Влияние свойств композиционного материала на износ твердосплавных концевых фрез

Рассмотрена актуальная проблема износа режущего инструмента при механической обработке современных композиционных материалов. Исследование направлено на комплексное изучение взаимосвязей между физико-механическими свойствами обрабатываемого материала, геометрическими параметрами режущего инструмента и характером его износа. Особое внимание уделено анализу процессов, возникающих при фрезеровании стеклопластиков, которые представляют значительную сложность для механической обработки из-за анизотропии и неоднородной структуры. Выполнен многоаспектный анализ факторов, влияющих на стойкость режущих инструментов разных марок. Исследованы прочностные характеристики композиционного материала, абразивность армирующих компонентов и термические явления в зоне резания. Выполнены сравнительная оценка различных типов инструмента с износостойкими покрытиями и анализ механизмов их разрушения. Приведены результаты визуального наблюдения за поведением полимерной матрицы при термическом воздействии и за последствиями налипания стружки на режущую кромку. Установлены основные закономерности, определяющие интенсивность износа режущих кромок. Показано, что проблемы стружкоудаления и теплопередачи ограничивают стойкость режущего инструмента при работе с композитными материалами. Полученные данные позволили сформулировать практические рекомендации по выбору режущего инструмента и оптимизации режимов обработки. Результаты исследования имеют важное значение для совершенствования технологических процессов механической обработки композиционных материалов и могут быть применены в производственных условиях для повышения операционной эффективности и снижения эксплуатационных затрат.
EDN: APHNIF, https://elibrary/aphnif

Литература

[1] Çelik Y.H., Türkan C. Investigation of mechanical characteristics of GFRP composites produced from chopped glass fiber and application of taguchi methods to turning operations. SN Appl. Sci., 2020, vol. 2, no. 5, art. 849, doi: https://doi.org/10.1007/s42452-020-2684-5

[2] Slamani M., Chatelain J.F. A review on the machining of polymer composites reinforced with carbon (CFRP), glass (GFRP), and natural fibers (NFRP). Discov. Mechanical Engineering, 2023, vol. 2, no. 1, art. 4, doi: https://doi.org/10.1007/s44245-023-00011-w

[3] Du J., Geng M., Ming W. et al. Simulation machining of fiber-reinforced composites: A review. Int. J. Adv. Manuf. Technol., 2021, vol. 117, no. 2, pp. 1–15, doi: https://doi.org/10.1007/s00170-021-07531-3

[4] Chanpariyavatevong A., Boongsood W. Tool wear characteristics of ticn/al2o3 coated carbide inserts while turning glass fiber reinforced epoxy resin under cryogenic cooling. Key Eng. Mater., 2021, vol. 891, pp. 143–149, doi: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.891.143

[5] Kannan C.R., Das A.D., Manivannan S. et al. Machinability study on uncoated, coated and coated with treated tool in turning of GFRP. AIP Conf. Proc., 2022, vol. 2446, no. 1, art. 140007, doi: https://doi.org/10.1063/5.0108236

[6] Sousa V.F.C., Silva F.J.G. Recent advances on coated milling tool technology—a comprehensive review. Coatings, 2020, vol. 10, no. 3, art. 235, doi: https://doi.org/10.3390/coatings10030235

[7] Voss R. et al. Influence of fibre orientation, tool geometry and process parameters on surface quality in milling of CFRP. CIRP. J. Manuf. Sci. Technol., 2017, vol. 18, pp. 75–91, doi: https://doi.org/10.1016/j.cirpj.2016.10.002

[8] Sheikh-Ahmad J., He Y., Qin L. Cutting force prediction in milling CFRPs with complex cutter geometries. J. Manuf. Process., 2019, vol. 45, pp. 720–731, doi: https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2019.08.009

[9] Ma J., Jia Z., He G. et al. Influence of cutting tool geometrical parameters on tool wear in high-speed milling of Inconel 718 curved surface. Proc. Inst. Mech. Eng. B, 2019, vol. 233, no. 1, pp. 18–30, doi: https://doi.org/10.1177/0954405417716495

[10] Padmakumar M., Shiva Pradeep N. Effect of cutting edge form factor (K-factor) on the performance of a face milling tool. CIRP. J. Manuf. Sci. Technol., 2020, vol. 31, pp. 305–313, doi: https://doi.org/10.1016/j.cirpj.2020.06.004

[11] Zhou Y., Xing T., Song Y. et al. Digital-twin-driven geometric optimization of centrifugal impeller with free-form blades for five-axis flank milling. J. Manuf. Syst., 2021, vol. 58-B, pp. 22–35, doi: https://doi.org/10.1016/j.jmsy.2020.06.019

[12] Denkena B., Grove T., Pape O. Optimization of complex cutting tools using a multi-dexel based material removal simulation. Procedia CIRP, 2019, vol. 82, pp. 379–382.

