Авторы:

А.М. Зайцев, к.т.н., заместитель технического директора завода по подготовке производства ПАО РКК «Энергия»; alexey.zaitsev@rsce.ru

С.Ю. Шачнев, к.т.н., заместитель генерального директора по производству и техническому развитию, директор завода ПАО РКК «Энергия» 

А.Н. Гудков, инженер-конструктор II категории ПАО РКК «Энергия»; andrey.gudkov3@rsce.ru

В статье исследуется влияние режимов резания на качество поверхности, полученной деталей, заготовки для которых получены методом FDM-печати. Приведены данные экспериментального исследования с использованием различных параметров резания. Установлены оптимальные режимы обработки, обеспечивающие наилучшее качество поверхности. Результаты работы актуальны при проектировании технологических процессов гибридного производства. 

Введение

Современные аддитивные технологии, в частности 3D-печать полимерных материалов, открывают новые возможности для авиационной, ракетно-­космической и других отраслей, где критически важен быстрый цикл разработки прототипов и технологической оснастки. Однако заготовки, полученные методом FDM-печати, часто требуют последующей механической обработки для достижения необходимых заданных допусков размеров и шероховатости поверхности. Неоптимальные параметры обработки могут привести к различным дефектам (расслоения, термические деформации). Также необходимо учитывать особенности механической обработки термопластов: направление армирования материала, образование заусенцев и оплавление материала, упругость пластика.

Цель работы заключается в экспериментальной проверке выбора режимов механической обработки для 3D-печатных пластиковых деталей, установлении зависимости шероховатости обрабатываемой поверхности от режимов фрезерования.

План эксперимента и исходные данные

В качестве опытных образцов для последующей механической обработки были выбраны пластины из материала PETG габаритом 200×80×5 мм (рис. 1).

Рис. 1. Пластины для эксперимента из PETG-пластика

Рис. 2. Обрабатывающий центр и режущий инструмент

Полиэтилентерефталат-­гликоль (PETG) за счет своих механических и технологических свой­ств является одним из распространенных термопластов [1], широко используется для исследуемой ниже FDM-печати [2]. Для проведения эксперимента был выбран вертикально-­фрезерный обрабатывающий центр (макс. частота вращения шпинделя 12000 об/мин), а в качестве режущего инструмента использовалась концевая фреза Guhring для обработки алюминиевых сплавов (рис. 2), так как рекомендуется использовать твердые износостойкие инструменты с большими задними углами, а скорости резания должны быть такими, чтобы деталь не плавилась от тепла, выделяющегося при трении [3].

Рис. 3. Схема фрезерования торцом фрезы

Рис. 4. Схема фрезерования периферией фрезы

Для проведения эксперимента были выбраны две схемы фрезерования плоскости образцов: торцом фрезы (рис. 3) и периферией фрезы (рис. 4).

Проведение эксперимента и фиксирование результата

Фрезерование периферией фрезы

Для экспериментальной проверки режимов резания были приняты следующие шаги варьирования режимов:

• скорость резания: 50, 75, 100, 125, 150, 175, 200, 225 м/мин;

• подача на зуб: 0.05, 0.15, 0.25, 0.35 мм/зуб;

• глубина резания: 5.0 мм.

При данных значениях режимов удалось рассмотреть их влияние на шероховатость и возникновение дефектов для заданного диапазона с минимизацией количества опытов.

Для проведения исследования пластина была расчерчена на 8 равных частей по 25 мм (рис. 5). При помощи программы за один проход периферией фрезы (рис. 6) происходит фрезерование при восьми режимах. Ширина снимаемого слоя составила 4 мм.

Рис. 5. Разметка пластины для механической обработки

Рис. 6. Эскиз фрезерования периферией фрезы

Длина обрабатываемой поверхности составляет 25 мм. Исследования проводились для попутного и встречного фрезерования. В первой части работы была принята максимальная скорость резания с изменением подачи. Результаты обработки приведены в таблице 1.

По результатам таблицы 1 был составлен график (рис. 7) зависимости шероховатости от подачи при фрезеровании периферией фрезы.

Рис. 7. График зависимости шероховатости поверхности от подачи при фрезеровании периферией фрезы

По результатам эксперимента видно, что режим с попутным направлением и подачей 0.35 мм/зуб обеспечивает наилучшую шероховатость поверхности. В ходе дальнейшей работы была определена зависимость шероховатости от скорости резания при постоянной подаче. Результаты работ приведены в таблице 2.

