Алюмоматричные композиционные материалы - это новый класс конструкционных материалов, отличающийся от традиционных металлов и сплавов комплексом более высоких механических и эксплуатационных свойств для трибосоединений [3; 5]. Их получают литьем в кокиль, прессованием по технологии порошковой металлургии. Для получения готовых изделий они должны подвергаться дополнительной механической обработке. Этот процесс недостаточно изучен и требует дополнительных исследований физических процессов, протекающих в зоне резания. Данное исследование посвящено одному из таких процессов, который является одним из основных для определения режимных параметров обработки. Зная силы, действующие в процессе резания, можно рассчитать деформационные процессы в зоне формообразования, выбрать режущий инструмент и приспособления, определить мощность, затрачиваемую на резание, а также осуществлять рациональную эксплуатацию станка, инструмента и приспособлений [1].

В отечественных источниках отсутствуют систематические данные по обработке данного класса материалов, но имеются многочисленные публикации в зарубежных источниках. Например, в [6] изучено влияние режимных параметров на силу резания для чистовой и получистовой обработки алюминиевого композиционного материала с содержанием армирующего элементаSiC 5, 15, 20% и зернистостью 18-20 мкм. Режущий инструмент из карбида титана с геометрическими параметрами: передним углам γ = 5^о, заднимa = 5^о, радиусом скругления вершины r= 0,06 мм. При увеличении скорости резания v = 20-80 м/мин, с глубиной резания t = 0,8 мм и подачей s = 0,08 мм/об составляющая силы резания Pz = 300 - 125 Н, т.е. снижалась более чем в 2 раза. С увеличением подачи s = 0,08 - 0,32 мм/об при v =60 m/min, t= 0,8 мм, Pz возросла в два раза: от 160 до 320 Н.

Точение композитов на алюминиевой основе с 15%-ным содержанием SiC зернистостью 25 мкм алмазным инструментом с геометрическими параметрами: главным углом в плане j = 91^о, γ = 0^о, a = 7^о и r = 0,4 мм показало, что также уменьшение силы Pz с увеличением скорости v = 45-101 м/мин, Pz = 120-105 Н при t = 0,5 мм, s = 0,11 мм/об при использовании в качестве СОТС водно-масляной эмульсии [7]. Аналогично изменение Pz при s = 0,25 мм/об - Pz = 130-120 Н.

Приведенные параметры обработки не соответствуют чистовым режимам, которые наиболее часто применяются при изготовлении деталей триботехники из металломатричных композиционных материалов, а также их состава. Это позволило выявить направление исследований, которые наиболее близко соответствуют реальным операциям механической обработки данного класса материалов.

В процессе резания на величину Р_z, Р_у и Р_х влияют следующие факторы: обрабатываемый металл, глубина резания, подача, передний угол резца, главный угол резца в плане, радиус скругления режущей кромки резца, смазочно-охлаждающие жидкости, скорость резания и износ резца. В данной работе рассматривается влияние глубины резания t, подачи s и скорости резания v, а также состава наполнителя SiC от 5 до 10%, зернистостью 0,04 до 40 мкм. Исследования производилось на токарном станке с ЧПУ мод. HAASSL10, с бесступенчатым регулированием частот вращения шпинделя и подачи при продольном точении. В качестве режущего инструмента применялись сменные вставки на основе поликристаллического алмаза АСПК-2 ТУ2-037-98-84 с геометрическими параметрами: j = 45^о, j₁ = 15^о,γ = -5^о, a = 7^о и r = 0,5 мм [2]. Охлаждение осуществлялось поливом масляно-водной эмульсией «Blasocut 2000», рекомендованной производителем станка.