[13] Zhang L., Zhong Z., Qiu L. et al. Coated cemented carbide tool life extension accompanied by comb cracks: The milling case of 316L stainless steel. Wear, 2019, vol. 418–419, pp. 133–139, doi: https://doi.org/10.1016/j.wear.2018.11.019

[14] Zhang Y., Zhu K., Duan X. et al. Tool wear estimation and life prognostics in milling: Model extension and generalization. Mech. Syst. Signal Process., 2021, vol. 155, art. 107617, doi: https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2021.107617

[15] Chen Y., Guo X., Zhang K. et al. Study on the surface quality of CFRP machined by micro-textured milling tools. J. Manuf. Process., 2019, vol. 37, pp. 114–123, doi: https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2018.11.021

[16] Yaka H. Measurement of surface quality and optimization of cutting parameters in slot milling of GFRP composite materials with different fiber ratios produced by pultrusion method. Surf. Rev. Lett., 2021, vol. 28, no. 10, art. 2150095, doi: https://doi.org/10.1142/S0218625X21500955

[17] Alazemi F.K.A.O.H. et al. Optimization of cutting tool geometry for milling operation using composite material–a review. Journal of Advanced Research in Materials Science, 2021, vol. 76, no. 1, pp. 17–25.

[18] Chandra A. et al. Optimisation of machining parameters for CNC milling of fibre reinforced polymers. Evergreen, 2023, vol. 10, no. 2, pp. 765–773, doi: https://doi.org/10.5109/6792826

[19] Hassan S.M.F.B.S., Shafei S.B., Rashid R.B.A. Optimization of machining parameters in milling process for high speed machining using Taguchi method for best surface roughness. IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng., 2020, vol. 864. no. 1, art. 012110, doi: https://doi.org/10.1088/1757-899X/864/1/012110

[20] Mansour G., Kyratsis P., Korlos A. et al. Investigation into the effect of cutting conditions in turning on the surface properties of filament winding GFRP pipe rings. Machines, 2021, vol. 9, no. 1, art. 16, doi: https://doi.org/10.3390/machines9010016

[21] Yardimeden A. Estimating of cutting force and surface roughness in turning of GFRP composites with different orientation angles using artificial neural network. Rev. Adv. Mater. Sci., 2022, vol. 61, no. 1, pp. 955–968, doi: https://doi.org/10.1515/rams-2022-0286

[22] Wojciechowski S., Twardowski P., Pelic M. Cutting forces and vibrations during ball end milling of inclined surfaces. Procedia CIRP, 2014, vol. 14, pp. 113–118, doi: https://doi.org/10.1016/j.procir.2014.03.102

[23] Sun Z., Geng D., Zheng W. et al. An innovative study on high-performance milling of carbon fiber reinforced plastic by combining ultrasonic vibration assistance and optimized tool structures. J. Mater. Res. Technol., 2023, vol. 22, pp. 2131–2146, doi: https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2022.12.054

[24] Liu J., Chen R., Ren C. et al. Effects of axial and longitudinal-torsional vibration on fiber removal in ultrasonic vibration helical milling of CFRP composites. J. Manuf. Process., 2020, vol. 58, pp. 868–883, doi: https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2020.08.071

[25] Shahabaz S.M., Sharma S., Shetty N. et al. Influence of temperature on mechanical properties and machining of fibre reinforced polymer composites: a review. Engineered Science, 2021, vol. 16, pp. 26–46, doi: http://dx.doi.org/10.30919/es8d553

[26] Jia Z., Fu R., Wang F. et al. Temperature effects in end milling carbon fiber reinforced polymer composites. Polym. Compos., 2018, vol. 39, no. 2, pp. 437–447, doi: https://doi.org/10.1002/pc.23954

[27] Soepangkat B.O.P., Norcahyo R., Pramujati B. et al. Multi-objective optimization in face milling process with cryogenic cooling using grey fuzzy analysis and BPNN-GA methods. Eng. Comput., 2019, vol. 36, no. 5, pp. 1542–1565, doi: https://doi.org/10.1108/EC-06-2018-0251

[28] Wang J., Ge J., Chen G. et al. Sustainable cooling/lubrication induced thermo-mechanical effects on ultrasonic vibration helical milling of CFRP/Ti–6Al–4V stacks. Int. J. Lightweight Mater. Manuf., 2023, vol. 6, no. 3, pp. 311–328, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijlmm.2023.02.002