Исследование теплофизики при алмазном сверлении стеклопластиков и углепластиков

Цель – исследование теплофизики процесса сверления трубчатыми алмазными сверлами полимерных композиционных материалов типа углепластиков, стеклопластиков на основании возможностей инженерного пакета Comsol Multiphysics. В работе использованы уравнения теплопроводности Фурье, выражающие интенсивность притока теплоты движущимся источником в подвижных координатах. Исследования проводились с применением авторской методики моделирования пространственного термического воздействия при сверлении полимерных композиционных материалов (стеклопластиков и углепластиков) в среде Comsol Multiphysics. В качестве модели режущего инструмента была выбрана конструкция алмазного сверла трубчатого типа диаметром 10 мм с двумя прорезями. В качестве модели заготовки были спроектированы твердотельные модели пластин толщиной 5,5 мм из слоистых волокнистых полимерных композиционных материалов: стеклопластика, углепластика. В результате компьютерного расчета были получены температурные поля стеклопластика и углепластика при сверлении алмазным трубчатым инструментом. При изучении термического воздействия стеклопластиков и углепластиков установлены дислокации максимальных температурных полей. В проведенном исследовании было выявлено, что температура при сверлении углепластика достигает 413,6 К, а температура при сверлении стеклопластика – 448,7 К. Показано, что расстояние, на которое распространяется тепло от краев отверстия внутрь заготовки, у углепластика составляет 6,42 мм, а у стеклопластика – 6,40 мм. Разработанная методика моделирования термического воздействия резания полимерных композиционных материалов в среде COMSOL Multiphysics позволяет значительно упростить сложные аналитические расчеты возникающих при сверлении температур, помогает избежать перегрева заготовки при сверлении, позволяет оценить глубины распространения теплоты внутрь заготовки от края образованного отверстия различных типов полимерных композиционных материалов, что повышает качество механической обработки деталей из полимерных композиционных материалов.

1. Мелентьев Р.Ю. Компьютерное моделирование теплового поля в элементарном объеме полимерных композиционных материалов // Проблемы машиностроения. 2014. Т. 17. № 2. С. 3–8.

2. Дударев А.С., Свирщѐв В.И. Оценка температурного поля при алмазном сверлении полимерных композиционных материалов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2016. № 3. С. 188–194.

3. Ismail S.O., Dhakal H.N., Dimla E., Beaugrand J., Popov I. Effects of drilling parameters and aspect ratios on delamination and surface roughness of lignocellulosic HFRP composite laminates // Journal of Applied Polymer Science. 2016. Vol. 133 P. 42879. https://doi.org/10.1002/app.42879

4. Sadek A., Shi B., Meshreki M., Duquesne J., Attia M.H. Prediction and control of drilling-induced damage in fibrereinforced polymers using a new hybrid force and temperature modelling approach // CIRP Annals. 2015. Vol. 64. Iss. 1. P. 89–92. https://doi.org/10.1016/j.cirp.2015.04.074

5. Куклин И.А., Дударев А.С., Подвинцев А.В. О расчете температурного поля при резании // Аэрокосмическая техника, высокие технологии и инновации: сб. науч. тр. XX Всерос. науч.-техн. конф. (г. Пермь, 19–20 ноября 2019). Пермь, 2019. Т. 2. С. 106–109.

6. Davim J.P. Machining Composites Materials. London Hoboken: John Wiley & Sons, 2009. 262 p.

7. Суслов А.Г. Качество поверхностного слоя деталей машин. М.: Изд-во «Машиностроение», 2000. 320 с.

8. Усачев П.А., Нощенко А.Н. Расчет температурных полей зоны резания // Станки и инструмент. 1986. № 2. С. 23–24.

9. Воронцов А.Л., Султанзаде Н.М., Албагачиев А.Ю., Савкин А.И. Разработка новой теории тепловых процессов резания. 4. Анализ основных теоретических исследований теплофизики резания. Часть 1 // Вестник машиностроения. 2010. № 4. С. 68–71.

