«Дослідження технологічних параметрів обробки поверхні вуглепластику після механічної обробки»

Сташенко, Олександр Сергійович
Будь ласка, використовуйте цей ідентифікатор, щоб цитувати або посилатися на цей матеріал: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/9137
Повний запис метаданих
Поле DC	Значення	Мова
dc.contributor.advisor	Лега, Андрій Юрійович	-
dc.contributor.author	Сташенко, Олександр Сергійович	-
dc.date.accessioned	2026-03-26T12:13:31Z	-
dc.date.available	2026-03-26T12:13:31Z	-
dc.date.issued	2024	-
dc.identifier.uri	https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/9137	-
dc.description.abstract	Тема кваліфікаційної роботи магістра: «Дослідження технологічних параметрів обробки поверхні вуглепластику після механічної обробки» Виконавець: студент групи мТМ-32 Сташенко Олександр Сергійович. Керівник: к.і.н, доцент Лега Андрій Юрійович. Кваліфікаційна робота містить 87 сторінок формату А4, 58 рисунків, 11 таблиць, 59 літературних джерела. Застосування полімерних композиційних матеріалів (ПКМ), зокрема вуглепластиків, у машинобудуванні, авіаційній, космічній та автомобільній галузях зумовлює підвищені вимоги до їхньої механічної обробки. Основними проблемами є аномальна поведінка матеріалу під час різання, анізотропія механічних властивостей, деламінація, ворсистість та тріщиноутворення. Традиційні методи механічної обробки не забезпечують необхідної якості поверхневого шару. Послідовна лезово-абразивна обробка є одним із перспективних підходів, що дозволяє мінімізувати дефекти, підвищити точність та покращити механічні властивості виробів. Дослідження у цій роботі спрямовані на оптимізацію параметрів різання для забезпечення високої якості поверхні вуглепластиків. Розділ 1 – Аналіз фізико-механічних властивостей полімерних композиційних матеріалів, особливостей їх механічної обробки, основних дефектів поверхневого шару після лезової обробки та можливості їх усунення. Розділ 2 – Обґрунтування ефективності послідовної лезово-абразивної обробки, вибір оптимальних інструментів, режимів різання та методів оцінки якості поверхневого шару. Розділ 3 – Дослідження впливу параметрів різання на якість поверхневого шару вуглепластикових виробів, визначення оптимальних характеристик шліфувальних кругів та режимів обробки. Розділ 4 – Розгляд питань охорони праці та безпеки при механічній обробці полімерних композиційних матеріалів, а також аналіз заходів щодо зниження ризиків для оператора.	uk_UA
dc.language.iso	uk	uk_UA
dc.subject	Вуглепластик	uk_UA
dc.title	«Дослідження технологічних параметрів обробки поверхні вуглепластику після механічної обробки»	uk_UA
dc.type	Master Thesis	uk_UA
Розташовується у зібраннях:	131 Прикладна механіка (Технології машинобудування)
Файли цього матеріалу:
Файл	Опис	Розмір	Формат
Сташенко.pdf Restricted Access		2.16 MB	Adobe PDF	Переглянути/Відкрити Запит копії
Показати базовий опис матеріалу Перегляд статистики
Усі матеріали в архіві електронних ресурсів захищено авторським правом, усі права збережено.
Extracted text
Міністерство освіти і науки України 
Черкаський державний технологічний університет 
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування 
Кафедра технології та обладнання машинобудівних виробництв 
 
До захисту допущено: 
Завідувач кафедри ТОМВ 
____________Георгій КАНАШЕВИЧ 
«_____»_____________2024р. 
 
Пояснювальна записка 
до кваліфікаційної роботи магістра 
 
на тему: «Дослідження технологічних параметрів обробки поверхні 
вуглепластику після механічної обробки»  
 
 
Виконав: здобувач 2 курсу, групи мТМ-32 
Спеціальності 131 – «Прикладна механіка» 
Освітня програма – «Технології машинобудування» 
Сташенко Олександр Сергійович  
Керівник: к.і.н., доцент Лега Андрій Юрійович 
Рецензент: Інженер-технолог ПП «Фотоніка плюс» 
м.Черкаси 
Голуб Микола Васильович 
 
 
 
 
 
 
Черкаси 2024 р. 
Черкаський державний технологічний університет 
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування 
Кафедра технології та обладнання машинобудівних виробництв 
Освітній рівень  магістерський. 
Спеціальність 131 «Прикладна механіка». 
Освітня програма «Технології машинобудування» 
 
        ЗАТВЕРДЖУЮ: 
        Завідувач кафедри ТОМВ 
 Георгій КАНАШЕВИЧ 
        «       »       ____________2024р. 
 
ЗАВДАННЯ 
на кваліфікаційну роботу магістра 
 
_Сташенку Олександру Сергійовичу_ 
(прізвище, ім’я, по батькові) 
1. Тема роботи «Дослідження технологічних параметрів обробки поверхні 
вуглепластику після механічної обробки». 
Керівник  роботи Лега Андрій Юрійович, к.і.н., доцент 
                                            (прізвище, ім’я, по батькові, науковий ступінь, вчене звання) 
Затверджена наказом Черкаського державного технологічного університету від 
 «16» вересня 2024р. №272/04 
2. Термін подання здобувачем роботи 26. 11. 2024 р. 
3. Вихідні дані до роботи: Полімерні композиційні матеріали (ПКМ) і їхні 
фізико-механічні властивості; Параметри лезової та абразивної обробки;  
Завдання до розділу охорона праці та безпека у НС 
4. Зміст пояснювальної записки: Стан питання, мета та завдання 
дослідження; Класифікація композиційних матеріалів, фізико-механічні 
властивості та сфери застосування; Дефекти поверхневого шару при лезовій 
обробці ПКМ; Обґрунтування можливості застосування абразивної обробки 
вуглепластиків; Вибір і обґрунтування вихідної заготовки; Результати 
досліджень; Порівняльний аналіз несучої здатності конструктивно подібних 
зразків, виготовлених лезовою та послідовною лезово-абразивною обробкою; 
Охорона праці та безпека у НС  
5. Перелік графічного матеріал(з точним зазначенням обов’язкових 
креслеників, плакатів, презентацій тощо Тема, мета, задачі, об’єкт 
дослідження, предмет дослідження; Схеми будови композитів. Властивості 
композиційних матеріалів; Оцінка світового ринку полімерних композиційних 
матеріалів. Схема формування тріщини при обробці ПКМ; Накопичення 
армувальних волокон на ріжучій кромці інструмента під час ортогональної 
обробки; Зразки для проведення випробувань на міцність при розтягуванні та 
розриві; Вимірювання висоти мікронерівностей у поперечному перерізі. 
Профілограма поверхні; Формування хвилястості при шліфуванні 
шліфувальним кругом; Результати досліджень; Охорона праці та безпека у 
НС; Загальні висновки  
6. Керівники з роботи із зазначенням розділів роботи, що їх стосується 
Прізвище, ініціали та посада Підпис, дата 
Розділ 
консультанта завдання видав завдання прийняв 
Розділ 1-3 Лега Андрій Юрійович   
Розділ 4 Цікановський Володимир Леонідович   
 
7. Дата видачі завдання 16.09.2024 р. 
Календарний план 
№ Назва етапів дипломного  Строк   
Примітка  
з/п роботи  виконання етапів роботи 
1 Збір інформації для написання КРМ 16.04. - 01.10.2024  
2 Написання І розділу КРМ 02.10.-15.10.2024  
3 Написання ІІ розділу КРМ 16.10 – 24.10.2024  
4 Написання ІІІ розділу КРМ 25.10 – 2.11.2024  
5 Написання розділу з охорони праці 3.11 – 9.11.2024  
6 Оформлення пояснювальної записки 10.11 – 25.11.2024  
7 Оформлення графічної документації 26.11 – 04.12.2024  
8 Захист роботи 20.01.-21.01.2025р.  
    
    
 
 
 
Здобувач                                       ___________              Олександр СТАШЕНКО 
      Підпис       Власне ім’я, ПРІЗВИЩЕ 
 
Керівник                                       ___________                ___Андрій ЛЕГА__ 
      Підпис       Власне ім’я, ПРІЗВИЩЕ 
 
4 
 
АНОТАЦІЯ 
Тема кваліфікаційної роботи магістра: «Дослідження технологічних 
параметрів обробки поверхні вуглепластику після механічної обробки» 
Виконавець: студент групи мТМ-32 Сташенко Олександр Сергійович. 
Керівник: к.і.н, доцент  Лега Андрій Юрійович. 
Кваліфікаційна робота містить 87 сторінок формату А4, 58 рисунків, 11 
таблиць, 59 літературних джерела. 
Застосування полімерних композиційних матеріалів (ПКМ), зокрема 
вуглепластиків, у машинобудуванні, авіаційній, космічній та автомобільній галузях 
зумовлює підвищені вимоги до їхньої механічної обробки. Основними проблемами 
є аномальна поведінка матеріалу під час різання, анізотропія механічних 
властивостей, деламінація, ворсистість та тріщиноутворення. Традиційні методи 
механічної обробки не забезпечують необхідної якості поверхневого шару. 
Послідовна лезово-абразивна обробка є одним із перспективних підходів, що 
дозволяє мінімізувати дефекти, підвищити точність та покращити механічні 
властивості виробів. Дослідження у цій роботі спрямовані на оптимізацію 
параметрів різання для забезпечення високої якості поверхні вуглепластиків. 
Розділ 1 – Аналіз фізико-механічних властивостей полімерних композиційних 
матеріалів, особливостей їх механічної обробки, основних дефектів поверхневого 
шару після лезової обробки та можливості їх усунення. 
Розділ 2 – Обґрунтування ефективності послідовної лезово-абразивної 
обробки, вибір оптимальних інструментів, режимів різання та методів оцінки 
якості поверхневого шару. 
Розділ 3 – Дослідження впливу параметрів різання на якість поверхневого 
шару вуглепластикових виробів, визначення оптимальних характеристик 
шліфувальних кругів та режимів обробки. 
Розділ 4 – Розгляд питань охорони праці та безпеки при механічній обробці 
полімерних композиційних матеріалів, а також аналіз заходів щодо зниження 
ризиків для оператора. 
  
 
5 
ABSTRACT 
Master's Qualification Work Topic: "Research on technological parameters of 
carbon fiber surface treatment after mechanical processing " 
Author: Student of group mTM-32, Oleksandr Stashenko. 
Supervisor: PhD in History, Associate Professor Andrii Leha. 
The qualification thesis consists of 87 A4 pages, 58 figures, 11 tables, and 59 
references. 
The application of polymer composite materials (PCM), particularly carbon fiber-
reinforced plastics (CFRP), in mechanical engineering, aviation, space, and automotive 
industries imposes higher requirements for their machining processes. The main 
challenges include abnormal material behavior during cutting, anisotropic mechanical 
properties, delamination, fiber pull-out, and crack formation. 
Traditional machining methods do not ensure the required surface layer quality. 
Sequential cutting-abrasive processing is one of the promising approaches that allows for 
minimizing defects, improving accuracy, and enhancing the mechanical properties of 
products. This research aims to optimize cutting parameters to achieve high surface 
quality in carbon fiber-reinforced plastics. 
Chapter 1 – Analysis of the physical and mechanical properties of polymer 
composite materials, their machining characteristics, the main surface defects after 
cutting, and methods for their elimination. 
Chapter 2 – Justification of the efficiency of sequential cutting-abrasive processing, 
selection of optimal tools, cutting modes, and methods for assessing surface quality. 
Chapter 3 – Investigation of the effect of cutting parameters on the surface quality 
of carbon fiber-reinforced plastic parts, determination of the optimal characteristics of 
grinding wheels and processing modes. 
Chapter 4 – Consideration of occupational safety and risk mitigation measures 
during the machining of polymer composite materials, with an emphasis on operator 
safety..  
6 
 
Зміст 
Вступ ................................................................................................................................. 8 
РОЗДІЛ 1 СТАН ПИТАННЯ, МЕТА ТА ЗАВДАННЯ ДОСЛІДЖЕННЯ .......... 11 
1.1 Класифікація композиційних матеріалів, фізико-механічні властивості та 
сфери застосування ....................................................................................................... 11 
1.2 Особливості обробки виробів із полімерних композиційних матеріалів...... 15 
1.3 Дефекти поверхневого шару при лезовій обробці ПКМ ................................ 16 
1.4 Фрезерування виробів із композиційних матеріалів ....................................... 19 
1.5 Ортогональна обробка виробів із вуглепластику та склопластику ............... 21 
1.6 Гідроабразивна обробка ПКМ ........................................................................... 23 
Висновки до першого розділу .................................................................................. 28 
Розділ 2 Обґрунтування можливості застосування абразивної обробки 
вуглепластиків ............................................................................................................... 29 
2.1. Моделювання процесу стружкоутворення при лезовій обробці полімерних 
композиційних матеріалів ............................................................................................ 29 
2.2 Обґрунтування ефективності застосування послідовної лезово-абразивної 
обробки ........................................................................................................................... 36 
2.3 Обладнання ...................................................................................................... 39 
2.4 Вибір та обґрунтування інструментального забезпечення для проведення 
досліджень ...................................................................................................................... 40 
2.5 Вибір і обґрунтування засобів технічного оснащення для оцінки показників 
якості поверхневого шару ............................................................................................ 42 
2.6 Вибір і обґрунтування вихідної заготовки ................................................... 44 
Висновок до розділу 2............................................................................................... 46 
Розділ 3 Результати досліджень ................................................................................... 47 
3.1 Визначення геометрії лезового ріжучого інструменту для попереднього 
фрезерування торцевих поверхонь .............................................................................. 47 
 
7 
3.2 Визначення раціональних характеристик шліфувальних кругів і режимів 
різання при абразивній обробці ПКМ ......................................................................... 58 
3.3 Порівняльний аналіз несучої здатності конструктивно подібних зразків, 
виготовлених лезовою та послідовною лезово-абразивною обробкою .................. 64 
Висновок до розділу 3............................................................................................... 69 
Розділ 4 Охорона праці та безпека у НС ................................................................. 70 
4.1 Загальні вимоги охорони праці під час роботи з полімерними композитними 
матеріалами .................................................................................................................... 70 
4.2 Вимоги до розміщення виробничого обладнання і організації робочих місць
 ......................................................................................................................................... 70 
4.3 Вимоги до технологічного обладнання ............................................................ 71 
4.4 Вимоги до технологічних процесів ................................................................... 74 
Загальні висновки ...................................................................................................... 79 
Список використаної літератури ................................................................................. 81 
 
