Анализ влияния динамического воздействия абразивного материала на заготовку при обработке сложнопрофильных поверхностей потоковой галтовкой

Акулиничев Павел Дмитриевич; Альбов Максим Александрович; Гончаров Александр Александрович

УДК 621.923

Анализ влияния динамического воздействия абразивного материала на заготовку при обработке сложнопрофильных поверхностей потоковой галтовкой

П.Д. Акулиничев, М.А. Альбов, А.А. Гончаров

МГТУ им. Н.Э. Баумана

Analysis of the abrasive material dynamic action on a workpiece in machining the complex-profile surfaces with the flow tumbling

P.D. Akulinichev, M.A. Albov, A.A. Goncharov

Bauman Moscow State Technical University

Финишная обработка миниатюрных сложнопрофильных поверхностей, позволяющая нивелировать погрешности формы, является актуальной технологической проблемой. Миниатюрные сложнопрофильные поверхности, как правило, обрабатывают свободным абразивом, в частности потоковой галтовкой. Однако в научной литературе отсутствуют сведения об обоснованной методике выбора режимов обработки, позволяющих достичь требований, предъявляемых к качеству и геометрической форме поверхности изделия. В связи с этим существует необходимость в разработке математической модели обработки свободным абразивом методом потоковой галтовки, которая позволит управлять съемом материала в зависимости от глубины погружения заготовки в абразивный материал и скорости его потока. Разработана математическая модель динамического воздействия абразивного материала на заготовку. Выявлена зависимость статического давления на заготовку от глубины ее погружения в абразивный материал. Установлена зависимость динамического давления на заготовку от скорости потока абразивного материала. Определена возможность равномерного и неравномерного съема материала с заготовки. EDN: BXXBQU

Ключевые слова: финишная обработка, качество поверхности, обработка свободным абразивом, потоковая галтовка, неравномерность съема материала

Miniature complex-profile surfaces final machining makes it possible to level out the shape errors and appears to be an urgent technological problem. Miniature complex-profile surfaces are usually machined with a free abrasive, in particular with the flow tumbling. However, scientific literature is missing any information on substantiated methodology in selecting the machining modes that would allow achieving the specified requirements to surface quality and its geometric shape. In this regard, there appears a need to develop a mathematical model of the free abrasive machining with the flow tumbling method, which would make it possible to control the material removal depending on the workpiece immersion depth in the abrasive material and on the flow rate. Theoretical research resulted in developing a mathematical model of the abrasive material dynamic action on the workpiece. Dependence of the workpiece static pressure on its immersion depth was revealed, as well as dependence of the workpiece dynamic pressure on the abra-

sive material flow rate. Possibility of the uniform and non-uniform material removal from the workpiece was determined. EDN: BXXBQU

Keywords: final machining, surface quality, free abrasive machining, flow tumbling, nonuniform material removal

Одним из важных направлений развития технологической науки является выявление закономерностей взаимодействия параметров технологической системы оборудование — оснастка — рабочий инструмент — заготовка, позволяющих повысить качество изготавливаемых деталей путем управления режимами обработки [1-5].

К областям, интересующим ученых-технологов, относится обработка сложнопрофиль-ных поверхностей [6-10]. В частности, актуальным является изучение особенностей процесса обработки миниатюрных сложнопрофильных поверхностей свободным абразивом [11-18].

К устройствам с миниатюрными сложнопро-фильными поверхностями принадлежат и одновинтовые дозаторы, рабочий орган которых — героторная пара — имеет циклоидальные винтовые поверхности с диаметром сечения 3...10 мм [19]. К роторам рабочего органа предъявляются высокие требования по точности и качеству поверхности, в частности по параметру шероховатости поверхности Я.а, который должен находиться в пределах 0,04...0,06 мкм. Для достижения такого качества поверхности целесообразно использовать обработку свободным абразивом [9, 14, 20-23].

Кроме того, сложность финишной обработки миниатюрного ротора одновинтового дозатора заключается в отклонении формы поверхности от заданной, которое заготовка приобретает на этапе формообразования лезвийными методами. Отклонение формы рабочей поверхности миниатюрного ротора является недопустимым, так как это вызывает пульсации потока абразивного материала (АМ) и снижает давление в героторной паре.

В связи с этим становится важной научной задачей разработка технологических подходов, позволяющих на этапе финишной обработки нивелировать погрешности формы миниатюрного ротора одновинтового насоса, возникающие на этапе формообразования рабочей поверхности.

Цель исследования — разработка математической модели обработки детали свободным абразивом методом потоковой галтовки, поз-

воляющей управлять съемом АМ в зависимости от глубины погружения заготовки в АМ и скорости его потока.

Теоретическая часть. Анализ математических моделей обработки свободным абразивом выявил необходимость создания математической модели для обработки потоковой галтовкой, которая позволит определять величину снимаемого АМ с заготовки за определенное время обработки [24].

Для построения математической модели обработки заготовки методом потоковой галтовки рассмотрим кинематические особенности движения заготовки и АМ в процессе обработки (рис. 1).

Основным движением при обработке заготовки является вращение барабана, в котором находится АМ в свободном виде. