к.т.н. Шмидт И.В., д.т.н. Дьяконов А.А.

Южно-Уральский государственный университет, Россия

Теоретические исследования механики резания
конструкционных композитных материалов

Композитные материалы, как новый вид конструкционных материалов широко применяются в различных отраслях промышленности. Больше распространение получили композитные материалы, относящиеся к группе металлополимеров. Такие материалы состоят, как правило, из двух и более компонентов и представляют собой полимерную матрицу и частицы наполнителя, в качестве которого используются сталь, карбиды металлов и керамика. При обработке металлополимеров формирование требований по точности и качеству производится в основном финишной механической обработкой. Поведение традиционных материалов под действием инструмента уже изучалось, однако поведение металлополимеров отличается от металлов. Причиной отличительного поведения материалов является значительная разница в структуре. Строение конструкционных материалов, с позиции теории резания можно рассматривать как монолит в отличие от металлополимеров, имеющих существенную дисперсную структуру. Поэтому для моделирования процесса резания показателем обрабатываемости является дисперсность материала. Кроме того частицы наполнителя имеют большую твердость по сравнению с полимерной матрицей, а размер их, по данным производителя, может варьироваться от 1 до 200 мкм, каждая из которых оказывает сопротивление инструменту при резании и чем крупнее частица, тем больше сопротивление.

В связи с этим, проведено исследование строения поверхности композитов: определение формы и размера частиц наполнителя, характера распределения частиц в полимерной матрице и т.д. Для этого было выбрано 5 марок металлополимеров Belzona 1321, Devcon Супер Кермика, Diamant Кермика FL, Leo-Керамика, Chester Molecular BR. Снимки поверхности отобранных металлополимеров получены на электронном микроскопе IM7200 MEIJI TECHNO (табл. 1). Дальнейшая обработка цифровых снимков проводилась в программе Thixomet PRO, которая является анализатором изображения и предназначена для решения задач количественной металлографии сталей и сплавов, а так же других материалов. Проведенная работа позволила получить размеры и объемное распределение частиц наполнителя по поверхности металлополимера (табл. 2).

Таблица 1

Цифровые снимки поверхности металлополимера

Материал

Цифровое изображение

Материал

Цифровое изображение

Belzona 1321

Devcon Керамик L

Diamant Кермаик FL

Chester Molecular BR

Таблица 2

Результаты расчета метрических характеристик включений

Показатели

Belzona
1321

Devcon
Керамик L

Diamant
Керамик
FL

Leo-
Керамик

Chester
Molecular
BR

Количество зерен

282

1149

24

2064

5268

Количество зерен на 1 мм2

31869

4800

152012

8902

73368

Средняя площадь зерна, мкм2

31

208

7

112

14

Минимальная площадь зерна, мкм2

2,01

1,05

2,02

2,11

0,02

Максимальная площадь зерна, мкм2

1790,38

9416,36

26,50

9060

3934

Средний диаметр зерна, мкм

5,60

14,43

2,56

10,60

3,69

Номер зерна, G

8,5

6

13,5

5,5

7,5

Номер зерна G и его частота в пределах эффективного 85% интервала

6(20,2%)

7(10,3%)

8(4,6%)

9(23,2%)

10(6,7%)

11(10,4%)

12(10,5%)

13(5,0%)

14(4,3%)

15(3,6%)

4(15,4%)

5(18,4%)

6(19,2%)

7(19,9%)

8(12%)

9(7,3%)

10(3,6%)

12(33,4%)

13(11,1%)

14(27,6%)

15(19,8%)

16(8,2%)

3(11,4%)

5(14,1%)

6(21,5%)

7(19,1%)

8(13,8%)

9(8,7%)

10(4%)

5(5,5%)

6(17,6%)

7(15,2%)

8(13,2%)

9(12,8%)

10(14%)

11(7,4%)

12(5,6%)

13(3,2%)

В результате анализ структуры поверхности металлополимеров показало, что частицы соизмеримы с очагом деформации, возникающим при обработке. А их распределение по поверхности металлополимера носит стохастический характер с равномерным распределением по координатам и нормальным распределением по размерам частиц.

На основе данного анализа проведено теоретическое исследование нестабильности силы резания металлополимеров, в результате которого было выявлено, что распределение силы резания неравномерное по сравнению с металлом. Нагрузка чередуется всплесками при встрече инструментом частицы наполнителя и резким снижением в зоне резания самого полимера. Это дает возможность предположить, что механика резания металлополимеров значительно отличается от механики резания конструкционных материалов.

Рассчитанные усредненная характеристика нестабильности резания и коэффициент вариации (табл. 3) показали, что с увеличением ширины резания усредненная характеристика стремится к 1, а коэффициент вариации – к 0, из чего можно сделать вывод, что при увеличении ширины резания распределение силы резания становится более равномерным.

 

Таблица 3

Характеристики нестабильности резания

Ширина резания

Усредненная характеристика нестабильности резания

Коэффициент вариации

50 мкм

0,281

0,676

100 мкм

0,375

0,627

500 мкм

0,514

0,288

1000 мкм

0,69

0,172

Этот теоретический результат подтверждается экспериментально: при резании металлополимера Лео-сталь на малых глубинах была получена дисперсная стружка, а уже при глубине 3 мм – сливная. Из чего следует, что на больших глубинах механика резания металлополимеров и конструкционных материалов схожа и, следовательно, работает классическая теория резания. При резании на меньших глубинах механика резания значительно отличается. Вследствие этого возникает необходимость в исследовании закономерностей резании дисперсного материала.

Работа выполнена при финансовой поддержке Гранта Президента РФ № МК-873.20014.8.