eng
Выпуск #3/2025
Е. О. Шевчук, М. Ю. Куликов, Д. А. Коновалов, А. А. Крапостин
Влияние структуры материала деталей, полученных аддитивными технологиями на их последующую механическую обработку
Влияние структуры материала деталей, полученных аддитивными технологиями на их последующую механическую обработку
Просмотры: 927
DOI: 10.22184/2499-9407.2025.40.3.46.50
Рассмотрены особенности и проблемы механической абразивной обработки деталей в зависимости от структуры материала и их свойств, приводятся рекомендации по предотвращению дефектов. Определены особенности обработки полимерных композиционных материалов, зависящие от структуры материала.
Рассмотрены особенности и проблемы механической абразивной обработки деталей в зависимости от структуры материала и их свойств, приводятся рекомендации по предотвращению дефектов. Определены особенности обработки полимерных композиционных материалов, зависящие от структуры материала.
Теги: additive technologies elemental composition material structure mechanical processing metal-filled polymers polymer composite materials аддитивные технологии механическая обработка металлонаполненные полимеры полимерные композиционные материалы поэлементный состав структура материала
Влияние структуры материала деталей, полученных аддитивными технологиями
на их последующую механическую обработку
Е. О. Шевчук, М. Ю. Куликов, Д. А. Коновалов, А. А. Крапостин
Рассмотрены особенности и проблемы механической абразивной обработки деталей в зависимости от структуры материала и их свойств, приводятся рекомендации по предотвращению дефектов. Определены особенности обработки полимерных композиционных материалов, зависящие от структуры материала.
Введение
В аддитивных технологиях может применяться широкий спектр материалов, основной класс которых – полимеры, имеющие свою уникальную структуру и свойства. На сегодняшний день при помощи технологий послойного выращивания изготавливаются узлы беспилотных летательных аппаратов, изделия общего машиностроения, корпусные детали, транспортировочные заглушки и др. В зависимости от требуемых задач выбирается полимерный композиционный материал с необходимыми свойствами.
К каждому такому изделию предъявляются высокие требования в части геометрических размеров, взаимного расположения поверхностей, получаемой шероховатости. Большую часть можно реализовать и учесть, варьируя параметрами выращивания, но для получения окончательных параметров детали зачастую требуется последующая механическая обработка.
Каждый из классов полимеров отличается характеристиками и обрабатываемостью, при этом необходимо учитывать, что некоторые из них обладают низкой теплостойкостью и разной способностью к влагопоглощению [1]. Отличается и межслойная адгезия. Это затрудняет проведение финишной абразивной обработки.
Особенности обработки полимерных композиционных материалов
При механической обработке прежде всего необходимо отталкиваться от недостатков, связанных с низкой температурой размягчения. Недостаточное охлаждение приводит к неизбежной деструкции, образованию прижогов и наплывов на поверхности, а также к сильному износу инструмента (рис. 1).
На рис. 1 а спектром цветов обозначено распределение температур на поверхности и инструменте. Отдельно выделенным фрагментом показана температура 67,3 °С, с которой начался процесс размягчения поверхности (в случае обработки низкотемпературного PLA). На рис. 1 б отражена подробно изученная поверхность под микроскопом, где 1 – наплыв, вышедший за границы детали, и 2 – вкрапления абразивных зерен, оставшиеся в результате перегрева. На рис. 1 в показан торец инструмента под микроскопом, где наглядно виден сильный износ и остатки расплавленного полимера, режущие свойства при этом практически теряются.
В случае увеличения объема подаваемой в зону обработки жидкости необходимо учитывать гигроскопичность обрабатываемого полимера. Неправильный выбор способа подачи и вида охлаждения приводит к возникновению эффекта влагопоглощения, а тот, в свою очередь, к расслаиванию, образованию трещин и набуханию волокон (рис. 2).
На рис. 2 а выделенным фрагментом показано отслоение структуры на поверхности материала, а на 2 б – образованная трещина. Набухание слоев подробно изображено на рис. 2 в. Все эти явления приводят к неисправимому браку.
С целью предотвращения возникновения эффекта влагопоглощения, в работе [5] рекомендуется использовать воздушно-эмульсионную смесь с подачей непосредственно через внутренние каналы инструмента. Технологические рекомендации представлены в табл. 1.
Содержание эмульсии в смеси должно находиться в пределах 20–40% по отношению к воздуху. Снижение до уровня менее 20% приводит к значительному росту температуры в зоне резания, а увеличение выше 40% – к интенсивному влагопоглощению материала. В целом, соотношение воздушно-эмульсионной смеси 70 : 30% подойдет для большинства обрабатываемых материалов.