Силы резания в исследовании измерялись с помощью экспериментальной установки, которая представлена на рис. 1, которая позволяет динамически отслеживать и фиксировать изменения силовых параметров процесса резания конструкционных материалов. Она состоит из следующих компонентов:

• динамометр, позволяющий измерять составляющие силы резания, в который входят: корпус, крышка, винты и датчики, преобразующие физическое явление в измеряемый сигнал (датчик усилия FSG15N1A фирмы Honeywell, позволяет измерять усилие до 45 Н);
• устройство сбора данных (УСД) National Instruments USB-6009, оно присоединяется к компьютеру посредством интерфейса full-speed USB и содержит восемь каналов ввода аналоговых сигналов (AI), два канала генерации аналоговых сигналов (AO), 12 каналов цифрового ввода/вывода (DIO) и 32-разрядный счетчик;
• персональный компьютер с установленным программным обеспечением LabVIEW фирмы National Instruments (США), в котором был создан виртуальный прибор.

Рис. 1. Общий вид стенда для измерения сил резания.

На рис. 2 приведена блок-диаграмма виртуального прибора по измерению температуры, разработанного автором для проведения эксперимента.

Виртуальный прибор рис. 2 состоит из пяти основных элементов, снабженных клавишами управления и объединенными в цикл.

Основные элементы (1-5) были выбраны из базы стандартных элементов LabVIEW. После выбора элемента выполнена его настройка. Так, например, для элемента ввода сигнала с УСД, сконфигурированного с помощью функции DAQ Assistant, задавали следующую информацию: количество каналов сбора сигнала, тип датчика, масштабирующие коэффициенты, диапазон изменения регистрируемого сигнала и частоту опроса датчиков. При использовании элементов NI-DAQmx редактировать конфигурационные параметры можно без изменения блок-диаграммы.

Показания датчиков FSG15N1A тарировались непосредственно на оборудовании путем сравнения пересчитанной через мощность силы, которую позволяет отследить технологическое оборудование.

Рис. 2. Блок-диаграмма виртуального прибора по измерению силы резания:

1) элемент ввода сигнала с УСД; 2) элемент масштабирования сигнала; 3)элемент обработки данных; 4) элемент записи в файл;5) элемент графического вывода полученных данных.

При реализации многофакторного эксперимента [4] учитывались следующие факторы, действующие на параметры оптимизации: скорость резания v варьировалась в интервале от 100 до 300 м/мин; подача на оборот s от 0,01 до 0,05 мм/об;  глубина резания t от 0,1 до 0,5 мм. Данные приняты на основе стойкостных испытаний, проводимых при обработке композиционных материалов [2]. Состав наполнителя d варьировался от 0,04 до 40 мкм, с их процентным содержанием P от 5 до 10%. В качестве параметров оптимизации использовались P_x,y,z - осевая, радиальная и тангенциальная составляющие силы резания.

Рассматривается задача построения линейной регрессионной модели по результатам экспериментально затабулированной функциональной зависимости, описывающей износ инструмента в процессе резания:

 (1)

где v - скорость резания (м/мин); s - подача на оборот (мм/об); t - глубина резания (мм); d - размер наполнителя композиционного материала (мкм); P - процентное содержание наполнителя композиционного материала.

Считаем, что функциональная связь выражается уравнением:

   (2)

которое после логарифмирования и преобразования можно записать в виде:

   (3)

где - параметр оптимизации по наблюдениям в логарифмическом масштабе; , ;  ;  ; ; - факторы.

В качестве плана проведения исследования был принят полнофакторный эксперимент типа 2⁵, что позволило одновременно исследовать процесс зависимости составляющих сил резания от 5 факторов.

Обработка результатов экспериментальных данных осуществлялась в среде Mathcad 14.0, с получением следующего уравнения регрессии:

С помощью метода наименьших квадратов получены следующие коэффициенты регрессии (табл. 1).