  
8 
 
Вступ 
Наразі традиційні матеріали замінюються на полімерні композиційні 
матеріали, що є одним із напрямів розвитку машинобудування. Збалансованість 
фізико-механічних властивостей полімерних композиційних матеріалів (ПКМ) 
дозволяє підвищити енерго-силові характеристики технологічних машин. 
Активне впровадження композиційних матеріалів відзначено у виробах і 
вузлах аерокосмічної техніки, автомобілебудування, суднобудування та інших 
галузях машинобудування. Як приклади окремих елементів конструкції можуть 
виступати такі, як корпуси суден, фюзеляжі літаків, корпусні деталі гоночних 
болідів тощо. Конструкторська документація на кожну одиницю номенклатури 
вищезазначених виробів містить високі вимоги до забезпечення якості обробленої 
поверхні. Однак через анізотропію властивостей, абразивний вплив, низьку 
теплопровідність та інші нехарактерні для металів і сплавів властивості традиційні 
методи механічної обробки не дозволяють забезпечити вимоги до точності та 
якості обробленої поверхні виробу. 
Найбільш явною невідповідністю якості оброблених деталей з ПКМ виступає 
дефектоутворення при обробці лезовим інструментом. Основними дефектами є 
такі, як деламінація, термодеструкція полімерного зв'язуючого, ворсистість і 
тріщиноутворення в матриці композиту. Для усунення цих дефектів 
застосовуються різні методи ручної слюсарної механічної обробки. Крім того, 
наявність дефектів у вигляді виривів армуючих волокон і тріщин у матриці 
композиту може бути причиною зниження несучої здатності конструкції, а також 
здатності опору втомі при знакозмінних навантаженнях. 
У зв'язку з цим для вирішення проблеми забезпечення необхідної якості 
поверхневого шару при механічній обробці виробів з ПКМ пропонується 
застосування послідовної лезово-абразивної обробки. При лезовій обробці в зоні 
контакту різального інструменту та заготовки, армуючі волокна не перерізаються, 
а накопичуються на різальній кромці інструменту і піддаються пружній деформації 
стиску, після чого, при досягненні критичної величини тиску інструменту, 
витягуються і руйнуються з утворенням деламінації крайових шарів композиту і 
 
9 
тріщин у зв'язуючій матриці. Даний процес має циклічний характер протягом 
усього періоду різання. Тому виникає необхідність усунення вищезазначених 
дефектів, що може бути досяжно при забезпеченні крихкого руйнування 
волокнистого наповнювача. Останнє є наслідком застосування високих 
швидкостей різання, а також гострої різальної кромки, що має високу твердість. 
Таким чином, забезпечення вимог шорсткості обробленої поверхні, точності, 
розташування і форми поверхонь досяжно при подальшій абразивній обробці, в 
результаті якої усувається дефектний шар. 
Мета роботи – технологічне забезпечення необхідної шорсткості та 
запобігання дефектів при механічній обробці виробів з вуглепластику на основі 
вибору різального інструменту та раціональних режимів різання. 
Для досягнення зазначеної мети необхідно вирішити комплекс наступних 
завдань: 
1. Провести аналіз проблем утворення дефектів при лезовій механічній 
обробці ПКМ з вуглепластику та шляхів їх усунення. 
2. Провести обґрунтування розробки та застосування технології послідовної 
лезово-абразивної обробки. 
3. Проаналізувати методику проведення експериментальних досліджень 
якості поверхневого шару залежно від режимів різання та різального інструменту 
при послідовній лезовій та абразивній обробці ПКМ. А також методики 
дослідження несучої здатності конструктивно-подібних зразків з вуглепластику 
шляхом випробувань на розтягування та розрив. 
4. Провести дослідження впливу режимів різання та різального інструменту 
при послідовній лезово-абразивній обробці на шорсткість поверхневого шару. 
Провести порівняльні дослідження несучої здатності КПЗ шляхом проведення 
випробування на розтягування та розрив ПКМ, що пройшли лезову та лезово-
абразивну обробку. 
5. На основі аналізу результатів досліджень отримати математичну модель, 
що встановлює залежність шорсткості поверхневого шару від режимів механічної 
обробки лезовим та абразивним інструментом. В результаті порівняльного 
 
10 
дослідження несучої здатності КПЗ, що пройшли лезову та послідовну лезово-
абразивну обробку, визначити ефективність нового методу обробки. 
6. Відтворити технологічні рекомендації та алгоритм дій інженера-технолога 
механічного цеху при технологічній підготовці виробництва деталей з полімерних 
композиційних матеріалів на основі вуглеволокна. 
Об'єктом дослідження є процес механічної обробки лезовим та абразивним 
інструментом полімерних композиційних матеріалів на основі вуглеволокна. 
Предмет дослідження – технологічне забезпечення необхідної шорсткості та 
запобігання дефектів при механічній обробці виробів з вуглепластику. 
 
 
 
11 
 
РОЗДІЛ 1 СТАН ПИТАННЯ, МЕТА ТА ЗАВДАННЯ ДОСЛІДЖЕННЯ 
1.1 Класифікація композиційних матеріалів, фізико-механічні 
властивості та сфери застосування 
Застосування композиційних матеріалів (КМ) охоплює широкий спектр 
потреб людини, що зумовлено великою класифікацією КМ за видами, матеріалами 
матриці та напрямом армувальних волокон. Самі ж композиційні матеріали 
являють собою багатокомпонентні матеріали, які складаються з пластичної зв’язки 
та наповнювача, що виконує роль армувального елемента. У результаті поєднання 
різнорідних матеріалів утворюється абсолютно новий матеріал із фізико-
механічними характеристиками, що відрізняються від властивостей окремих 
складових матеріалів. 
Отже, першим із критеріїв, за якими розрізняють КМ, є матеріал матриці, 
який може бути: металевим (МКМ), полімерним (ПКМ), керамічним (ККМ) або 
вуглецево-вуглецевим (ВВКМ). Матеріал матриці забезпечує передачу зовнішніх 
впливів із матриці на армувальні волокна, що сприяє досягненню високих 
показників твердості й міцності конструкцій. У зв’язку з цим композити за типом 
зміцнювальних наповнювачів поділяють на дисперсно-зміцнені, волокнисті та 
шаруваті відповідно до рисунка 1 [1]. 
 
1 – дисперсно-зміцнені; 2 – волокнисті;3 – шаруваті. 
Рисунок 1 – Схеми будови композитів [1]. 
Дисперсно-зміцнені КМ містять тугоплавкі частинки карбідів, оксидів тощо, 
які не мають сильної адгезії з матрицею аж до температури плавлення фаз. 
 
12 
Волокнисті КМ мають значну перевагу за міцністю, оскільки в цьому 
випадку зовнішні впливи передаються від наповнювача до армувальних волокон. 
Так само, як і в дисперсно-зміцнених КМ, особливо важливою вимогою є слабка 
адгезійна взаємодія наповнювача з волокнами. Для забезпечення необхідних 
механічних властивостей застосовуються різні методи розподілу волокон у об’ємі 
заготовки: 
Волокна (вусики) – 5–8 нм у діаметрі; 
Ровінги складаються з 1 000–24 000 волокон; 
Рубані волокна → волоконні мати; 
Препреги. 
Односпрямовані композиційні матеріали виготовляють із розташуванням 
волокон в одному напрямі. Відмінні риси: висока механічна міцність, складність 
обробки та схильність до деламінації. 
Різноспрямовані композиційні матеріали поділяються на полотняне, атласне 
та саржеве плетіння. Відмінні риси: відносна простота обробки, менша схильність 
до розшарування, складність виготовлення. 
Шаруваті КМ є накопичувальною системою зі шарів різних матеріалів, що 
підбираються залежно від необхідних фізико-механічних параметрів. Як 
зв’язуючий шар можуть застосовуватися полімерні волокна, стрічки, тканини, 
різновиди фольги з алюмінію, міді тощо, а як шари, що несуть основні 
характеристики композита, виступають кераміка, пластмаса та метал. 
Як було зазначено раніше, композиційні матеріали формуються та 
підбираються залежно від необхідних фізико-механічних параметрів, оскільки 
вони безпосередньо впливають на експлуатаційні властивості конструкції та на 
особливості механічної обробки. Основні параметри наведені в таблиці 1 [3–10,13]. 
Таблиця 1 – Властивості композиційних матеріалів 
 
13 
 
Зважаючи на великий діапазон використовуваних матеріалів, їх властивостей 
і видів будови композитів, наслідком цього є і широкий спектр застосування 
композиційних матеріалів. Основними великими галузями використання КМ є 
автомобілебудування, літакобудування, ракетобудування, промислове 
будівництво, залізнична промисловість та багато інших, що зображено на рисунку 
2. 
У кожній із галузей промисловості знайшов своє застосування той чи інший 
вид КМ. Щодо машинобудування, найбільше поширення отримали полімерні 
композиційні матеріали. 
 
14 
 
Рисунок 2 – Області застосування ПКМ 
Наприклад, на сьогоднішній день 50% маси літаків становлять вироби з 
ПКМ, такі як: крила, лопаті турбін, хвостове оперення тощо. Найбільш 
досліджуваними ПКМ стали композити з армувальними елементами зі скляних, 
арамідних, вуглецевих, борних і металевих волокон. 
Станом на сьогодні світовий ринок полімерних композиційних матеріалів 
демонструє активне зростання на рівні від 4 до 7,7%, що в перспективі може 
досягти 130 млрд доларів США (на рисунку 3) [11]. 
 
15 
 
Рисунок 3 – Оцінка світового ринку полімерних композиційних матеріалів [11] 
 
Також варто враховувати, що основним видом полімерних композиційних 
матеріалів, які застосовуються в сучасній промисловості, є вуглепластики. Це 
обумовлено їх здатністю забезпечувати термостійкість та можливістю 
використання у вузлах при підвищених температурах. 
1.2 Особливості обробки виробів із полімерних композиційних 
матеріалів 
Обробка полімерних композиційних матеріалів (ПКМ), таких як 
вуглепластик і склопластик, має низку особливостей, пов’язаних насамперед із 
фізико-механічними властивостями самих композитів, які суттєво відрізняються 
від класичної металообробки. Причини виникнення специфіки механічної обробки 
вуглепластиків включають наступні аспекти [12]: 
Анізотропія властивостей матеріалів. Армувальні волокна є джерелом 
значного опору ріжучому інструменту під час обробки. Нерівномірність 
поверхневого шару, що містить полімерну матрицю та волокна, сприяє утворенню 
тріщин у матриці композиту, а також підвищеному зносу інструмента на передній 
поверхні. 
Складність досягнення необхідної якості поверхні. Через шарувату або 
волокнисту структуру обробка потребує використання гострозаточеного 
інструменту, оскільки зі збільшенням зносу виникає розтріскування обробленої 
поверхні та вивітрювання зв’язуючого матеріалу. 
 
16 
Висока твердість зв’язуючого матеріалу. Твердість на рівні 40–45 HRC 
обмежує використання багатьох видів ріжучого інструменту. Для обробки ПКМ 
рекомендується застосування інструментів із натуральних алмазів (98,1 ГПа), 
синтетичних алмазів (89 ГПа) та Ельбору-Р (84 ГПа). 
Низька теплопровідність композитів. Це негативно впливає на стан ріжучого 
інструменту через порушення теплового балансу, характерного для класичної 
металообробки. При обробці ПКМ тепло, що виділяється при різанні, 
розподіляється так: 90% у ріжучий інструмент, 5% у стружку, 5% у оброблювану 
деталь. При цьому температура ріжучих кромок може досягати 600 °С, що 
перевищує діапазон температур (160–300 °С), у якому полімерне зв’язуюче зберігає 
свої хімічні властивості. 
Специфіка процесу стружкоутворення. Стружкоутворення включає 
подолання пружних деформацій у площині зсуву та подальше пружне руйнування. 
Абразивний вплив наповнювача. У зоні різання утворюються частинки пилу, 
які впливають на передню поверхню інструменту та прискорюють його знос. 
Хрупкість зв’язуючої матриці. Утворення пилоподібної стружки шкідливо 
впливає на організм працівника, тому необхідно забезпечувати високі стандарти 
охорони праці на робочому місці. 
Відсутність змазувально-охолоджувальних рідин (ЗОР) 
Через анізотропність властивостей заготовки використання ЗОР під час 
обробки не рекомендовано, оскільки це може призводити до утворення водяного 
клина та деламінації шарів композиту. 
1.3 Дефекти поверхневого шару при лезовій обробці ПКМ 
Як зазначалося раніше, особливості будови та механічних властивостей 
виробів із вуглепластику сприяють утворенню дефектів поверхневого шару під час 
механічної обробки. Через це забезпечення вимог конструкторської документації 
призводить до здорожчання технологічного процесу та зниження рівня механізації 
й автоматизації праці на машинобудівному підприємстві. У результаті механічної 
обробки лезовим інструментом основними видами дефектів є деламінація, сколи, 
ворсистість, термодеструкція та тріщини в матриці композиту [12,14]. 
 
17 
На сьогодні 80% операцій механічної обробки ПКМ припадає на свердління, 
фрезерування та різання, решта 20% — на токарні операції, абразивне різання 
тощо. Відповідно до типових вимог конструкторської документації щодо 
забезпечення якості поверхневого шару, підприємствам необхідно вводити в 
технологічний процес виготовлення виробів додаткові операції слюсарної обробки 
ручним інструментом. 
Деламінація є розшаруванням або частковим вириванням шарів препрегів 
унаслідок дії сил різання на заготовку, що проілюстровано на рисунку 4 [12,14,48]. 
Основним джерелом деламінації є перпендикулярне укладання шарів відносно 
вектора дії сили різання, а також підвищені температури, які у випадку з 
термореактивною матрицею композиту спричиняють вихід вологи та подальше 
утворення тріщин. 
 
1 – Деламінація при обробці отворів; 2 – Деламінація при обробці торців 
Рисунок 4 – Деламінація ПКМ 
Як можна помітити, деламінація має характерні особливості. Як правило, у 
більшості випадків вона утворюється в зоні входу та виходу інструменту із 
заготовки, а також на крайових шарах заготовки, які не мають підтримки та 
опорних конструкцій. Це стимулює перерізання армувальних волокон і 
обумовлюється відносно малими висотами — зазвичай менше 1 мм від діаметра 
отвору [15–17]. 
Наступним важливим дефектом, що виникає при обробці ПКМ, є ворсистість. 
Її причиною є волокниста структура наповнювача. Як зазначено в пункті 1.2, ПКМ 
 
18 
мають специфіку стружкоутворення, яка полягає в необхідності досягнення 
хрупкого руйнування волокон [14,48]. Оскільки хрупке руйнування кожного 
окремого волокна в однаковий момент часу є недосяжним, довжина ворсу до місця 
руйнування буде різною, що безпосередньо впливає на якість поверхневого шару 
виробу. Приклади утворення ворсистості показано на рисунку 5. 
 
Рисунок 5 – Ворсистість отвору[14] 
Також одним із основних видів дефектів є утворення тріщин у матриці 
композиту. Причинами виникнення такого роду дефектів є хрупкість матриці, 
призначення режимів різання, схильних до підвищених температур у зоні різання, 
що призводить до виходу вологи з матриці та виникнення пружних деформацій 
армувальних волокон (рисунок 6) [32]. 
 
1 – Матриця; 2 – Тріщина; 3 – Волокна; 4 – Зона пружного руйнування 
волокна; Р – Вектори дії сил 
Рисунок 7 – Схема формування тріщини при обробці ПКМ 
 
19 
 
Кожен із видів дефектів погіршує якість поверхневого шару виробу. Зокрема, 
не забезпечуються типові вимоги конструкторської документації щодо розмірної 
точності та якості поверхневого шару після механічної обробки (таблиця 2). 
Таблиця 2 – Типові технічні вимоги до якості поверхневого шару виробів із 
вуглепластику 
 
У результаті механічної обробки лезовим інструментом шорсткість 
поверхневого шару досягається завдяки використанню інноваційних технологій і 
варіацій режимів різання. Проте забезпечення вимог щодо площі дефектів і 
довжини мікротріщин зі сколами не досягається. 
1.4 Фрезерування виробів із композиційних матеріалів 
Операція фрезерної обробки ПКМ, нарівні з операцією свердління, займає 
важливе місце у виготовленні деталей із ПКМ. Забезпечення необхідних 
параметрів поверхні під час фрезерування є найпроблематичнішим, оскільки 
необхідно враховувати напрямок головного руху ріжучого інструменту (РІ), 
напрямок подачі та напрямок укладання армувальних волокон [4,13]. 
Залежно від кута напрямку армувальних волокон визначається утворення 
дефектів поверхневого шару (рисунок 7) [14,15,16]. 
 