Обработка металлонаполненных полимеров
Помимо стекло- и угленаполненных полимеров, на сегодняшний день активно стали появляться материалы с металлическим наполнителем, при этом механическая обработка таких деталей не рассматривалась. Ниже представлен образец с алюминиевым наполнителем (рис. 3).
Используя режимы резания, рекомендованные в работе [1], была проведена механическая обработка с толщиной съема материала за проход инструмента 0,05 мм. Общий съем материала составил 1 мм. По результатам обработки получены следующие результаты (рис. 4).
Анализ рис. 4 показывает результат механической обработки: на поверхности наблюдаются ярко выраженные следы от проходов инструмента (1), а также деструкция поверхностного слоя (2), выраженная эффектом влагопоглощения. Рекомендуемые режимы, полученные в работе [1], не подходят для обработки металлонаполненных полимеров, было решено подробно изучить структуру и химический состав обрабатываемых образцов. Исследования проводились до и после проведения механической обработки. С помощью спектрального анализа удалось получить следующие результаты (рис. 5).
Исходя из рис. 5 б видно, что после механической обработки на поверхности образца концентрация алюминиевого порошка составила около 45–50%, что в три раза больше исходной (рис. 5 а). Учитывая данный факт, а также неудовлетворительное качество поверхности после обработки (рис. 4 а, б), сделано предположение о необходимости смены технологии обработки.
Новая обработка проводилась на другом образце, изготовленном из такого же материала и с теми же режимами печати. На каждой стороне было проведено по 2 цикла механической обработки. Их режимы и другие параметры указаны в табл. 2.
После обработки с помощью профилометра Mahr MarSurf PS 10 на длине профиля L = 4,8 мм были проведены замеры шероховатости в пяти произвольных точках на каждой из четырех зон обработки. Результаты исследования шероховатости отражены в табл. 3.
Более наглядно результаты измерения шероховатости представлены на рис. 6.
На рис. 6 по оси ординат откладывается значение шероховатости Ra в мкм, на оси абсцисс – номер точки, в которой проводились измерения. Цвета линий соответствуют номерам эксперимента. Видно, что уменьшение подачи положительно сказывается на показателе шероховатости поверхности, но влияет на увеличение времени обработки.
Заключение
В результате экспериментов было установлено, что для обработки металлонаполненных полимеров следует изменять параметры обработки. Использование подачи f мм / об. в пределах 0,75 < f < 1,75 положительно сказывается на получаемой шероховатости Ra, но при этом значительно увеличивает время обработки. Применение рекомендуемого охлаждения воздушно-эмульсионной смесью хоть и позволяет снизить температуры в зоне обработки, но приводит к возникновению влагопоглощения связующим, в результате происходит набухание волокон и расслоение структуры.
Поэтому дальнейшее совершенствование обработки металлонаполненных полимеров будет направлено на увеличение производительности без потери шероховатости и поиск новых видов охлаждения с возможностью исключения эмульсий в зоне обработки.
Литература
Совершенствование обработки полимерных деталей инструментом с керамическим ворсом и охлаждением воздушно-эмульсионной смесью: диссертация … кандидата технических наук: 2.5.5. / Шевчук Евгений Олегович; ФГБОУ ВО «Брянский государственный технический университет»; Диссовет Д 212.021.XX (24.2.277.01)]. М., 2024. 139 с
Куликов М. Ю., Ларионов М. А., Гусев Д. В., Шевчук Е. О. Обеспечение качества деталей, изготовленных с помощью аддитивных технологий // Вестник Брянского государственного технического университета. 2020. № 12(97). С. 4–10.
Куликов М. Ю., Ларионов М. А., Гусев Д. В., Шевчук Е. О. Улучшение шероховатости поверхностей деталей из полимерных материалов, полученных с помощью аддитивных технологий // Вестник Брянского государственного технического университета. 2021. № 7(104). С. 12–18.
Шевчук Е. О., Погорельский В.В. Улучшение качества поверхности деталей, полученных с помощью аддитивных технологий // В сб. докладов: Машиностроение: традиции и инновации (МТИ – 2021). М.: ФГБОУ ВО «МГТУ «СТАНКИН», 2021. С. 357–366.
Шевчук Е. О., Куликов М. Ю., Попов А. Ю., Крапостин А. А. Финишная абразивная обработка деталей из полимерно-композитных материалов // Станкоинструмент. 2023. № 2(31). С. 82–87.
Куликов М. Ю., Шевчук Е. О., Ларионов М. А., Гусев Д. В., Александров И. А. Улучшение качества поверхностей деталей из полимерно-композитных материалов с использованием СОТС // Металлообработка. 2022, № 1.