10. Воронцов А.Л., Султан-заде Н.М., Албагачиев А.Ю., Савкин А.И. Разработка новой теории тепловых процессов резания. 5. Анализ основных теоретических исследований теплофизики резания. Часть 1 // Вестник машиностроения. 2010. № 12. С. 65–72.

11. Воронцов А.Л., Султан-заде Н.М., Албагачиев А.Ю., Савкин А.И. Разработка новой теории тепловых процессов резания. 5. Общий математический аппарат теплофизики резания. Часть 2 // Вестник машиностроения. 2011. № 1. С. 61–67.

12. Воронцов А.Л., Султан-заде Н.М., Албагачиев А.Ю., Савкин А.И. Разработка новой теории тепловых процессов резания. 5. Общий математический аппарат теплофизики резания. Часть 3 // Вестник машиностроения. 2011. № 2. С. 74–79.

13. Воронцов А.Л., Султан-заде Н.М., Албагачиев А.Ю., Савкин А.И. Разработка новой теории тепловых процессов резания. 6. Определение температурных полей и контактных температур при резании материалов. Часть 1 // Вестник машиностроения. 2011. № 3. С. 69–74.

14. Воронцов А.Л., Султан-заде Н.М., Албагачиев А.Ю., Савкин А.И. Разработка новой теории тепловых процессов резания. 6. Определение температурных полей и контактных температур при резании материалов. Часть 3 // Вестник машиностроения. 2011. № 5. С. 63–71.

15. Димов Ю.В., Подашев Д.Б. Температура резания при обработке эластичными абразивными кругами // Вестник машиностроения. 2020. № 8. С. 55–60. https://doi.org/10.36652/0042-4633-2020-8-55-60

16. Заславский И.Я. Теплопроводность резца и температура в зоне резания // Вестник машиностроения. 2015. № 2. С. 70–73.

17. Насонов Ф.А., Бухаров С.В. Исследование влияния целевого модифицирования эпоксидных матриц и углепластиков на их основе на температуру в зоне резания при образовании отверстий // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2018. Т. 22. № 10. С. 141–152 https://doi.org/10.21285/1814-3520-2018-10-141-152

18. Еренков О.Ю., Ивахненко А.Г. Моделирование напряженно-деформированного состояния полимерного материала при резании с учетом взаимодействия трещин // Вестник машиностроения. 2007. № 5. С. 54–56.

19. Гринек А.В., Рубанов В.Г., Калатозишвили И.В., Михайлов В.В. Исследование влияния скорости резания на температурно-силовое состояние в зоне обработки методом численного моделирования // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2016. № 8. С. 10–19. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2016-8-10-19

20. Дударев А.С. Конструкции сверл и фрез для алмазно-абразивной обработки стеклопластиков и углепластиков // Известия Тульского государственного университета. 2012. № 1. С. 361–370.

21. Сироткин О.С., Гришин В.И., Литвинов В.Б. Проектирование, расчет и технология соединений авиационной техники. М.: Изд-во «Машиностроение», 2006. 452 с.

22. Якимов А.В., Слободяник П.Т., Усов А.В. Теплофизика механической обработки. Киев – Одесса: Изд-во «Лыбидь», 1991. 240 с.

23. Баринов Д.Я., Майорова И.А., Мараховский П.С., Зуев А.В., Куцевич К.Е., Лукина Н.Ф. Математическое моделирование температурных полей при отверждении толстостенной плиты стеклопластика // Перспективные материалы. 2015. № 4. С. 5–14.

24. Михайловский К.В., Просунцов П.В., Резник С.В. Разработка высокотеплопроводных полимерных композиционных материалов для космических конструкций // Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Серия: Машиностроение. 2012. № 9. С. 98–106.

25. Phadnis V.A., Makhdum F., Roy A., Silberschmidt V.V. Drilling in carbon/epoxy composites: Experimental investigations and finite element implementation // Composites. Part A: Applied Science and Manufacturing. 2013. Vol. 47. P. 41–51. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2012.11.020