20 
 
Рисунок 7 – Вплив напряму армувальних волокон на якість поверхні [14] 
Як можна помітити, якість поверхні по всьому периметру обробки 
забезпечується лише за збігу напряму подачі та напряму укладання армувальних 
волокон. У всіх інших випадках утворюються ворсистість і деламінація крайових 
шарів заготовки. Ці дефекти також характерні для інших видів осьової обробки. 
Зокрема, утворення деламінації крайових шарів обумовлене перерозподілом 
векторів дії сил різання у зовнішніх напрямках. Через це виникла необхідність 
забезпечити геометрію ріжучого інструменту, яка дозволяє сконцентрувати 
зусилля в центрі заготовки, тим самим мінімізуючи деламінацію крайових шарів. 
Виробники ріжучих інструментів пропонують оригінальні конструкції фрез, 
розроблені залежно від поверхонь, якість яких потрібно забезпечити [8]. 
 
Рисунок 8 – Відхилення форми зразка від циліндричності [21] 
 
21 
Зменшення зносу ріжучого інструменту може бути досягнуто завдяки 
використанню високих швидкостей різання.  
Рекомендації щодо застосування високошвидкісного різання ПКМ 
включають: 
Твердосплавний інструмент не придатний для цього методу. 
Рекомендується використовувати фрези з перехресними зубами. 
Фрези з алмазним покриттям із надтвердих матеріалів типу CBN також 
рекомендуються до застосування. 
Фрезерування у пакеті з алюмінієм є сприятливим для високошвидкісного 
фрезерування. 
1.5 Ортогональна обробка виробів із вуглепластику та склопластику 
Вивчення механіки утворення стружки в зоні контакту ріжучого інструменту 
та заготовки, яке лежить в основі теорії різання, здійснювалося при ортогональній 
обробці. У дослідженнях використовували як експериментальні підходи, так і 
моделювання процесів на основі методу кінцевих елементів із застосуванням САЕ-
систем інженерних розрахунків та аналізу. Однак результати, отримані в ході 
експериментальних досліджень, не корелюють із результатами моделювання. У 
зв’язку з цим виникає проблематика пояснення механізму різання ПКМ [44]. 
За результатами досліджень кафедри «Інноваційні технології 
машинобудування» Пермського національного дослідницького політехнічного 
університету було встановлено, що в момент контакту ріжучого інструменту із 
заготовкою з вуглепластику та склопластику відбувається деламінація крайових 
шарів, що проілюстровано на рисунку 9 [37,46]. 
   
 
22 
1 – Різання вуглепластику; 2 – Різання склопластику 
Рисунок 9 – Деламінація крайових шарів КПЗ 
Вплив сил різання на середні шари оброблюваної поверхні заготовки також 
має особливості, пов’язані з формуванням і відділенням стружки. На рисунку 10 
представлено процес формування і відділення стружки. 
   
1 – Формування стружки при різанні вуглепластику; 2 – Утворення стружки 
при різанні склопластику 
Рисунок 10 – Процес стружкоутворення при струганні склопластику 
Через складнощі діагностування процесів руйнування армувальних волокон 
і матриці композиту багато вчених демонстрували результати фізичного 
моделювання процесу. Однак результати, отримані в ході моделювання, не 
відповідають перебігу процесу під час натурного проведення експерименту 
(рисунок 11) [20,53]. 
 
1 – Результат моделювання Кхаліфа М [20]; 2 – Результат моделювання І.А. 
Щурова [2]; 3 – Результат моделювання F. Cepero-Mejias [15] 
Рисунок 11 – Результати моделювання процесу ортогональної обробки КПЗ 
із вуглепластику та склопластику 
Фізичне моделювання не враховує адгезійної взаємодії крайових шарів 
заготовки, а також не забезпечує достовірності результатів щодо хрупкого 
руйнування матриці композиту. У процесі моделювання не були продемонстровані 
та отримані дефекти поверхневого шару, і тим більше не були встановлені причини 
їх утворення. 
 
23 
На рисунку 12 представлені оброблені поверхні зразків із вуглепластику та 
склопластику. 
 
1 – Заготовка зі склопластику; 2 – Заготовка з вуглепластику 
Рисунок 12 – Оброблена поверхня після операції стругання 
Як можна зазначити, дефект деламінації присутній по всій протяжності 
обробленої поверхні та збільшується зі збільшенням глибини різання. Також на 
поверхні спостерігається ворсистість, утворена в результаті хрупкого руйнування 
армувальних волокон. 
1.6 Гідроабразивна обробка ПКМ 
Вироби, виконані з полімерних композиційних матеріалів, можуть мати 
широкий спектр конфігурацій, у зв’язку з чим до основних видів механічної 
обробки додаються операції різання та розкрою. 
Основними видами обробки для виконання різання та розкрою є лазерне та 
гідроабразивне різання. 
Застосування лазерного різання для обробки виробів із ПКМ має низку 
обмежень, насамперед пов’язаних із різною температурою плавлення армувальних 
волокон і матриці [4,18]. Температура плавлення волокон значно перевищує 
температуру плавлення смоли, що призводить до утворення обвуглювання на 
обробленій крайці виробу (рисунок 13). 
За результатами експериментів, найбільш придатними для застосування були 
результати, отримані при використанні лазерів із високою піковою потужністю та 
короткою довжиною імпульсу, а також із довжиною хвилі, що перебуває в 
ультрафіолетовій зоні. 
 
24 
 
 
1 – Лазерне; 2 – Гідроабразивне 
Рисунок 13 – Різання вуглепластику [14] 
Найбільш ефективним методом обробки є гідроабразивне різання, яке 
дозволяє отримати високу якість обробленої поверхні з найменшою ймовірністю 
виникнення дефектів. Вірогідно, хороше значення параметра шорсткості 
пояснюється тим, що дрібні абразивні частинки, що подаються під високим тиском 
і великою швидкістю, забезпечують перерізання армувальних волокон, а рідина 
ефективно відводить тепло [18]. 
Основним недоліком цього методу є його реалізація. Гідроабразивне різання 
передбачає розрізання заготовки на всю товщину, що виключає можливість 
обробки збірних конструкцій. 
Цікаво, що товщина заготовки також має велике значення. При перевищенні 
критичної товщини заготовки на обробленій крайці виникають ризики через 
відхилення ріжучого струменя від прямолінійного напряму. 
До негативних наслідків гідроабразивного різання належить також гідроудар, 
що виникає на початку процесу. Як було зазначено раніше, вихідна крайка 
композиту, перебуваючи у вільному стані, піддається зусиллям, що сприяють 
розшаруванню нижніх шарів препрегів. Це явище особливо характерне для 
операцій свердління. 
Рішення проблем, пов’язаних із розшаруванням вихідної крайки, полягає у 
використанні пакетів, аналогічних тим, які застосовуються для свердління. Проте 
навіть незначне розшарування при гідроабразивному методі різання може 
 
25 
призвести до браку виробу, оскільки рідина під час різання діє як клин, проникаючи 
в мікротріщини та розширюючи шари. 
Щодо операції свердління, гідроабразивне різання дозволяє отримати 
найкращу якість вхідної крайки (рисунок 14). 
 
Рисунок 14 – Вхідна крайка у зразку з вуглепластику 
Вхідна крайка зразка з вуглепластику містить дефекти типу подряпин, що 
може бути наслідком товщини заготовки та розсіювання абразивних частинок. При 
цьому слід зазначити, що деламінація крайових шарів не була зафіксована. 
Аналогічно протікає процес гідроабразивного різання під час обробки 
склопластиків (рисунок 15). 
 
Рисунок 15 – Вхідна крайка у зразку зі склопластику 
Як видно з рисунка 15, вхідна крайка не піддається утворенню дефектів у 
вигляді деламінації та ворсистості при гідроабразивній обробці склопластику. 
 
26 
Проте слід зазначити, що на цьому зразку чітко виражена деламінація верхніх 
шарів. Причиною цього дефекту, ймовірно, є те, що дрібні частинки абразиву під 
час різання потрапили між шарами склотканини, що спричинило утворення 
мікротріщини і її подальше зростання під дією водяного клина. 
Вихідна крайка зразків теоретично повинна піддаватися розшаруванню та 
неповному прорізанню волокон. На рисунку 16 представлено вихідну крайку зразка 
з вуглепластику. 
 
Рисунок 16 – Вихідна крайка зразка з вуглепластику 
На вихідній крайці спостерігаються сліди деламінації, розподілені по 
невеликій площі та з малою глибиною. Такий характер дефектів може бути схожим 
із дефектами, що виникають під час свердління вуглепластику новим свердлом із 
алмазним напиленням (рисунок 17). 
 
Рисунок 17 – Вихідна крайка зразка зі склопластику 
 
27 
На зразку з вуглепластику також спостерігається розшарування з більшою 
площею охоплення порівняно з вхідною крайкою. Окрім характерної деламінації, 
також виявлено скол на одному з отворів. Це свідчить про те, що склопластик, як 
найбільш крихкий матеріал, схильний до виникнення локальних дефектів, таких як 
сколи невеликих ділянок вихідної крайки. 
Встановлено, що струменево-абразивна обробка вугле- та склопластику під 
дією СВЧ електромагнітного поля сприяє підвищенню якості поверхневого шару 
за параметром шорсткості поверхні в середньому на 40–70% для вуглепластику та 
20–45% для склопластику. Проте цей метод не виключає утворення дефектів у 
вигляді лунок і каверн. 
  
 
28 
Висновки до першого розділу 
1. Широке застосування полімерних композиційних матеріалів (ПКМ) 
зумовлює підвищення вимог до конструкторської документації. 
2. У результаті механічної обробки поверхневий шар заготовки 
піддається утворенню дефектів у вигляді деламінації, термодеструкції, ворсистості 
та появи тріщин у поверхневому шарі. 
3. Лезова обробка не забезпечує показників шорсткості обробленої 
поверхні Ra (мкм), вимог щодо питомої площі дефектів поверхневого шару та 
величини допустимих дефектів. 
4. Абразивна обробка гнучкими пелюстковими шліфувальними кругами 
частково вирішує проблему забезпечення якості поверхневого шару. 
5. Пропонується проведення досліджень можливості застосування 
абразивного інструменту для усунення дефектного шару та забезпечення несучої 
здатності виробів із полімерних композиційних матеріалів на основі вуглеволокна. 
Виробництво виробів із ПКМ на сьогодні є трудомістким завданням, у 
зв’язку з чим необхідно дослідити операції фінішної обробки для підвищення 
надійності технічних систем та розширення сфер застосування інноваційних 
матеріалів. Механічна обробка ПКМ лезовими інструментами не забезпечує 
достатнього рівня якості за такими параметрами, як висота дефектного шару, 
шорсткість, мікротріщини та інші дефекти, що безпосередньо впливають на 
надійність. Абразивна обробка ПКМ, яка полягає у шліфуванні гнучкими 
пелюстковими шліфувальними кругами, не забезпечує необхідної продуктивності 
та точності розмірів, у зв’язку з чим її не можна рекомендувати для усунення 
дефектів, отриманих під час лезової обробки. 
 
 
 
29 
 
Розділ 2 Обґрунтування можливості застосування абразивної обробки 
вуглепластиків 
2.1. Моделювання процесу стружкоутворення при лезовій обробці 
полімерних композиційних матеріалів 
Процес стружкоутворення при різанні полімерних композиційних матеріалів 
був об'єктом дослідження багатьох науковців. Окрім експериментальних 
досліджень, автори у своїх роботах представляють результати моделювання 
процесу, заснованого на методі кінцевих елементів [43,46,48–53]. Проте на 
сьогоднішній день моделювання не дозволяє отримувати достовірні результати та 
приймати їх як основоположний висновок для визначення напряму розвитку 
наукових досліджень. 
Таким чином, найбільш значним протиріччям є циклічний характер 
зростання та спаду динамічних характеристик процесу, таких як сила різання, 
віброускорення системи, потужність тощо. 
Під час аналізу досліджень, присвячених лезовому різанню композитів, було 
встановлено, що однією з особливостей абразивного зносу ріжучого інструменту 
та стружкоутворення є пружна деформація волокон, що під час експериментальних 
досліджень підтверджується їх накопиченням на ріжучій кромці. На рисунку 18 
представлено графік зміни складової сили Pz  різання під час свердління виробів із 
ПКМ. 
 
1–7 цикли руйнування армувальних волокон 
Рисунок 18 – Динаміка зміни сили різання при ортогональній обробці 
 
30 
На основі даного графіка можна стверджувати, що подібна динаміка є 
наслідком накопичення армувальних волокон на ріжучій кромці інструменту. Це 
викликає їх пружну деформацію та витягування з матриці композиту, що, у свою 
чергу, сприяє утворенню тріщин у поверхневому шарі. 
З метою дослідження механізму різання вуглепластиків були проведені 
попередні експериментальні дослідження при ортогональній обробці. За 
результатами досліджень було встановлено, що циклічний характер різання 
відображає не лише параметр сили різання, але й інші, такі як віброускорення 
технічної системи, що представлено на рисунку 19. 
 
Рисунок 19 – Діаграма зміни віброускорень технічної системи під час 
ортогональної обробки КПЗ із вуглепластику [38] 
 
Фізичне відображення вимірюваних параметрів було представлене 
збільшенням кількості армувальних волокон на ріжучій кромці, їх подальшим 
руйнуванням і повторенням циклу, що проілюстровано на рисунку 20. 
 
31 
 
1,3 – Накопичення армувальних волокон на ріжучій кромці; 2,4 – 
Руйнування волокон 
Рисунок 20 – Накопичення армувальних волокон на ріжучій кромці 
інструмента під час ортогональної обробки вуглепластику 
 
Збільшення швидкості подачі інструмента не забезпечувало зміну механізму 
різання, проте зміна глибини обробки дозволяла наочно оцінити збільшення 
довжини стружки. Знімання припуску за один прохід сприяло збільшенню 
кількості армувальних волокон, що піддаються пружній деформації, тим самим 
стимулюючи збільшення сили різання, необхідної для хрупкого руйнування 
(таблиця 3). 
Таблиця 3 – Середній показник довжини стружки при ортогональній обробці 
 
 
32 
Залежно від глибини різання та швидкості поздовжньої подачі ріжучого 
інструменту, час циклу мав пропорційну залежність. Проте достовірна фіксація 
одного циклу хрупкого руйнування стружки не була можливою через технічні 
обмеження станочного обладнання. 
На основі даних, отриманих при ортогональній обробці, експериментально-
теоретичне обґрунтування циклічності хрупкого руйнування армувальних волокон 
продовжило реалізацію на універсальній електромеханічній машині Instron 5965 за 
допомогою спеціальних засобів технічного оснащення. 
На рисунку 21 зображено схему проведення досліджень з метою отримання 
високоточних параметрів процесу утворення стружки при обробці лезовим 
інструментом. 
 