Авторы
Шевчук Евгений Олегович – кандидат технических наук, ведущий инженер технолог, АО «Научно-исследовательский институт точных приборов», Москва
Куликов Михаил Юрьевич – доктор технических наук, профессор, ведущий научный сотрудник, ИКТИ РАН, Москва
Коновалов Данила Алексеевич – магистрант, кафедра «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава», Российский университет транспорта, Москва
Крапостин Алексей Александрович – кандидат технических наук, доцент, кафедра «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава», Российский университет транспорта, Москва
на их последующую механическую обработку
Е. О. Шевчук, М. Ю. Куликов, Д. А. Коновалов, А. А. Крапостин
Рассмотрены особенности и проблемы механической абразивной обработки деталей в зависимости от структуры материала и их свойств, приводятся рекомендации по предотвращению дефектов. Определены особенности обработки полимерных композиционных материалов, зависящие от структуры материала.
Введение
В аддитивных технологиях может применяться широкий спектр материалов, основной класс которых – полимеры, имеющие свою уникальную структуру и свойства. На сегодняшний день при помощи технологий послойного выращивания изготавливаются узлы беспилотных летательных аппаратов, изделия общего машиностроения, корпусные детали, транспортировочные заглушки и др. В зависимости от требуемых задач выбирается полимерный композиционный материал с необходимыми свойствами.
К каждому такому изделию предъявляются высокие требования в части геометрических размеров, взаимного расположения поверхностей, получаемой шероховатости. Большую часть можно реализовать и учесть, варьируя параметрами выращивания, но для получения окончательных параметров детали зачастую требуется последующая механическая обработка.
Каждый из классов полимеров отличается характеристиками и обрабатываемостью, при этом необходимо учитывать, что некоторые из них обладают низкой теплостойкостью и разной способностью к влагопоглощению [1]. Отличается и межслойная адгезия. Это затрудняет проведение финишной абразивной обработки.
Особенности обработки полимерных композиционных материалов
При механической обработке прежде всего необходимо отталкиваться от недостатков, связанных с низкой температурой размягчения. Недостаточное охлаждение приводит к неизбежной деструкции, образованию прижогов и наплывов на поверхности, а также к сильному износу инструмента (рис. 1).
На рис. 1 а спектром цветов обозначено распределение температур на поверхности и инструменте. Отдельно выделенным фрагментом показана температура 67,3 °С, с которой начался процесс размягчения поверхности (в случае обработки низкотемпературного PLA). На рис. 1 б отражена подробно изученная поверхность под микроскопом, где 1 – наплыв, вышедший за границы детали, и 2 – вкрапления абразивных зерен, оставшиеся в результате перегрева. На рис. 1 в показан торец инструмента под микроскопом, где наглядно виден сильный износ и остатки расплавленного полимера, режущие свойства при этом практически теряются.
В случае увеличения объема подаваемой в зону обработки жидкости необходимо учитывать гигроскопичность обрабатываемого полимера. Неправильный выбор способа подачи и вида охлаждения приводит к возникновению эффекта влагопоглощения, а тот, в свою очередь, к расслаиванию, образованию трещин и набуханию волокон (рис. 2).
На рис. 2 а выделенным фрагментом показано отслоение структуры на поверхности материала, а на 2 б – образованная трещина. Набухание слоев подробно изображено на рис. 2 в. Все эти явления приводят к неисправимому браку.
С целью предотвращения возникновения эффекта влагопоглощения, в работе [5] рекомендуется использовать воздушно-эмульсионную смесь с подачей непосредственно через внутренние каналы инструмента. Технологические рекомендации представлены в табл. 1.
Содержание эмульсии в смеси должно находиться в пределах 20–40% по отношению к воздуху. Снижение до уровня менее 20% приводит к значительному росту температуры в зоне резания, а увеличение выше 40% – к интенсивному влагопоглощению материала. В целом, соотношение воздушно-эмульсионной смеси 70 : 30% подойдет для большинства обрабатываемых материалов.
Обработка металлонаполненных полимеров
Помимо стекло- и угленаполненных полимеров, на сегодняшний день активно стали появляться материалы с металлическим наполнителем, при этом механическая обработка таких деталей не рассматривалась. Ниже представлен образец с алюминиевым наполнителем (рис. 3).
Используя режимы резания, рекомендованные в работе [1], была проведена механическая обработка с толщиной съема материала за проход инструмента 0,05 мм. Общий съем материала составил 1 мм. По результатам обработки получены следующие результаты (рис. 4).