Таблица 1 - Коэффициенты регрессии

p0z	p1z	p2z	p3z	p4z	p5z	P12z	P13z
3,52223	-0,0309	0,66559	1,00018	0,009542	0,13665	-0,000145	0,000512
P23z	P14z	P24z	P34z	P15z	P25z	P35z	P45z
-0,000114	0,001479	-0,000498	-0,000542	-0,02999	-0,004401	0,006066	0,00476
P123z	P124z	P134z	P234z	P125z	P135z	P235z	P145z
0,000632	0,000162	-0,00037	-0,00136	-0,00672	0,00883	0,00377	-0,00164
P245z	P345z	P1234z	P1235z	P1245z	P1345z	P2345z	P12345z
0,000016	0,000057	0,00032	0,005938	0,000242	0,002552	-0,00144	0,001716
p0x	p1x	p2x	p3x	p4x	p5x	P12x	P13x
3.0915	0.07004	0.66562	1.00028	0.00958	0.136	-0.00175	-0.00197
P23x	P14x	P24x	P34x	P15x	P25x	P35x	P45x
0.00069	-0.00121	-0.00073	-0.00062	-0.02911	-0.00547	0.00353	0.00823
P123x	P124x	P134x	P234x	P125x	P135x	P235x	P145x
-0.00025	0.0000313	0.00043	-0.0011	-0.00957	0.0086	0.00049	0.00195
P245x	P345x	P1234x	P1235x	P1245x	P1345x	P2345x	P12345x
0.00131	0.00158	-0.00032	0.00207	0.00083	0.00397	-0.00004	0.00042
p0y	p1y	p2y	p3y	p4y	p5y	P12y	P13y
1,78171	0,03118	0,34302	0,99895	0,00853	0,1375	0,03887	0,00003
P23y	P14y	P24y	P34y	P15y	P25y	P35y	P45y
0,01375	-0,00274	0,00209	0,00605	-0,03008	0,02583	0,01494	0,00443
P123y	P124y	P134y	P234y	P125y	P135y	P235y	P145y
0,02731	0,00364	0,00262	0,00256	0,03535	0,03118	0,02143	-0,00353
P245y	P345y	P1234y	P1235y	P1245y	P1345y	P2345y	P12345y
0,00224	0,01621	-0,0007	-0,00985	0,00139	0,00286	0,00444	-0,00302

В результате обработки экспериментальных данных построены графики зависимости составляющих сил резания от размера и процентного содержания наполнителя материала, а также при замораживании факторов на максимальном, среднем и минимальном уровнях скорости резания, подачи на оборот, глубины резания (рис. 3, 4 и 5).

а)	б)
	Рис. 3. Влияние размера наполнителя d и его долевого содержания на составляющую силы резания Pz: а) v=300 м/мин, s=0,05 и t=0,5 мм; б) v=200 м/мин, s=0,03 и t=0,3 мм; в) v=100 м/мин, s=0,01 и t=0,1 мм.
в)
а)			б)
			Рис. 4. Влияние размера наполнителя d и его долевого содержания на составляющую силы резания Px: а) v=300 м/мин, s=0,05 и t=0,5 мм; б) v=200 м/мин, s=0,03 и t=0,3 мм; в) v=100 м/мин, s=0,01 и t=0,1 мм.
в)
а)		б)
		Рис. 5. Влияние размера наполнителя d и его долевого содержания на составляющую силы резания Py: а) v=300 м/мин, s=0,05 и t=0,5 мм; б) v=200 м/мин, s=0,03 и t=0,3 мм; в) v=100 м/мин, s=0,01 и t=0,1 мм.
в)

Выводы

На основании проведенных экспериментальных исследований можно констатировать, что наиболее влияющим фактором на составляющие силы резания является глубина резания t, при её изменении от 0,1 до 0,5 мм, силы в среднем возрастают в 5-6 раз. Не менее важным режимным параметром является подача на оборот s, повышающая силы резания в 3 раза на используемых режимах. Менее значимым фактором является скорость резания v, при изменении скорости от 100 до 300 м/мин и варьировании параметрами s и t, осевая сила Px изменяется не более чем на 10%, а изменение радиальной Py и тангенциальной Pz составляющих не превышают 5%. Как показало исследование, размер и процентное содержание наполнителя с их увеличением изменяет силы в большую сторону не более чем на 15%.

Рецензенты

• Гоц А.Н., д.т.н., профессор кафедры тепловых двигателей и энергетических установок ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени А.Г. и Н.Г. Столетовых», г. Владимир.
• Кульчицкий А.Р., д.т.н., профессор, заместитель главного конструктора по испытаниям ООО «Владимирский моторо-тракторный завод», г. Владимир.