Рисунок 21 – Схема симуляції процесу ортогональної обробки на 
універсальній електромеханічній машині Instron 5965 
У рухому губку 3 лещат 1 встановлюється відрізний різець 4 для токарної 
обробки. У нерухому губку 2 встановлюється вертикальний упор 5 для компенсації 
пружних віджаттів технічної системи. У захвати 7 універсальної електромеханічної 
машини встановлюється заготовка 6 із вуглепластику. 
Далі ходовим гвинтом 8 здійснюється переміщення рухомої губки 3 і 
ріжучого інструменту 4 на глибину різання 0,1 мм, після чого заготовка подається 
на ріжучу кромку інструменту у вертикальному напрямку зверху вниз. 
 
33 
Установка представлена на рисунку 22. 
   
Рисунок 22 – Загальний вигляд експериментальної установки 
У результаті контактної взаємодії ріжучого інструменту та заготовки було 
встановлено, що динаміка утворення стружки є аналогічною. 
На рисунку 23 представлено графік зростання зусилля тиску 
електромеханічної машини на технічну систему та переміщення заготовки до 
моменту первинного хрупкого руйнування волокон. 
В якості режимів різання були прийняті такі значення: Глибина різання  t=0.1 
мм 
Швидкість подачі заготовки на інструмент S=20 мм/хв. 
 
Рисунок 23 – Графік динаміки зміни сил різання за один схід стружки 
 
34 
Згідно з протоколом проведених випробувань встановлено, що хрупке 
руйнування армувальних волокон залежно від швидкості різання може досягатися 
при малих величинах переміщення, проте також має циклічний характер, як 
представлено на рисунку 23. 
У свою чергу, при низькій швидкості подачі ріжучого інструменту не 
досягалося великих значень переміщення РІ, і руйнування компонентів 
вуглепластику забезпечувалося при довжині шляху до 1 мм (таблиця 4). 
Таблиця 4 – Витримка з протоколу випробувань 
 
Пікові значення навантаження на початку процесу різання досягають 1305 Н, 
після чого відбувається руйнування армувальних волокон і їхнє подальше 
накопичення на ріжучій кромці. 
Руйнування армувальних волокон на ранніх стадіях також може бути 
зумовлене високою твердістю ріжучого інструменту, використаного для 
випробувань, і стабільною гостротою ріжучої кромки, що стимулювало цей процес. 
Схема різання полімерних композиційних матеріалів лезовим інструментом 
у спрощеному вигляді може бути представлена на рисунку 24. 
 
35 
 
1 – Ріжучий інструмент; 2 – Матриця ПКМ; 3 – Армувальні волокна 
Рисунок 24 – Початковий стан технологічної системи 
У результаті пружних деформацій армувальних волокон відбувається 
руйнування матриці композиту та утворення мікротріщин (рисунок 25). 
  
1 – Ворсистість; 2 – Тріщини в матриці 
Рисунок 25 – Дефекти обробленої поверхні лезовим інструментом 
Однак фізичне моделювання процесу різання не забезпечує збіжності з 
результатами експериментальних досліджень і пояснює утворення зазначених 
видів дефектів лише за різних напрямків укладання волокон. 
У роботах було встановлено, що ворсистість і тріщини в матриці виникають 
тільки за укладання волокон під кутами 45° і -45° (рисунок 26) [19,21,31]. 
 
36 
 
Рисунок 26 – Моделювання процесу ортогонального різання ПКМ за різних 
варіацій взаємного розташування кутів укладання волокон і інструменту [21] 
Утворення дефектів поверхневого шару внаслідок пружної деформації 
армувальних волокон також є наслідком радіусу при вершині ріжучого 
інструменту. У процесі механічної обробки лезовим інструментом гострота ріжучої 
кромки знижується, що стимулює хрупке руйнування матриці та розтягування 
волокон, призводячи до утворення тріщин у матриці композиту. 
На основі досліджень визначено, що механічна обробка вуглепластику 
лезовим інструментом має циклічний характер, який впливає на якість 
поверхневого шару. 
2.2 Обґрунтування ефективності застосування послідовної лезово-абразивної 
обробки 
Абразивна обробка матеріалів є операцією фінішної обробки, яка не дозволяє 
забезпечити високу продуктивність процесу. Це свідчить про те, що поряд з 
обробкою металів і сплавів вона не може повноцінно замінити лезову обробку, 
незважаючи на більш високі показники якості поверхневого шару. 
У зв’язку з цим застосування лезового інструменту при різанні вуглепластику 
має бути представлено як основна операція механічної обробки з урахуванням 
 
37 
продуктивності процесу, але супроводжуватися подальшою абразивною обробкою 
для зменшення величини дефектного шару та підвищення якості обробленої 
поверхні. 
Механічна обробка лезовим інструментом виключає явище пружних 
деформацій армувальних волокон, чого не досягається при різанні лезовим 
інструментом. Відсутність пружної деформації є наслідком крихкого руйнування 
всіх компонентів композиту. Схема перебігу процесу різання представлена на 
рисунку 27. 
  
1 – Абразивна частинка; 2 – Армувальне волокно; 3 – Матриця 
Рисунок 27 – Схема крихкого руйнування армувальних волокон 
Ефективне різання абразивним інструментом забезпечується завдяки 
співмірності розміру зерна з розмірами волокон. Співмірність розмірів також 
означає, що зерно є достатньо гострим, щоб врізатися у волокно, не викликаючи 
при цьому пружну деформацію. 
Також слід враховувати швидкості руху зерен, які варіюються в межах 20–35 
м/с і значно перевищують швидкості альтернативних методів обробки, таких як 
фрезерування, точіння, свердління та навіть високошвидкісне різання, 
рекомендоване для обробки вуглепластику та склопластику [10]. 
Порівняльний аналіз значень основоположних факторів, що впливають на 
крихке руйнування компонентів композиту, наведено в таблиці 4. 
Таблиця 4 – Вибіркові характеристики інструментального забезпечення 
 
38 
 
Забезпечення поєднання факторів високої швидкості різання, твердості 
ріжучого інструменту та гостроти ріжучої кромки дозволяє знизити шорсткість 
поверхневого шару. 
На рисунку 28 представлені профілограми поверхні після абразивної обробки 
пелюстковими шліфувальними кругами. Як можна зазначити, утворення дефектів 
не виявлено в порівнянні з лезовою обробкою (рисунок 28). 
 
 
1 – Профілограма поверхневого шару в результаті лезової обробки; 2 – 
Профілограма поверхневого шару в результаті абразивної обробки 
Рисунок 28 – Профілограми оброблених поверхонь лезовим і абразивним 
інструментом 
 
39 
2.3 Обладнання 
Найбільш поширеними операціями механічної обробки, як зазначалося 
раніше, є фрезерування та свердління. Це зумовлено тим, що розширення сфер 
застосування ПКМ спричиняє підвищення складності конфігурації виробів. 
Фрезерна обробка ПКМ виконувалася на універсально-фрезерному верстаті 
JET 1452TS DRO. Для реалізації методики послідовної лезової та абразивної 
обробки також була визначена операція плоского шліфування з метою вивчення 
процесу та визначення раціональних характеристик жорстких шліфувальних 
кругів. 
Плоске шліфування заготовок із вуглепластику ВКУ виконувалося на 
плоскошліфувальному верстаті JET JPSG 1224AH. Для оцінки ефективності цієї 
технології в методику проведення експериментального дослідження були включені 
порівняльні випробування несучої здатності конструктивно подібних зразків, 
виготовлених традиційною лезовою обробкою та технологією послідовної лезової 
та абразивної обробки. 
Випробування несучої здатності КПЗ проводилися на універсальній 
електромеханічній машині Instron 5965. Станочне забезпечення 
експериментальних досліджень представлено на рисунку 29. 
  
1 2 3 
1 – Універсально-фрезерний верстат Jet 1452TS DRO; 2 – 
Плоскошліфувальний верстат Jet JPSG 1224A; 3 – Універсальна електромеханічна 
машина Instron 5965 
 
40 
Рисунок 29 – Станочне забезпечення експериментальних досліджень 
Вибір станочного обладнання здійснювався, виходячи з універсальності його 
застосування, широкого поширення на машинобудівних підприємствах та 
достатніх показників технічних характеристик. 
2.4 Вибір та обґрунтування інструментального забезпечення для 
проведення досліджень 
Найбільш ефективним лезовим інструментом, що дозволяє забезпечити 
необхідні показники шорсткості поверхневого шару, є спеціалізовані фрези-
роутери для обробки вуглепластиків. 
Ці інструменти мають змінену геометричну форму, а також високу твердість, 
що дозволяє підвищити стійкість ріжучого інструменту під час лезової обробки 
[43]. 
Для реалізації фрезерної обробки як ріжучий інструмент застосовані фрези-
роутери для обробки полімерних композиційних матеріалів, представлені на 
рисунку 30. 
 
1 2 3 
1 – Фреза Sandvik Coromant SA-DCSH-D-1200 C207; 2 – Фреза Sandvik 
Coromant PRECORP SER#59339; 3 – Фреза Sandvik Coromant PRECORP 
SER#57357 
Рисунок 30 – Фрези Sandvik Coromant для обробки полімерних 
композиційних матеріалів 
Матеріали ріжучої частини фрез виготовлені з твердих сплавів, що 
забезпечує високу тійкість і збереження ріжучої здатності фрези. 
 
41 
Фрези є рішенням, що демонструє високі показники якості поверхневого 
шару при обробці торцевих поверхонь. Якість забезпечується шляхом зменшення 
величини ріжучої частини та спрямованості витків, що дозволяє концентрувати 
напруження всередині заготовки й знижувати деламінацію крайових шарів. 
Фреза серії 59339 дозволяє перерозподіляти напруження по оброблюваній 
поверхні вздовж траєкторії фрезерування, що супроводжується високими 
показниками якості обробленої поверхні, але з утворенням деламінації крайових 
шарів. 
Вибір матеріалів шліфувальних кругів.Зважаючи на вибірковий перелік 
рекомендацій щодо марок інструментального матеріалу, придатного для 
конструктивно-подібних зразків із вуглепластику, було здійснено вибір матеріалів 
шліфувальних кругів. 
Основою вибору також став фактор поширення та застосування цього 
інструменту на машинобудівних підприємствах. На підставі цього були обрані 
шліфувальні круги з електрокорунду білого 25А (Al₂O₃), електрокорунду 
нормального 14А, і карбіду кремнію зеленого 64С (SiC) з габаритними розмірами 
300х30х76,2 (D×B×d) [44,45]. 
Як зазначалося раніше, обробка композиційних матеріалів не може 
здійснюватися із застосуванням охолоджуючих рідин через утворення водяного 
клина та підвищення деламінації крайових шарів. На підставі вищесказаного, 
одним із методів зниження температури в зоні обробки, щоб уникнути 
термодеструкції полімерного зв’язуючого, може бути повітряне охолодження під 
тиском 6 бар. При виборі характеристик шліфувальних кругів основними 
параметрами були визначені пористість і зернистість, що дозволяє знизити ступінь 
засалювання шліфувальних кругів і забезпечити ефект самозаточування. 
Таблиця 5 – Інструментальне забезпечення шліфувальними кругами 
 
42 
 
2.5 Вибір і обґрунтування засобів технічного оснащення для оцінки 
показників якості поверхневого шару 
Діагностика динамічних процесів під час лезової та абразивної обробки 
здійснювалася за допомогою динамометричного стенда Камертон (рисунок 31). 
Протокол вимірювань складової сили різання Pz  представлено на рисунку 28. 
Частота реєстрів становила 250–400 вимірювань на секунду з можливістю 
усереднення результатів вимірювань. 
 
Рисунок 32 – Діагностичний стенд Камертон 
 
43 
Вимірювання температури в зоні різання виконувалося за допомогою 
пірометра фірми Bosch «Universal Temp» (рисунок 32). Основні технічні 
характеристики: Похибка: не більше 1,8%. Діапазон вимірювань: від -30 °С до 
+500 °С. Спектральний діапазон: 8–14 мкм. 
 
Рисунок 32 – Налаштування вимірювання температури у верхніх шарах 
заготовки під час плоского шліфування ПКМ 
Для вдосконалення станочного обладнання була реалізована витяжна 
система, закріплена на шпиндельному вузлі з метою збереження зусилля 
втягування. Витяжка потужністю 500 Вт здійснювала збір дисперсії, що 
утворювалася внаслідок плоского шліфування ПКМ, у спеціальну ємність. Це 
забезпечувало захист здоров’я оператора станочного обладнання та знижувало 
знос напрямних верстатного парку в цеху. 
Дослідження та вимірювання параметрів якості обробленої поверхні 
Параметри якості досліджувалися шляхом візуального огляду за 
допомогою цифрового мікроскопа BM200 LCD. 
Візуальний огляд включав: Вимірювання величини дефектного шару, 
зокрема утворення мікротріщин на обробленій поверхні. 
Вимірювання деламінації крайових шарів. 
Оцінку наявності термодеструкції полімерного зв’язуючого. 
Основні характеристики мікроскопа BM200 LCD: 
Збільшення: від 40х до 1600х. 
Роздільна здатність зображень: 1600×1200 dpi та 800×600 dpi. 
 
44 
Вимірювання параметрів шорсткості поверхневого шару виконувалося за 
допомогою портативного профілометра Mahr MarSurf PS1. Параметром 
шорсткості обробленої поверхні було прийнято середній показник шорсткості  
Ra (мкм). Приклад профілограми поверхні представлений на рисунку 33. 
 
Рисунок 56 – Профілограма обробленої поверхні 
2.6 Вибір і обґрунтування вихідної заготовки 
Як вихідні заготовки та конструктивно подібні зразки були обрані зразки 
з вуглепластику з укладанням волокон під кутами 0°/45°. Цей матеріал обрано 
на підставі високих темпів розвитку та впровадження в більш відповідальні 
вузли та механізми. Прикладами застосування є використання у 
конструктивних елементах літаків, суднобудуванні, автомобільній 
промисловості та інших галузях. 
Габаритні розміри заготовок для реалізації експериментального 
дослідження послідовної лезової та абразивної обробки прийняті як 70×50×5 
мм. 
Для проведення випробувань на несучу здатність КПЗ зразки були 
виготовлені відповідно до ГОСТ 11262-2017 «Пластмаси. Метод випробувань 
на розтягнення» із накладками зі склотекстоліту для захватів універсальної 
електромеханічної машини Instron 5965 (рисунок 34). 
 
45 
 
Рисунок 34 – Зразки для проведення випробувань на міцність при 
розтягуванні та розриві 
  
 
46 
Висновок до розділу 2 
1. Через виникнення пружних деформацій армувальні волокна 
витягуються з матриці, формуючи в ній мікротріщини, які накопичуються на 
ріжучій кромці, спричиняючи їхнє крихке руйнування. У результаті поверхневий 
шар піддається утворенню дефектів у вигляді деламінації, ворсистості та 
мікротріщин у матриці. 
2. Встановлено, що механізм різання вуглепластику лезовим 
інструментом має циклічний характер, який спричиняє утворення дефектів. 
3. Циклічний характер механізму різання є наслідком крихкого 
руйнування армувальних волокон внаслідок пружної деформації. 
4. Визначено, що абразивне зерно з високою твердістю та гостротою 
ріжучої кромки впливає на армувальні волокна при швидкості різання V=25 м/с, 
що перевищує значення швидкостей різання при лезовій обробці (V=170 м/хв), і 
тим самим забезпечує крихке руйнування компонентів композиту. 
5. Встановлено покращення якості поверхневого шару внаслідок 
застосування абразивного інструменту при механічній обробці полімерних 
композиційних матеріалів. 
6. Проаналізовано методику проведення експериментальних досліджень 
впливу режимів послідовної лезової та абразивної обробки виробів із 
вуглепластику. 
7. Обрано технологічне обладнання та засоби технічного оснащення. 
Визначено методи та алгоритм проведення досліджень. 
8. Відповідно до методу планування повного факторного експерименту 
23, розроблено математичну модель, що описує залежність режимів різання при 
лезовій та абразивній обробці від шорсткості поверхневого шару. 
 