Анализ рис. 4 показывает результат механической обработки: на поверхности наблюдаются ярко выраженные следы от проходов инструмента (1), а также деструкция поверхностного слоя (2), выраженная эффектом влагопоглощения. Рекомендуемые режимы, полученные в работе [1], не подходят для обработки металлонаполненных полимеров, было решено подробно изучить структуру и химический состав обрабатываемых образцов. Исследования проводились до и после проведения механической обработки. С помощью спектрального анализа удалось получить следующие результаты (рис. 5).
Исходя из рис. 5 б видно, что после механической обработки на поверхности образца концентрация алюминиевого порошка составила около 45–50%, что в три раза больше исходной (рис. 5 а). Учитывая данный факт, а также неудовлетворительное качество поверхности после обработки (рис. 4 а, б), сделано предположение о необходимости смены технологии обработки.
Новая обработка проводилась на другом образце, изготовленном из такого же материала и с теми же режимами печати. На каждой стороне было проведено по 2 цикла механической обработки. Их режимы и другие параметры указаны в табл. 2.
После обработки с помощью профилометра Mahr MarSurf PS 10 на длине профиля L = 4,8 мм были проведены замеры шероховатости в пяти произвольных точках на каждой из четырех зон обработки. Результаты исследования шероховатости отражены в табл. 3.
Более наглядно результаты измерения шероховатости представлены на рис. 6.
На рис. 6 по оси ординат откладывается значение шероховатости Ra в мкм, на оси абсцисс – номер точки, в которой проводились измерения. Цвета линий соответствуют номерам эксперимента. Видно, что уменьшение подачи положительно сказывается на показателе шероховатости поверхности, но влияет на увеличение времени обработки.
Заключение
В результате экспериментов было установлено, что для обработки металлонаполненных полимеров следует изменять параметры обработки. Использование подачи f мм / об. в пределах 0,75 < f < 1,75 положительно сказывается на получаемой шероховатости Ra, но при этом значительно увеличивает время обработки. Применение рекомендуемого охлаждения воздушно-эмульсионной смесью хоть и позволяет снизить температуры в зоне обработки, но приводит к возникновению влагопоглощения связующим, в результате происходит набухание волокон и расслоение структуры.
Поэтому дальнейшее совершенствование обработки металлонаполненных полимеров будет направлено на увеличение производительности без потери шероховатости и поиск новых видов охлаждения с возможностью исключения эмульсий в зоне обработки.
Литература
Совершенствование обработки полимерных деталей инструментом с керамическим ворсом и охлаждением воздушно-эмульсионной смесью: диссертация … кандидата технических наук: 2.5.5. / Шевчук Евгений Олегович; ФГБОУ ВО «Брянский государственный технический университет»; Диссовет Д 212.021.XX (24.2.277.01)]. М., 2024. 139 с
Куликов М. Ю., Ларионов М. А., Гусев Д. В., Шевчук Е. О. Обеспечение качества деталей, изготовленных с помощью аддитивных технологий // Вестник Брянского государственного технического университета. 2020. № 12(97). С. 4–10.
Куликов М. Ю., Ларионов М. А., Гусев Д. В., Шевчук Е. О. Улучшение шероховатости поверхностей деталей из полимерных материалов, полученных с помощью аддитивных технологий // Вестник Брянского государственного технического университета. 2021. № 7(104). С. 12–18.
Шевчук Е. О., Погорельский В.В. Улучшение качества поверхности деталей, полученных с помощью аддитивных технологий // В сб. докладов: Машиностроение: традиции и инновации (МТИ – 2021). М.: ФГБОУ ВО «МГТУ «СТАНКИН», 2021. С. 357–366.
Шевчук Е. О., Куликов М. Ю., Попов А. Ю., Крапостин А. А. Финишная абразивная обработка деталей из полимерно-композитных материалов // Станкоинструмент. 2023. № 2(31). С. 82–87.
Куликов М. Ю., Шевчук Е. О., Ларионов М. А., Гусев Д. В., Александров И. А. Улучшение качества поверхностей деталей из полимерно-композитных материалов с использованием СОТС // Металлообработка. 2022, № 1.
Авторы
Шевчук Евгений Олегович – кандидат технических наук, ведущий инженер технолог, АО «Научно-исследовательский институт точных приборов», Москва
Куликов Михаил Юрьевич – доктор технических наук, профессор, ведущий научный сотрудник, ИКТИ РАН, Москва
Коновалов Данила Алексеевич – магистрант, кафедра «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава», Российский университет транспорта, Москва
Крапостин Алексей Александрович – кандидат технических наук, доцент, кафедра «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава», Российский университет транспорта, Москва
Отзывы читателей