По результатам таблицы 2 был составлен график зависимости шероховатости поверхности от скорости резания при фрезеровании периферией фрезы (рис. 8).

Рис. 8. График зависимости шероховатости поверхности от скорости резания при фрезеровании периферией фрезы

По результатам эксперимента и сравнения качества обработанных поверхностей определено, что скорость резания 225 м/мин и подача 0.35 мм/зуб обеспечивают получение наилучшей шероховатости для данной схемы фрезерной обработки.

Фрезерование торцом фрезы

Для экспериментальной проверки режимов резания были приняты следующие шаги варьирования режимов:

• скорость резания: 50, 75, 100, 125, 150, 175, 200, 225 м/мин;

• подача на зуб: 0.05, 0.15, 0.25, 0.35 мм/зуб;

• глубина резания: 1.0 мм

Для проведения исследования пластина была расчерчена на 8 равных частей по 25 мм (рис. 9). При помощи программы за один проход периферией фрезы (рис. 10) происходит фрезерование при восьми режимах резания. Ширина снимаемого слоя составила 4 мм.

Рис. 9. Разметка пластины

Рис. 10. Эскиз фрезерования периферией фрезы

Длина обрабатываемой поверхности составляет 25 мм. Исследования проводились для попутного и встречного фрезерования. В первой части работы была принята максимальная скорость резания с изменением подачи. Результаты обработки приведены в таблице 3.

По результатам таблицы 3 был составлен график зависимости шероховатости поверхности от подачи на зуб при фрезеровании торцом фрезы (рис. 11).

Рис. 11. График зависимости шероховатости поверхности от подачи на зуб при фрезеровании торцом фрезы

Из результатов эксперимента следует, что режим с встречным направлением и подачей 0.35 мм/зуб обеспечивают получение наилучшей шероховатости. В ходе дальнейшей работы была определена зависимость шероховатости от скорости резания при постоянной подаче. Результаты работ приведены в таблице 4.

Рис. 12. График зависимости шероховатости поверхности от скорости резания при фрезеровании торцом фрезы

По результатам таблицы 4 был составлен график зависимости шероховатости поверхности от скорости резания при фрезеровании торцом фрезы (рис. 12).

Анализ результатов

По результатам проведенных работ определены режимы резания, обеспечивающие получение наилучшей шероховатости для каждого вида механической обработки. Для фрезерования периферией фрезы: скорость — 225 м/мин; подача — 0.35 мм/зуб; направление — попутное. Для фрезерования торцом фрезы: скорость — 125…175 м/мин; подача — 0.35 мм/зуб; направление — встречное.

При фрезеровании периферией фрезы на минимальных режимах резания возникали дефекты в виде оплавлений и образование заусенцев (рис. 13). При увеличении скорости резания количество дефектов уменьшалось.

Рис.13. Дефект в виде заусенца

При фрезеровании торцом фрезы при увеличении скорости резания более 200 м/мин наблюдалось снижение качества поверхности, что можно объяснить неоптимальным значением переменной скорости резания на режущей кромке и работой стружечной канавки по удалению стружки, выбранной фрезой.

Сравнение качества поверхностей представлено на рис. 14 и 15.

Рис. 14. Наихудшая шероховатость при фрезеровании периферией фрезы

Рис. 15. Наилучшая шероховатость при фрезеровании периферией фрезы

Выводы

Проведенные экспериментальные исследования показали, что явно прослеживается тенденция, при которой увеличение скорости резания и подачи на зуб в целом приводит к снижению величины шероховатости поверхности при фрезеровании заготовок из материала PETG.

Результаты по экспериментальной проверке режимов обработки, полученные в ходе проведенной работы, могут быть использованы при фрезерной обработке деталей из материала PETG и направлены на разработку универсальных рекомендаций по выбору режимов резания для различных типов аддитивных материалов и методов их постобработки, что позволит расширить область применения гибридных технологий в промышленности.

Литература

1. Уланов А.О., Иньшина Я.Г. PETG- и PLA-филаменты и испытания физико-­механических характеристик изделий из них // Молодой ученый. 2020. № 52. С. 98–101.  URL: https://moluch.ru/archive/342/77092/
2. Современные наукоемкие технологии. 2015. № 6.  С. 26–30. URL: https://top=technologies.ru/ru/article/view?id=35053
3. https://www.hims.ru/processing/ Обработка материала QUINN PETG.

Источник журнал "Аддитивные технологии" № 2-2025