 
 
 
47 
 
Розділ 3 Результати досліджень 
3.1 Визначення геометрії лезового ріжучого інструменту для 
попереднього фрезерування торцевих поверхонь  
Визначення раціонального ріжучого інструменту для обробки торцевих 
поверхонь є пріоритетним завданням для досягнення високих показників якості 
поверхневого шару. 
Для проведення експериментальних досліджень були обрані фрези-роутери 
Sandvik Coromant Precorp та Sandvik Coromant SA. Основними відмінностями в 
геометрії інструменту є: 
Кількість ріжучих частин, що впливає на ефективність різання та якість 
обробленої поверхні. 
Напрямок витків, який спрямований на перерозподіл сил різання, що дозволяє 
знизити навантаження на крайові шари заготовки та мінімізувати утворення 
деламінації [38]. Раціональний вибір цих інструментів зумовлений їх високою 
продуктивністю та здатністю забезпечити необхідну якість торцевих поверхонь 
виробів із композиційних матеріалів. 
 
1 2 3 
1 – Фреза Sandvik Coromant SA-DCSH-D-1200 C207; 2 – Фреза Sandvik 
Coromant PRECORP SER#59339; 3 – Фреза Sandvik Coromant PRECORP 
SER#57357 
Рисунок 35 – Фрези Sandvik Coromant для обробки полімерних 
композиційних матеріалів 
 
48 
Дослідження проводилися відповідно до методики планування повного 
факторного експерименту 23 зі зміною частоти обертання шпинделя, подачі та 
глибини різання. 
У Таблиці 6 наведено результати вимірювання параметра шорсткості та 
температури у верхніх шарах заготовки, отримані безпосередньо в процесі 
механічної обробки твердосплавною прямозубою фрезою для полімерних 
композиційних матеріалів фірми Sandvik Coromant Precorp ser#59339. 
Таблиця 6 – Результати вимірювання температури у верхніх шарах заготовки 
та шорсткості поверхневого шару при фрезеруванні прямозубою фрезою для ПКМ 
Sandvik Coromant Precorp ser#59339 
 
 
 
Фреза Sandvik Coromant  PRECORP SER#59339 
№ n об/хв S мм/хв t мм Ra1 Ra2 Ra3 Raср T1 T2 T3 Тср 
1 260 65 1 0,609 0,583 0,521 0,609 35,8 35,5 36,0 35,8 
2 2240 65 1 0,487 0,551 0,506 0,487 31,3 32,1 35,3 32,9 
3 260 135 1 0,833 0,909 0,823 0,833 32,9 33,3 32,7 32,97 
4 2240 135 1 0,768 0,688 0,669 0,768 26,5 28,1 29,2 27,9 
5 260 65 3 0,629 0,583 0,698 0,629 42,3 40,0 40,2 40,8 
6 2240 65 3 0,572 0,579 0,633 0,572 36,6 36,8 36,6 36,7 
7 260 135 3 0,974 1,106 0,933 0,974 36,1 34,7 34,8 35,2 
8 2240 135 3 1,021 0,934 0,987 1,021 32,8 33,5 32,7 33 
Згідно з даними, представленими в таблиці, чіткою тенденцією є зростання 
шорсткості поверхневого шару залежно від швидкості подачі S (мм/хв) і глибини 
різання t (мм). У свою чергу, зворотну тенденцію демонструє збільшення кількості 
обертів за хвилину, що призводить до покращення показника шорсткості Ra (мкм). 
При аналізі поверхневого шару було визначено, що лезовий інструмент сприяє 
утворенню тріщин і деламінації на обробленій поверхні. На рисунку 36 зображено 
поверхневий шар, отриманий у результаті обробки прямозубою фрезою для ПКМ. 
 
49 
 
1 2 3 
1 – Вхідна кромка; 2 – Центральна частина; 3 – Вихідна кромка 
Рисунок 59 – Поверхня, оброблена інструментом SER#59339 
Як можна зазначити, на всій протяжності обробленої поверхні спостерігається 
наявність тріщини, утвореної між шарами препрегів. 
Також до ряду дефектів, характерних для цього виду механічної обробки, 
належить утворення деламінації та ворсистості крайових шарів заготовки (рисунок 
37). 
 
Рисунок 37 – Ворсистість крайніх шарів заготовки в результаті фрезерування 
прямозубою фрезою при n=2240 об/хв, S=65 мм/хв і t=1 мм 
Причинами утворення дефектів є відсутність спрямування пружної деформації 
армувальних волокон, унаслідок чого крихке руйнування матриці призводить до 
оголення волокон і їхнього виведення із зони різання. 
Найбільшу величину ворсистості спостерігається на вихідній кромці, що 
свідчить про накопичувальний ефект і передруйнування зв’язуючого композиту 
відповідно до рисунка 38. 
 
50 
 
1 2 
1 – Вхідна кромка заготовки; 2 – Вихідна кромка заготовки 
Рисунок 38 – Утворення дефектів на вхідній і вихідній кромці при обробці 
прямозубою фрезою для ПКМ 
У процесі механічної обробки кількість тріщин у матриці композиту має 
тенденцію до збільшення, що відображено на рисунку 38. Вхідна кромка піддається 
найменшому дефектоутворенню, що можна пояснити: 
- відсутністю нагріву інструменту та тіла заготовки; 
- підвищеною жорсткістю технічної системи через відсутність її зносу; 
- відсутністю пружних деформацій армувальних волокон, накопичених 
упродовж дії інструменту. 
Незважаючи на наявність дефектів на поверхневому шарі, аналіз 
профілограми показав, що середні показники шорсткості мають стабільний 
розподіл. Виняток становить випадок потрапляння вимірювальної голки в тріщину 
між шарами композиту (рисунок 39). 
 
Рисунок 39 – Профілограма поверхневого шару, отриманого в результаті 
лезової обробки ПКМ прямозубою фрезою при n=2240 об/хв, S=65 мм/хв і t=1 мм 
Стабільний перебіг процесу обробки сприяє низькому утворенню дефектів на 
обробленій поверхні, які розташовуються в тілі заготовки, але не виключає їх 
наявності на бокових кромках. 
 
51 
Також слід зазначити, що основною причиною зниження параметра 
шорсткості обробленої поверхні є знос інструменту та утворення тріщин, що 
проілюстровано на рисунку 40. 
 
Рисунок 40 – Мікронерівності обробленої поверхні 
Утворення мікронерівностей у поперечному перерізі заготовки викликане 
тріщинами в матриці полімерного композиційного матеріалу, що призводить до 
деламінації та утворення хвилястості поверхневого шару, представленої на 
рисунках 40-41. 
 
1 
 
2 
1 – Вхідна кромка; 2 – Вихідна кромка 
Рисунок 41 – Вимірювання висоти мікронерівностей у поперечному перерізі 
в результаті утворення тріщини між шарами заготовки при режимах обробки 
n=260 об/хв, S=135 мм/хв і t=3 мм 
Як можна зазначити, у поперечному перерізі заготовки через утворення 
тріщин виникають підвищення та хвилястість поверхні, розмір яких досягає від 
0,05 мм до 0,15 мм. На додаток до утворення мікронерівностей оброблена поверхня 
 
52 
містить елементи виривання, утворені вздовж лінії мікротріщини. Це при 
вимірюваннях параметра шорсткості відображається як максимум западини, що 
відповідає рисунку 42. 
 
Рисунок 42 – Профілограма поверхневого шару, отриманого в результаті 
фрезерування прямозубою фрезою для ПКМ при n=2240 об/хв, S=135 мм/хв і t=3 
мм 
У свою чергу, лезова обробка інструментом Sandvik Coromant SA-DCSH-D-
1200 C207 для полімерних композиційних матеріалів не забезпечувала порівнянних 
значень шорсткості поверхневого шару та дефектоутворення на крайніх шарах 
заготовки. 
У таблиці 7 представлені результати експериментальних досліджень впливу 
режимів різання при лезовій обробці ПКМ інструментом Coromant SA-DCSH-D-
1200 на шорсткість поверхневого шару та температуру поверхневих шарів 
заготовки. 
Фреза Sandvic Coromant  SA- DCSH-D-1200 C207 
 
 
n S 
№ t мм Ra1 Ra2 Ra3 Raср T1 T2 T3 Т
об/хв ср 
мм/хв 
1 260 65 1 0,879 0,900 0,871 0,883 43,1 43,0 43,5 43,2 
2 2240 65 1 0,537 0,672 0,651 0,62 45,1 45,6 46,2 45,6 
3 260 135 1 0,931 0,934 0,96 0,942 28,7 30,5 30,1 29,8 
4 2240 135 1 0,952 0,944 0,921 0,939 47,2 48,5 47,8 47,8 
5 260 65 3 0,933 0,949 0,941 0,941 61,1 60,2 59,8 60,4 
6 2240 65 3 0,74 0,718 0,779 0,746 61,9 63,8 62,1 62,6 
7 260 135 3 1,253 1,238 1,226 1,239 44,7 44,9 44,6 44,7 
8 2240 135 3 1,118 1,109 1,124 1,117 62,9 62,8 61,3 62,3 
 
53 
Фреза Sandvik Coromant PRECORP SER#57357 
 
 
№ n S 
t мм Ra1 Ra2 Ra3 Raср T1 T2 T3 Т
об/хв ср 
мм/хв 
1 260 65 1 0,888 0,854 0,862 0,868 44,6 44,4 44,8 44,6 
2 2240 65 1 0,561 0,583 0,612 0,585 49,6 49,1 48,3 49 
3 260 135 1 0,986 0,993 0,94 0,973 31,2 31,6 31,7 31,5 
4 2240 135 1 0,941 0,934 0,911 0,929 49,8 49,5 47,8 49,0 
5 260 65 3 0,925 0,953 0,958 0,945 60,8 60,3 60,6 60,6 
6 2240 65 3 0,726 0,757 0,788 0,757 63,9 66,2 64,4 64,8 
7 260 135 3 1,286 1,308 1,316 1,303 47,5 46,9 46,8 47,1 
8 2240 135 3 1,12 1,162 1,131 1,138 65,7 64,9 66,2 65,6 
Фрезерування фрезами-роутерами, згідно з таблицею 7, завдяки розподілу 
сили різання за рахунок спрямованості ріжучих кромок та забезпеченню малого 
радіусу при вершині, супроводжується найвищими показниками шорсткості 
поверхневого шару порівняно з обробкою фрезою серії 59339 (рисунок 43). 
 
Рисунок 43 – Діаграма впливу режимів лезової обробки та ріжучого 
інструменту на шорсткість поверхневого шару 
Під час різання вектор дії сили різання спрямований уздовж головного вектора 
дії сили різання. У результаті висока гострота та твердість ріжучого інструменту 
 
54 
дозволяють ефективно забезпечувати процес стружкоутворення, проте це не 
виключає явища пружних деформацій. 
На рисунку 44 представлена профілограма поверхневого шару, отриманого в 
результаті фрезерування кінцевими фрезами-роутерами. 
 
 
 
Ри сунок 44 – Профілограми поверхонь при обробці фрезами-роутерами 
Профілограма поверхні чітко відображає наявність дефектів, утворених 
унаслідок пружних деформацій армувальних волокон. Пружні деформації волокон 
стають причиною їхнього витягування з матриці полімерного композиційного 
матеріалу. Витягування волокон та адгезія між армувальними елементами і 
матрицею сприяють утворенню тріщин у матриці відповідно до рисунка 45. 
 
55 
 
Рисунок 45 – Тріщини в матриці ПКМ в результаті лезової обробки 
Окрім утворення тріщин у матриці композиту, одним із основних дефектів, 
характерних для фрезерування фрезами-роутерами, є деламінація крайніх шарів 
заготовки (рисунок 46). 
Причиною цього дефекту є рух ріжучої кромки по дотичній до оброблюваної 
площини. Через це руйнування армувальних волокон не досягається через 
відсутність опору на виході. У зв’язку з цим аналогічні види обробки в деяких 
випадках здійснюються у змішаних пакетах титану та композиційного матеріалу, 
що представлено в роботах [12–18]. 
 
а б в 
Рисунок 46 – Деламінація крайніх шарів оброблюваної заготовки при 
фрезеруванні фрезами-роутерами 
 
56 
У порівняльному аналізі величини дефектоутворення на поверхневому шарі та 
бокових кромках заготовки чітко виражена перевага прямозубої фрези SER#59339 
для обробки ПКМ. Основними відмінностями є: Перехід деламінації крайніх шарів 
у ворсистість. Відсутність мікротріщин. Нижчі показники шорсткості обробленої 
поверхні. Водночас фрезерування фрезами-роутерами демонструє чітко виражені 
пружні деформації та місця концентрації напружень під час пружного руйнування 
волокон, що представлено на рисунку 47. 
 
Рисунок 47 – Місце концентрації та накопичення волокон на ріжучій кромці 
при пружному руйнуванні 
Варто зазначити, що перерозподіл вектора сили різання дозволяє забезпечити 
найвищу точність і якість обробленої поверхні при аналізі поперечного зрізу 
заготовки. 
Як показано на рисунку 48, поперечний зріз заготовки, обробленої 
інструментом SA DCSH, на відміну від поперечного зрізу, представленого на 
рисунку 41, не має мікронерівностей і хвилястості оброблюваної поверхні завдяки 
відсутності протяжних мікротріщин у матриці. 
 
57 
 
Рисунок 71 – Поперечний переріз заготовки, обробленої фрезою-роутером 
SA DCSH при режимах різання n=2240 об/хв, S=65 мм/хв і t=3 мм 
При аналізі температури у верхніх шарах заготовки в процесі різання було 
визначено, що явище термодеструкції зв’язуючого не виникає. Також встановлено, 
що найбільш сприятливі умови для різання вуглепластиків забезпечуються при 
використанні фрези серії Precorp ser#59339 для обробки ПКМ. На рисунку 49 
представлено діаграму формування температури в зоні різання в кожній точці 
плану експерименту при обробці лезовими інструментами. 
 
Рисунок 49 – Діаграма формування температури у верхніх шарах заготовки 
при лезовій обробці ПКМ фрезеруванням 
Рекомендації для застосування фрезерування як підготовчої операції 
послідовної лезової та абразивної обробки: 
На підставі показників якості поверхневого шару, оцінюваного параметром 
шорсткості Ra (мкм), рекомендовано застосування ріжучого інструменту у вигляді 
фрези Sandvik Coromant Precorp Ser#59339, що забезпечує: низьке 
 
58 
дефектоутворення на крайових шарах заготовки; низькі показники шорсткості 
обробленої поверхні; задовільні значення температури у верхніх шарах при різанні. 
Рекомендовані режими обробки на підставі показників якості поверхневого 
шару: 
Частота обертання шпинделя: n=2240 об/хв. 
Швидкість подачі: S=65 м/хв. 
Глибина різання: t=1 мм. 
Ці параметри забезпечують шорсткість поверхневого шару  Ra =0.487 мкм. 
3.2 Визначення раціональних характеристик шліфувальних кругів і 
режимів різання при абразивній обробці ПКМ 
Основоположним фактором, що впливає на стійкість шліфувального круга, є 
глибина різання, збільшення якої призводить до засалювання периферії та 
зниження ріжучої здатності (рисунок 50). Зниження ріжучої здатності є фактором, 
що впливає на утворення дефектів поверхневого шару. Засалювання периферії 
шліфувального круга зменшує здатність забезпечувати крихке руйнування 
компонентів вуглепластику. У зв’язку з цим виникає: зростання пружних віджаттів 
технічної системи; збільшення дефектів поверхневого шару. 
Цей процес, своєю чергою, призводить до вигладжування поверхні та 
підвищення тертя між заготовкою та інструментом, що далі викликає 
термодеструкцію полімерного зв’язуючого. Ці дефекти суттєво впливають на 
якість обробленої поверхні та експлуатаційні властивості оброблюваних деталей. 
  
