation using the described tools and methods is confirmed.

Claims

A method of drilling holes in polymeric composite materials, in which the drill is informed of rotation and axial displacement with superimposed axial vibrations on the drill, characterized in that the axial or torsional vibrations of the drill are pre-measured for at least one revolution, the amplitude values of these vibrations are fixed and then, at certain time intervals, taking into account the fixed amplitude values, compensating oscillations in antiphase with a cyclic frequency determined by and h expression:

where ω _k is the cyclic frequency of compensating oscillations, s ^-1 ;
ω _St - the cyclic frequency of rotation of the drill, s ^-1 ;
φ is the angle between the fibers of the PCM reinforcement in adjacent layers, deg.