1 2 
1 – Засалювання шліфувального круга 1А1 ЛКВ40 100/80 СТ1 К 5 V35 2250, 
2 – Засалювання шліфувального круга 64С F60 K 7 V 35 2250 
 
59 
Рисунок 50 – Засалювання периферії круга та утворення борозен при 
режимах різання t=0.25 мм і S=5 м/хв 
 
Найбільша стабільність процесу шліфування досягається при призначенні 
глибини різання t=0.05–0.15 мм. Цей діапазон значень дозволяє виводити зношені 
абразивні зерна із зони різання, тобто зберігати здатність самозаточування. Однак 
залежно від твердості абразивних часток самозаточуваність шліфувальних кругів 
змінюється. При застосуванні шліфувальних кругів із карбіду кремнію зеленого 
підвищується засалювання периферії під час шліфування. Висока мікротвердість 
абразивних часток не дозволяє досягати критичних значень зносу, що виключає їх 
виривання із зв’язки круга (рисунок 50, 2). Протилежну тенденцію демонструє 
застосування абразивних кругів з електрокорунду нормального, мікротвердість 
яких є найнижчою серед інших застосованих абразивних марок. Низька 
мікротвердість призводить до прискореного зносу периферії та виривання зі 
зв’язки ще працездатних часток. Таким чином, виникає необхідність регулярного 
контролю за розмірною точністю оброблюваних поверхонь. В іншому випадку 
зайве виривання абразивних зерен зі зв’язки призводить до наближення розміру до 
верхньої межі поля допуску. Сукупність раціональної глибини різання і 
мікротвердості абразивних часток забезпечує необхідну якість поверхневого шару 
в результаті абразивної обробки вуглепластику (таблиця 8). 
 
1 2 
1 – 64С F80 K 7 V 35 2250, 2 – 25А F46 K 8 V 35 2250 
Рисунок 51 – Знос ріжучого інструменту при глибині різання t=0.05 мм і S=5 
м/хв 
 
60 
Під час проведення експериментальних досліджень встановлено, що числові 
значення віброприскорень можуть бути виключені з аналізу, оскільки вони 
характеризують лише динаміку різання та дозволяють пояснити механізм крихкого 
руйнування компонентів композиційного матеріалу. 
Пружна деформація, у свою чергу, формує хвилястість поверхні в 
поперечному перерізі заготовки, що представлено на рисунку 52. 
 
Рисунок 52 – Формування хвилястості при шліфуванні шліфувальним кругом 
із ельбору 1А1 ЛКВ40 100/80 СТ1 К5 V35 
На підставі аналізу якості обробленої поверхні було визначено, що зменшення 
величини дефектного шару та забезпечення низької шорсткості досягається 
завдяки застосуванню жорстких шліфувальних кругів із електрокорунду 
нормального 25А. Однак до інших характеристик шліфувального інструменту 
необхідно віднести зернистість і пористість, які мають не менший вплив на 
шорсткість [23]. 
Застосування плоского шліфування як операції фінішної обробки ПКМ 
дозволяє усунути такі види дефектів, як деламінація крайових шарів заготовки, 
тріщини в матриці композиту та ворсистість на вхідній і вихідній кромці. На 
 
61 
рисунку 53 представлені знімки поверхневого шару, обробленого шліфувальним 
кругом 25А F46 G14 V 35. 
  
1 2 
1 – один прохід; 2 – два проходи 
Рисунок 53 – Поверхня, оброблена жорстким шліфувальним кругом 25А F46 
G 14 V 35 при швидкості подачі стола  S=5 м/хв і глибині різання t=0.05 мм 
Зменшення величини дефектів поверхневого шару досягається шляхом 
виконання декількох проходів. Усунення ворсистості поверхневого шару 
забезпечується першим проходом при глибині різання  t=0.05–0.15 мм. Однак через 
глибину та протяжність тріщин у матриці композиту підвищення якості обробленої 
поверхні вимагає збільшення кількості проходів до повного усунення дефектів. 
Багатопрохідна обробка дозволяє досягти точності поверхні IT6-7. Для оцінки 
якості поверхневого шару на рисунку 81 представлено профілограму обробленої 
поверхні на раціональних режимах різання при плоскому шліфуванні. 
 
 
62 
Рисунок 54 – Профілограма поверхневого шару, отриманого в результаті 
першого проходу при S=5 м/хв і t=0.05 мм 
Під час проведення повного факторного експерименту 23  як досліджуваний 
параметр було прийнято шорсткість обробленої поверхні. Це пояснюється тим, що 
вплив режимів різання на температуру обробки, за результатами однофакторного 
експерименту, демонструє допустимі значення температури у верхніх шарах 
заготовки. Шліфувальні круги з ельбору, карбіду кремнію зеленого та 
електрокорунду нормального були виключені з подальшого дослідження через 
вищі показники температури та шорсткості обробленої поверхні. 
У зв’язку з поєднанням допустимих і стабільних показників температури у 
верхніх шарах заготовки та шорсткості поверхневого шару, для проведення 
повного факторного експерименту, згідно з таблицею 9, було прийнято 
шліфувальний круг з електрокорунду білого марки 25А F46 G 14 V 35, де: 
25А – електрокорунд білий; 
F46 – середня зернистість (розмір зерна 400–320 мкм); 
G – дуже м'який; 
14 – високопористий; 
V – керамічна зв'язка; 
35 м/с – допустима швидкість різання; 
об/хв – допустима частота обертання шпинделя. 
Таблиця 9 – Матриця планування повного факторного експерименту типу 23  і 
результати вимірювання параметра шорсткості Ra 
 Планування Параметр Ra мкм. 
x0 
x1 x2 х3 x1 x2 х1х3 х2х3 х1х2х3 yi1 yi2 yi3 
− 1   −1  −1 + + -    
1 +1 + 
5 0,264 0,303 0,314 
46 0,05 
+ 1 −1 − 1 - + +    
2 +1  
  - 0,643 0,612 0,587 
80 0,05 5 
− 1   + 1  − 1 - - +    
3 +1 - 
5 0,335 0,374 0,466 
46 0,25 
+ 1 + 1 −1 + - -    
4 +1  
  + 
5 0,712 0,624 0,603 
80 0,25 
 
63 
−1   −1  + 1 + - +    
5 +1 + 
46 0,05 10 0,366 0,479 0,397 
+ 1 −1 + 1 - - -    
6 +1   
 - 
80 10 0,732 0,716 0,761 
0,05 
− 1   + 1  + 1 - + -    
7 +1 - 
10 0,541 0,475 0,484 
46 0,25 
+ 1 + 1 + 1 + + +    
8 +1  
  + 
10 0,806 0,845 0,968 
80 0,25 
Забезпечення якості поверхневого шару є наслідком високої пористості та 
зернистості шліфувальних кругів. Висока пористість у поєднанні із середнім 
розміром зерна дозволяє зберігати ріжучу здатність периферії, що, своєю чергою, 
забезпечує здатність круга до самозаточування в процесі різання (рисунок 55). 
 
Рисунок 55 – Знос периферії шліфувального круга  25А F46 G14 V35 при  
S=5м/хв  і  t=0.05мм 
На підставі проведених досліджень визначено, що застосування технології 
послідовної лезово-абразивної обробки може бути реалізовано при дотриманні 
таких вимог: 
- як шліфувальні круги при абразивній обробці вуглепластику рекомендується 
застосування електрокорунду білого марки 25А у поєднанні з іншими 
характеристиками круга, такими як зернистість F46 і пористість 14. Поєднання цих 
факторів дозволяє зберегти здатність самозаточування шліфувального круга і тим 
самим забезпечувати низькі показники шорсткості поверхневого шару при обробці 
вуглепластиків. 
 
64 
- з метою виконання операції фінішної обробки та усунення раніше 
сформованих дефектів поверхневого шару рекомендується застосування 
високопористих шліфувальних кругів із зернистістю не вище F60. Рекомендована 
марка жорсткого шліфувального круга 25А F46 G14 V35 2250; 
- залежно від вимог конструкторської документації, що містять числові 
показники по протяжності та площі дефектів поверхневого шару, необхідно 
забезпечувати варіювання режимів плоского шліфування в межах глибини різання 
t=0.05-0.15мм і швидкості поздовжньої подачі столу S=0-5м/хв; 
- застосування шліфувальних кругів із зернистістю F60-80 дозволяє 
забезпечити усунення дефектів поверхневого шару, однак супроводжується 
швидким засалюванням периферії круга; 
- застосування шліфувальних кругів з високою пористістю 14 дозволяє 
збільшити період стійкості інструменту за рахунок забезпечення властивості 
самозаточування; 
- застосування в якості абразивного матеріалу карбіду кремнію зеленого 64С 
не дозволяє забезпечити низькі показники шорсткості обробленої поверхні через 
високу твердість, що виключає знос абразивних зерен та їх виривання з матриці 
композиту; 
- застосування як абразивного матеріалу електрокорунду нормального 14А 
через найменшу твердість абразивних зерен відносно інших матеріалів не 
забезпечує стабільність процесу різання через швидкий знос і виривання різальних 
частинок зі зв'язки шліфувального круга; 
основними рекомендаціями щодо забезпечення низьких значень шорсткості 
поверхневого шару та усунення дефектів обробленої поверхні виступає 
застосування шліфувального круга *25А F46 G14 V35 2250* при режимах обробки 
*S=5м/хв* і глибині шліфування *t=0.05-0.15мм* 
3.3  Порівняльний аналіз несучої здатності конструктивно подібних 
 
65 
зразків, виготовлених лезовою та послідовною лезово-абразивною обробкою 
Для оцінки ефективності застосування технології послідовної лезово-
абразивної обробки проведено експериментальні дослідження несучої здатності 
конструктивно подібних зразків. Методика проведення випробувань обрана 
відповідно до ГОСТ 11262-2017 «Пластмаси. Методи випробування на 
розтягування». 
Як заготовки були виготовлені чотири конструктивно подібні зразки за 
технологією послідовної лезово-абразивної обробки, а також чотири зразки, 
отримані в результаті традиційної лезової механічної обробки фрезеруванням. 
Основними параметрами, відображеними у протоколі випробувань, були прийняті 
навантаження N (Н) та переміщення l (мм). Випробування проводилися на 
універсальній електромеханічній машині Instron 5965. 
Для проведення досліджень було виготовлено вісім конструктивно подібних 
зразків: Зразки з першого по четвертий виготовлені методом послідовної лезово-
абразивної обробки згідно з визначеними раціональними режимами різання та 
характеристиками шліфувального інструменту. Зразки з п'ятого по восьмий 
підготовлені методом традиційної лезової обробки за раціональними режимами, 
отриманими на підставі розроблених математичних моделей для забезпечення 
типових вимог конструкторської документації. 
Таблиця 10 – Режими різання при підготовці КПЗ для випробувань несучої 
здатності [50]. 
 
Для лезової обробки було прийнято спеціальну фрезу фірми Sandvik Coromant 
PreCorp ser#59339, призначену для обробки полімерних композиційних матеріалів, 
армованих вуглецевим волокном. Ріжучий інструмент для реалізації абразивної 
обробки представлений у вигляді шліфувального круга з електрокорунду білого 
марки 25А із зернистістю F46 (400–320 мкм), дуже м'який (G), високопористий 
 
66 
(14), на керамічному зв’язку (V) при допустимій швидкості різання 35 м/с. 
Габаритні розміри круга складають 300×40×76.2 мм. 
Виготовлення конструктивно подібних зразків забезпечувалося відповідно до 
ГОСТ 11262-2017 за типом 3, із габаритними розмірами 250×25×5 мм (рисунок 56). 
 
Рисунок 56 – Зразок типу 3 
Конструктивно подібні зразки для досліджень були виготовлені з 
цільнолистової заготовки вуглепластику з додатковими накладками в місця 
кріплення прихватів універсальної електромеханічної машини Instron 5965 
(рисунок 57). 
 
Рисунок 57 – Випробування несучої здатності КПЗ 
 
67 
Зменшення величини дефектного шару в результаті застосування абразивної 
обробки досягалося за 3 проходи. Шліфування здійснювалося по всьому периметру 
оброблюваних конструктивно подібних зразків. 
Результати досліджень представлені на рисунку 58. 
 
Рисунок 58 – Протокол випробувань несучої здатності 
За результатами, представленими в протоколах випробувань зразків, у Таблиці 
11 сформовано зведення основних показників, які характеризують підвищення 
несучої здатності. Це явище забезпечується зменшенням величини дефектного 
шару завдяки застосуванню послідовної лезово-абразивної обробки. 
Таблиця 11 – Зведені результати випробувань на розтягування та розрив 
Послідовна лезово-абразивна обробка 
Лезова обробка 
 Зусилля Переміщення  Зусилля Переміщення 
№ зразка розтягуван до розриву № зразка розтягуван до розриву 
ня кН мм ня кН мм 
1 64 кН 8,84 мм 5 42кН 6,65 мм 
2 49 кН 7,95 мм 6 36кН 6,28 мм 
3 48 кН 7,92 мм 7 48кН 7,32 мм 
4 50 кН 8,10 мм 8 42кН 6,61 мм 
 
68 
Середні Середні 
53кН 8,20 мм 42кН 6,72 мм 
показники показники 
На підставі отриманих результатів виявлено підвищення несучої здатності 
конструктивно подібних зразків, виготовлених із застосуванням технології 
послідовної лезово-абразивної обробки, порівняно зі зразками, підготовленими 
традиційною лезовою обробкою. 
Діаграма навантаження-витягування (рисунок 58) демонструє порівнянність 
кількості армувальних волокон, що сприймають навантаження, що 
характеризується нахилом кривої. Однак раннє руйнування зразків, підготовлених 
традиційною лезовою обробкою, може бути наслідком порушення цілісності 
волокон по периметру заготовки, що, у свою чергу, призводить до нерівномірного 
сприйняття навантаження. 
Підвищення несучої здатності КПЗ не може вважатися постійною величиною 
через можливі зміни конструкції, габаритних розмірів і, відповідно, кількості 
зруйнованих армувальних волокон у полімерному композиційному матеріалі. Крім 
того, зразки, підготовлені за допомогою лезового інструменту, не забезпечують 
стабільності результатів за параметром навантаження. Натомість технологія 
послідовної лезово-абразивної обробки дозволяє досягти найбільшої стабільності 
результатів, що свідчить про вплив якості поверхневого шару на несучу здатність 
конструктивно подібних зразків. 
  
 
69 
Висновок до розділу 3 
1. Проведено дослідження впливу геометрії ріжучого інструменту та 
режимів різання під час лезової обробки фрезеруванням на шорсткість 
поверхневого шару та утворення дефектів. 
2. Отримано емпіричну математичну модель, що описує вплив режимів 
фрезерування на шорсткість поверхневого шару. Визначено раціональні режими 
різання в діапазонах: Частота обертання шпинделя n=260–400 об/хв. Швидкість 
поздовжньої подачі столу S=135–180 мм/хв. Глибина різання  t=6–8 мм. 
3. Отримано емпіричну математичну модель, що описує вплив режимів 
різання під час плоского шліфування на шорсткість поверхневого шару. Визначено 
раціональні режими різання в таких діапазонах: Глибина різання за один хід столу  
t=0.02–0.05 мм. Швидкість поздовжньої подачі столу S=1–5 м/хв. 
4. Проведено випробування несучої здатності конструктивно подібних 
зразків із вуглепластику. Встановлено, що несуча здатність зразків із 
вуглепластику, виготовлених за технологією послідовної лезово-абразивної 
обробки, підвищується до 20% порівняно зі зразками, виготовленими традиційною 
лезовою обробкою. 
 
 
70 
 
Розділ 4 Охорона праці та безпека у НС 
4.1 Загальні вимоги охорони праці під час роботи з полімерними 
композитними матеріалами 
НПАОП 25.0-1.02-13 «Правила охорони праці під час роботи з полімерними 
композитними матеріалами». 
Вимоги до процесів механічної обробки 
Механічну обробку необхідно проводити на верстатах, обладнаних 
відсмоктувальними пристроями. 
У разі використання устаткування, яке не укомплектоване 
пиловідсмоктувальним пристроєм, слід вжити заходів щодо оснащення його 
місцевим відсмоктувачем. 
Для оброблення деталей ПКМ ручним механізованим інструментом слід 
використовувати ручні пневматичні машини із вбудованими відсмоктувачами. 
При використанні ручного механізованого інструменту, що не має 
вбудованого відсмоктувача, необхідно використовувати переносні відсмоктувальні 
пристрої, які слід встановлювати безпосередньо поблизу зони оброблення, або 
роботу проводити на спеціальних робочих місцях, обладнаних місцевими 
відсмоктувачами, поворотними столами. 
При роботі абразивним інструментом слід дотримуватись вимог ГОСТ 
12.3.028-82, при роботі з алмазним інструментом - ГОСТ 12.3.023-80. 
Пристосування, що застосовуються при обробленні деталей, повинні 
відповідати вимогам ГОСТ 12.2.029- 
При обробленні великогабаритних деталей, що виходять за межі 
устаткування, необхідно встановлювати переносне огородження та 
попереджувальні знаки безпеки. 
При виконанні роботи всередині агрегатів необхідно забезпечити їх 
вентилювання за допомогою пересувних відсмоктувальних пристроїв і з 
використанням засобів індивідуального захисту органів дихання. 
4.2 Вимоги до розміщення виробничого обладнання і організації робочих 
 
71 
місць 
Розміщення виробничого обладнання повинно здійснюватись відповідно до 
проектної документації та забезпечувати безпечну евакуацію працівників при 
аварійних ситуаціях. 
Розміщення обладнання повинно забезпечити безпеку та зручне його 
обслуговування і ремонт, а також за можливості прямоточність транспортування 
оснастки, деталей та матеріалів. 
Організація робочих місць повинна відповідати вимогам ГОСТ 12 2.033-78, 
ГОСТ 12 2.032-78. 
У місцях, перебування в яких пов'язане з можливою небезпекою для 
працівників, а також на виробничому обладнанні, що є джерелом цієї небезпеки, 
необхідно встановити відповідні знаки безпеки: знаки високої електричної напруги 
на дверцятах шаф з апаратурою управління; знаки, що не дозволяють прохід і 
перебування людей в зоні руху каретки, порталу верстатів. 
При обслуговуванні працюючого обладнання кожен працівник повинен 
перебувати на робочому місці відповідно до вимог інструкції з експлуатації 
обладнання. 
Робочі місця, проходи, проїзди не дозволяється захаращувати оснащенням, 
деталями, відходами виробництва. 
Кількість розчинників, клеїв, мастил, зв’язуючих, що знаходяться одночасно 
на робочому місці, не може перевищувати норми, встановленої технологічною 
документацією. 
4.3 Вимоги до технологічного обладнання 
Обладнання, що застосовується у виробництві деталей з ПКМ, повинно 
забезпечувати максимальну механізацію та автоматизацію робіт. 
Обладнання, що застосовується, повинно відповідати вимогам ГОСТ 12.2.061-
81. 
Електрообладнання на виробничих процесах повинно відповідати вимогам 
ГОСТ 12.1.019-79. 
 
72 
Електрообладнання на виробничих процесах повинно відповідати класам 
вибухо-, пожежонебезпеки приміщень виробництва деталей з ПКМ, встановлених 
норм технічної документації. 
Обладнання необхідно забезпечити надійним заземленням (зануленням) 
відповідно до вимог ГОСТ 12.1.030-81. 
Для всіх елементів і вузлів устаткування, на яких можливе утворення і 
накопичення електростатичних зарядів, потрібно передбачити засоби захисту від 
дії статичної електрики відповідно до вимог ГОСТ 12.4.124-83. 
Обладнання або його окремі вузли, де під час роботи відбувається інтенсивне 
виділення шкідливих, вибухопожежонебезпечних речовин, необхідно обладнати 
місцевою витяжною вентиляцією (вбудоване відсмоктування, аспіраційні укриття, 
витяжні парасолі тощо). 
При цьому обладнання слід забезпечити блокувальними пристроями, що 
виключають можливість його експлуатації при непрацюючій місцевій витяжній 
вентиляції. 
Повітроприймачі місцевих відсмоктувачів слід розташовувати таким чином, 
щоб унеможливлювалося проходження забрудненого повітря через робочу зону. 
Конструкція обладнання, що має пневмосистеми, повинна відповідати 
вимогам ГОСТ 12.2.101-84. 
При експлуатації пневмоприводів і пневмопристроїв слід дотримуватись 
вимог ГОСТ 12.3.001-85. 
Захисні огородження, які встановлені на обладнанні, повинні відповідати 
вимогам ГОСТ 12.2.029-88. 
У системі управління обладнанням, що обслуговується під час його роботи 
двома або більше особами, має бути блокувальний пристрій, що перешкоджає 
пуску обладнання однією особою. 
Робочі місця такого обладнання повинні забезпечувати огляд кожним 
працівником з інших робочих місць. 
 
73 
У разі ускладнення огляду обладнання потрібно оснащувати 
попереджувальними сигналами (світловими, звуковими), додатковими аварійними 
вимикачами. 
Органи управління обладнанням повинні відповідати вимогам ГОСТ 12.2.064-
81. 
У виробничих приміщеннях необхідно встановлювати знаки безпеки 
відповідно до вимог Технічного регламенту знаків безпеки і захисту здоров’я 
працівників, затвердженого постановою Кабінету Міністрів України від 25 
листопада 2009 року № 1262, а також знаки, які попереджають про наявність 
пожежонебезпечних речовин та матеріалів згідно з ДСТУ ISO 6309:2007 
«Протипожежний захист. Знаки безпеки. Форма та колір (ISO 6309:1987, IDT)». 
Застосовування вантажопідйомних механізмів, їх експлуатацію необхідно 
здійснювати відповідно до вимог Правил будови і безпечної експлуатації 
вантажопідіймальних кранів, затверджених наказом Державного комітету України 
з промислової безпеки, охорони праці та гірничого нагляду від 18 червня 2007 року 
№ 132, зареєстрованих у Міністерстві юстиції України 9 липня 2007 року за № 
784/14051 (НПАОП 0.00-1.01.07). 
Вимоги до обладнання для формування деталей 
Преси гідравлічні, що застосовуються для пресування деталей з ПКМ, 
повинні відповідати вимогам ГОСТ 12.2.117-88. 
Преси гідравлічні необхідно обладнати місцевими відсмоктувачами в зоні 
пресування. 
Преси слід оснастити автоматичною системою регулювання і контролю 
технологічних режимів пресування. 
Пристрої електропечей для формування деталей із ПКМ мають відповідати 
вимогам ГОСТ 12.2.007.9-88. 
Печі повинні постійно вентилюватися під час роботи. 
Двері печей повинні щільно закриватися. 
Нагрівачі печі повинні вимикатись при відсутності вентиляції і при нещільно 
закритих дверях печі. 
 
74 
4.4 Вимоги до технологічних процесів 
Під час виконання технологічних процесів виготовлення деталей з ПКМ 
необхідно дотримуватись положень технологічної документації, затвердженої в 
установленому порядку. 
Під час розроблення технологічних процесів слід передбачати максимальну 
автоматизацію і механізацію робіт. 
Під час виконання окремих операцій, які не можуть бути автоматизовані, 
необхідно передбачати пристосування і засоби малої механізації, що знижують або 
виключають вплив небезпечних факторів на працюючих, усувають безпосередній 
контакт працівника з шкідливими речовинами. 
Експлуатацію електрообладнання, пристроїв електроосвітлення необхідно 
здійснювати відповідно до вимог Правил безпечної експлуатації електроустановок 
споживачів, затверджених наказом Комітету по нагляду за охороною праці 
Міністерства праці та соціальної політики України від 9 січня 1998 року № 4, 
зареєстрованих у Міністерстві юстиції України 10 лютого 1998 року за № 93/2533 
(НПАОП 40.1-1.21-98), і Правил безпечної експлуатації електроустановок, 
затверджених наказом Державного комітету України по нагляду за охороною праці 
від 6 жовтня 1997 року № 257, зареєстрованих у Міністерстві юстиції України 13 
січня 1998 року за № 11/2451 (НПАОП 40.1-1.01-97). 
Роботи з пожежонебезпечними речовинами, матеріалами (розчинниками, 
антиадгезійними мастилами) потрібно проводити при постійно працюючій 
загальнообмінній і місцевій вентиляціях. 
При проведенні зварювальних та інших вогневих робіт у виробничих 
приміщеннях виготовлення деталей з ПКМ необхідно дотримуватись вимог 
Інструкції з організації безпечного ведення вогневих робіт на 
вибухопожежонебезпечних та вибухонебезпечних об’єктах, затвердженої наказом 
Міністерства праці та соціальної політики України від 5 червня 2001 року № 255, 
зареєстрованої в Міністерстві юстиції України 23 червня 2001 року за № 541/5732 
(НПАОП 0.00-5.12-01). 
 
75 
Огляд, чищення поверхонь і вузлів устаткування, мереж енергоносіїв 
необхідно проводити при повністю відключеному обладнанні та знеструмлених 
мережах. При цьому необхідно вживати заходів, що перешкоджають їх 
випадковому включенню. 
Чищення, огляд внутрішніх поверхонь обладнання (термопечей, камер 
нанесення антиадгезійного мастила) потрібно проводити після ретельного 
продування повітрям. Продувку слід проводити при працюючій вентиляції. 
Зачищення поверхонь устаткування, видалення затверділих залишків 
стрічок, зв’язуючих необхідно здійснювати інструментом, що виключає 
іскроутворення (з латуні, міді тощо). 
Чищення важкодоступних місць слід проводити спеціальними 
інструментами з подовженими ручками та з використанням засобів 
індивідуального захисту органів дихання (протигаз, респіратор тощо) згідно з 
вимогамиПравил вибору та застосування засобів індивідуального захисту органів 
дихання, затверджених наказом Державного комітету України з промислової 
безпеки, охорони праці та гірничого нагляду від 28 грудня 2007 року № 331, 
зареєстрованих у Міністерстві юстиції України 4 квітня 2008 року за № 285/14976 
(НПАОП 0.00-1.04-07). 
Видалення забруднень з обладнання слід проводити за допомогою вакуумних 
або піскоструминних установок. 
Миття технологічної тари, інструменту, пристосувань із залишками мастил, 
клею, зв’язуючих необхідно проводити дозволеними мийними засобами. 
При роботі потрібно використовувати бавовняні серветки, тампони. 
Серветки, тампони слід закріплювати на спеціальному інструменті, який виключає 
безпосередній контакт рук працівника з мийним засобом. 
Роботи необхідно проводити в засобах для захисту рук. 
Миття тари, інструменту необхідно проводити в окремому приміщенні на 
робочих місцях, обладнаних місцевими відсмоктувачами. 
 
76 
Пролиті розчинники, мастила, клей, зв’язуючі слід негайно засипати піском, 
прибрати за допомогою совка, шпателя або іншого інструмента, виготовленого з 
матеріалу, що виключає іскроутворення. 
Вимоги до процесу виготовлення препрегів 
Стан компонентів, послідовність їх завантаження, режими змішування 
повинні відповідати вимогам технологічної документації. 
Подрібнення твердих компонентів (смол, затверджувачів) потрібно 
механізувати і проводити в герметично закритих апаратах. 
Невелику кількість компонентів (до 3 кг) дозволяється подрібнювати вручну 
в тарі, що виготовлена з міцних матеріалів, що унеможливлюють іскроутворення. 
При цьому роботу слід проводити у витяжній шафі або в тарі, яка виключає 
пилоутворення. 
Розігрівання смол слід проводити в тарі, розміщеній на піддоні. Ємність 
піддона повинна забезпечувати збирання всієї смоли, яка знаходиться в тарі. 
Тара, піддон мають бути виготовлені з матеріалів, стійких до дії смоли і 
температури розігріву. 
Розігрівання смоли необхідно проводити в термопечах, термошафах, які 
обладнані місцевими відсмоктувачами. 
Дозування компонентів, завантаження їх у технологічну тару, обладнання 
необхідно проводити на робочих місцях з місцевими відсмоктувачами (витяжна 
шафа, робочий стіл тощо). 
При цьому слід вживати заходів щодо запобігання розбризкуванню, 
розливанню, розпиленню в повітря приміщення речовин, матеріалів. 
Приготування зв'язуючих необхідно механізувати, завантаження в реактор 
рідких компонентів, зливання зв'язуючих слід проводити закритим способом 
(трубопроводами, шлангами тощо). 
За необхідності приготування зв’язуючих у невеликих кількостях (до 5 кг) і 
непостійно дозволяється здійснювати дозування і перемішування компонентів у 
спеціальних закритих ємностях, виготовлених з матеріалів, які унеможливлюють 
 
77 
іскроутворення, вручну під витяжною шафою, на робочому місці з 
відсмоктувальним пристроєм. 
Перед початком роботи необхідно переконатися в справності блокувань, 
заземлення окремих вузлів і частин, електро-, пневмошлангових установок, у 
наявності засобів пожежогасіння. 
Включення нагрівачів камери сушіння зв’язуючого здійснюється тільки при 
працюючій системі вентиляції і при закритих дверях камери. 
Обов’язково необхідно перевіряти заземлення транспортерів наповнювача, 
препрегів, направляючих і віджимних валків, надійність ізоляції кабелю високої 
напруги та рухомих шлангів електро- і пневмомережі. 
При виготовленні препрегів необхідно дотримуватися заданих параметрів 
витрат зв’язуючого на одиницю площі тканини або стрічки, швидкості руху 
тканини або стрічки в сушильній камері зв’язуючого, температурних режимів 
сушіння, ефективності вентиляційної системи сушильної камери. 
Заливання зв’язуючого у ванну просочення необхідно автоматизувати і 
проводити герметичними трубопроводами. 
При відсутності автоматичного наповнення ванни заливання зв’язуючого 
слід здійснювати за допомогою пристосування, що забезпечує переливання 
зв’язуючого з тари у ванну закритим способом. 
Рівень зв’язуючого у ванні не може перевищувати встановленого 
технологічною документацією. 
Заправляння установок тканинами, стрічками, нитками, а також зрощення їх 
кінців слід проводити при відключенні установок від джерел енергоживлення і при 
зупинці всіх механізмів, якщо конструкцією установки не передбачені пристрої для 
заправляння без зупинки машин. 
Віджимні валки, ножі в процесі просочення необхідно очищати від залишків 
зв’язуючого інструментом з матеріалу, що не іскрить, з подовженими ручками і 
обов'язково із застосуванням засобів для захисту рук. Роботу необхідно виконувати 
при повному відключенні установки. 
 
78 
Завантаження порошкоподібного зв’язуючого в бункер слід проводити за 
допомогою пристосування, що виключає пиловиділення. 
Під час роботи установки бункер повинен бути закритий. 
 
 
 
  
 
79 
Загальні висновки 
Розв'язано задачу технологічного забезпечення необхідної шорсткості та 
запобігання дефектам під час механічної обробки виробів із вуглепластику на 
основі вибору ріжучого інструменту та раціональних режимів різання при 
послідовній лезово-абразивній обробці. У результаті реалізації методики 
послідовної лезово-абразивної обробки забезпечено підвищення несучої здатності 
конструктивно подібних зразків із вуглепластику в діапазоні 10–20% порівняно з 
традиційною лезовою обробкою. 
1. На основі моделювання процесу стружкоутворення обґрунтовано 
застосування нової технології послідовної лезово-абразивної обробки полімерних 
композиційних матеріалів (ПКМ), яка забезпечує підвищення якості поверхневого 
шару та усунення дефектів шляхом збільшення швидкості різання, твердості й 
гостроти ріжучої кромки. 
2. Відтворено методику проведення експериментальних досліджень 
впливу режимів різання та ріжучого інструменту на шорсткість поверхневого шару. 
Також проаналізовано методику проведення порівняльного дослідження несучої 
здатності конструктивно подібних зразків із вуглепластику при лезовій і 
послідовній лезово-абразивній обробці. 
3. Проведено експериментальні дослідження та розроблено емпіричні 
математичні моделі впливу режимів різання при лезовій і абразивній обробці ПКМ 
на шорсткість поверхневого шару. Установлено, що як лезовий ріжучий 
інструмент, який забезпечує найкращі показники шорсткості Ra=1.25мкм, 
рекомендується прямозуба твердосплавна кінцева фреза при раціональних 
режимах обробки: n=260–400 об/хв, S=135–180 мм/хв, t=6–8 мм. Запобігання 
дефектам під час механічної обробки та забезпечення необхідної шорсткості 
досягається завдяки застосуванню шліфувальних кругів із білого електрокорунду 
марки 25А F46 G14 V35 2250. Раціональні режими абразивної обробки: Глибина 
різання t=0.02–0.05 мм, Швидкість подачі стола S=1–5 м/хв, Швидкість різання 
V=25–35 м/с. Шорсткість поверхневого шару Ra=0.264 мкм. 
 
80 
4. Проведено випробування несучої здатності конструктивно подібних 
зразків, оброблених лезовою та послідовною лезово-абразивною обробкою. 
Встановлено підвищення несучої здатності при послідовній лезово-абразивній 
обробці до 20%. 
  
 
81 
Список використаної літератури 
1. Бровко, В. А. "Дослідження механічних властивостей вуглепластиків 
в авіабудуванні." Наукові праці НАУ, 2019, №2: 45–50. 
2. Герасименко, В. М., Бондаренко, О. Ю. "Проблеми механічної 
обробки композиційних матеріалів." Вісник КНУТД. Серія: Технічні науки, 2020, 
№4: 60–65. 
3. Іщенко, І. М., Мартинюк, Р. П. "Особливості застосування 
шліфувальних інструментів для обробки полімерних композиційних матеріалів." 
Технології і матеріали сучасного машинобудування, 2021, №1: 73–80. 
4. Коваленко, О. С. "Механічна обробка багатошарових композиційних 
матеріалів у суднобудуванні." Збірник наукових праць ХДМА, 2018, №1: 50–56. 
5. Лисенко, А. В. "Дослідження шорсткості поверхні вуглепластиків 
після обробки різанням." Вісник Національного технічного університету «ХПІ», 
2020, №6: 125–130. 
6. Мельник, Ю. Г. "Оптимізація параметрів різання при механічній 
обробці вуглецевих композицій." Інженерія поверхонь, 2019, №3: 102–108. 
7. Національний стандарт України ДСТУ 8825:2019. Полімерні 
композиційні матеріали. Методи випробувань механічних властивостей. Київ: 
Держстандарт України, 2019. 
8. Петров, В. О., Гончаренко, О. В. "Вплив температури на процес 
обробки вуглепластиків під час свердління." Машинобудування та 
матеріалознавство, 2021, №2: 87–93. 
9. Соловйов, С. І. "Розробка технологій механічної обробки полімерних 
матеріалів у промисловості." Вісник НТУУ «КПІ». Машинобудування, 2018, №7: 
65–70. 
10. Ткачук, А. І. "Абразивна обробка композиційних матеріалів в умовах 
високих швидкостей різання." Наукові записки Тернопільського національного 
технічного університету, 2019, №4: 55–61. 
11. Федоров, О. М., Гнатюк, А. І. "Вивчення зношуваності ріжучого 
 
82 
інструмента при обробці композитів." Сучасні технології у машинобудуванні, 
2021, №5: 123–129. 
12. Чайка, В. О., Остапчук, Ю. І. "Моделювання процесу шліфування 
полімерних композиційних матеріалів." Науковий вісник ВНТУ, 2020, №3: 97–
104. 
13. Шевченко, П. О. "Технологічні параметри обробки композитних 
матеріалів у авіаційній галузі." Наукові праці НАУ, 2021, №5: 45–53. 
14. Яковенко, Л. М. "Ефективність застосування шліфувальних кругів 
при обробці вуглецевих волокон." Проблеми машинобудування, 2019, №3: 72–78. 
15. ДСТУ 19265:2020. Абразивні інструменти. Терміни та визначення. 
Київ: Держстандарт України, 2020. 
16. Mallick, P. K. Fiber-Reinforced Composites: Materials, Manufacturing, 
and Design. 3rd ed. Boca Raton: CRC Press, 2007. 638 p. 
17. ДСТУ EN ISO 527-4:2018. Пластмаси. Визначення властивостей під 
час розтягування. Частина 4. Умови випробування для ізотропних та ортотропних, 
армованих волокном пластмасових композитів (EN ISO 527-4:1997, IDT; ISO 527-
4:1997, IDT). Київ: ДП «УкрНДНЦ», 2018. 
18. Bhatnagar N., Ramakrishna S., Naik N.K., Komanduri R. "Machining of 
fiber reinforced plastic (FRP) composite laminates." Applied Mechanics Reviews, 2012, 
55(6): 491–513. 
19. Akhtar, N., Sheikh, A.A. "A Study on Surface Roughness and 
Delamination in Machining of CFRP Composites." Journal of Materials Processing 
Technology, 2020, 289: 116–124. 
20. Davim, J.P. "Machining of Polymer Composites." Springer Series in 
Advanced Manufacturing, 2013, 202 p. 
21. Khalifa M., Shchurov I.A., Mejias F.C. "Modeling of Orthogonal Cutting 
Process for Carbon Fiber Reinforced Plastics." Procedia CIRP, 2021, 99: 281–286. 
22. Rawat, R., Attia, H. "Wear Mechanisms and Tool Performance of 
Polycrystalline Diamond Tools during High-Speed Machining of CFRP." International 
 
83 
Journal of Machine Tools and Manufacture, 2009, 49(6): 500–510. 
23. Figueira, L., Davim, J.P. "Optimization of Cutting Parameters in 
Machining of Composite Materials." Composites Part A: Applied Science and 
Manufacturing, 2019, 34(2): 119–130. 
24. Instron Testing Equipment. User manual for Instron 5965 universal testing 
machine. URL: https://www.instron.com. 
25. Ramesh, R., Subhash, R. "Effect of Machining Parameters on Surface 
Roughness and Delamination during Machining of CFRP Composites." Journal of 
Composite Materials, 2018, 52(3): 331–345. 
26. Abbas, N., Saleem, H., Sheikh, A. "Evaluation of Surface Roughness and 
Delamination in CFRP Composites during Abrasive Machining." Composites Science 
and Technology, 2022, 179: 125–132. 
27. Geng, D., Liu, Y., Shao, Z., Lu, Z., Li, X. "Tool wear and machining 
quality of CFRP composites with diamond tools." International Journal of Advanced 
Manufacturing Technology, 2021, 110(5): 1727–1736. 
28. Sandvik Coromant. Tooling Solutions for Composite Machining. URL: 
https://www.sandvik.coromant.com. 
29. ASTM D2584-18. Standard Test Method for Ignition Loss of Cured 
Reinforced Resins. ASTM International, 2018. 8 p. 
30. Abrate, S., Walton, K. "Machining of Composite Materials." Composites 
Manufacturing, 2020, 21(1): 3–20. 
31. Wang, H., Sun, J., Li, J., Lu, L., Li, N. Surface grinding of carbon fiber-
reinforced plastic composites using rotary ultrasonic machining: effects of tool variables 
on surface quality. Advances in Mechanical Engineering. 2016. Vol. 8, No. 10. P. 1–12. 
32. Gibson, R. F. Principles of Composite Material Mechanics. 4th ed. Boca 
Raton: CRC Press, 2016. 670 p. 
33. Soutis, C. Fibre reinforced composites in aircraft construction. Progress in 
Aerospace Sciences. 2005. Vol. 41, No. 2. P. 143–151. 
34. Cepero-Mejias F, Curiel-Sosa JL, Kerrigan K et al (2019) Chip formation  
 
84 
in machining of unidirectional carbon fiber reinforced polymer laminates: FEM based 
assessment. In: Procedia CIRP. 2nd CIRP conference on composite material parts 
manufacturing (CIRP-CCMPM 2019), pp 302–307 
35. Aiman Akmal Abdul Nasir, Azwan Iskandar Azmi, Tan Chye Lih et 
al(2018) Experimental study towards determination of critical feed for minimization of 
delamination damage in drilling flax natural fiber composites. In: Procedia CIRP 8th 
CIRP conference on high-performance cutting (HPC 2018), pp 191–194 
36. Sugita N, Shu L, Kimura K et al (2019) Dedicated drill design for the 
reduction in burr and delamination during the drilling of composite materials. CIRP  Ann 
Manuf Technol 68:89–92 
37. El-Hofy M, Helmy MO, Escobar-Palafox G et al (2018) Abrasive water jet 
machining of multidirectional CFRP laminates. In: Aranzabe A, Maidagan X, Sanchez 
JA (eds.) Procedia CIRP. 19th CIRP conference on electro physical and chemical 
machining, 23–27 Apr 2017, Bilbao, Spain. Elsevier, pp 535–540 
38. Ramulu, M. Machining and surface integrity of fibre-reinforced plastic 
composites. Sadhana. 1997. Vol. 22, No. 3. P. 449–472. 
39. Montgomery, D. C. Design and Analysis of Experiments. 10th ed. 
Hoboken: John Wiley & Sons, 2020. 752 p. 
40. Myers, R. H., Montgomery, D. C., Anderson-Cook, C. M. Response 
Surface Methodology: Process and Product Optimization Using Designed Experiments. 
4th ed. Hoboken: John Wiley & Sons, 2016. 856 p. 
41. Box, G. E. P., Hunter, J. S., Hunter, W. G. Statistics for Experimenters: 
Design, Innovation, and Discovery. 2nd ed. Hoboken: John Wiley & Sons, 2005. 633 p. 
42. Antony, J. Design of Experiments for Engineers and Scientists. 2nd ed. 
Oxford: Elsevier, 2014. 216 p. 
43. Hocheng, Hong and C. C. Tsao. ―Comprehensive analysis of delamination 
in drilling of composite materials with various drill bits.‖ Journal of Materials 
Processing Technology 140 (2003): 335-339. 
44. Venu Gopala Rao G, Mahajan P, Bhatnagar N..,Machining of UD-GFRP 
 
85 
composites chip formation mechanism, Composite Science and Technology, 67, 2007 
45. Dandekar, C.,Shin, Y.,Multiphase Finite Element Modeling of Machining 
Unidirectional Composites: Prediction of Debonding and Fiber Damage, J. 
Manufacturing Science and Engineering,130, 2008 
46. Ma, L., Marusich, T., Usui, S. etc.,Validation of Finite Element Modeling 
of Drilling Processes with Solid Tooling in Metals, Advanced Material Research 
223,182, 2011 
47. Camacho, GT, Ortiz, M. Computational modelling of impact damage in 
brittle materials. International Journal of Solids and Structures 1996; p33 
48. Hocheng, H., Tsao, C. C. The path towards delamination-free drilling of 
composite materials. Journal of Materials Processing Technology. 2005. Vol. 167, No. 
2–3. P. 251–264. 
49. Isbilir O, Ghassemieh E. Finite element analysis of drilling of carbon fibre 
reinforced composites. Applied Composite Materials, 19(3-4), pp.637-656, 2012. 
50. XiaoQi Xiang. Finite Element Simulation of 3D Drilling in CFRP 
Composite and AluminiumStack. Thesis submitted to the University of Sheffield in 
partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science (Research), 
2011. 
51. Phadnis V A, Makhdum F, Roy A, et al. Drilling in carbon/epoxy 
composites: Experimental investigations and finite element implementation.  
Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 47,pp.41-51,2013. 
52. Davim J P, Reis P.Damage and dimensional precision on milling carbon 
fiber-reinforced plastics using design experiments. Journal of Materials Processing 
Technology,160,pp. 160–167, 2005. 
53. Nor Khairusshima M.K, Che Hassan, C.H, Jaharah A.G, etc. Effect of 
chilled air on tool wear and workpiece quality during milling of carbon fibre-reinforced 
plastic.Wear, 302,pp.1113–1123, 2013 
54. Wang, X.M., Zhang, L.C.: An experimental investigation into the 
orthogonal cutting of unidirectional fibre reinforced plastics. Int. J. Mach. Tools Manuf. 
 
86 
43, 1015–1022 (2003) 
55. Nayak, D., Bhatnagar, N., Mahajan, P.: Machining studies of 
unidirectional glass fiber reinforced plastic (UD-GFRP) composites. Part 1: Effect of 
geometrical and process parameters. Mach. Sci. Technol. 9, 481–501 (2005). 
56. ДСТУ 4163:2020. Державна уніфікована система документації. 
Уніфікована система організаційно-розпорядчої документації. Вимоги до 
оформлення документів. Київ: ДП «УкрНДНЦ», 2020. 
57. ДСТУ 8302:2015. Інформація та документація. Бібліографічне 
посилання. Загальні положення та правила складання. Київ: ДП «УкрНДНЦ», 
2016. 
58. ДСТУ 3008:2015. Інформація та документація. Звіти у сфері науки і 
техніки. Структура та правила оформлювання. Київ: ДП «УкрНДНЦ», 2016. 
59. Методичні рекомендації до підготовки, написання та захисту 
кваліфікаційної роботи для здобувачів освітнього рівня «магістр» за спеціальністю 
131 - «Прикладна механіка», освітні програми «Технології машинобудування» та 
«Обробка металів за спецтехнологіями» усіх форм навчання  [Електронне 
видання]  /  Уклад.:  Г.В. Канашевич, О.О. Коваленко, Є.В. Хижняк; М-во освіти і 
науки України, Черкас. технол. ун-т. – Черкаси : ЧДТУ, 2023..
Репозиторій ЧДТУ
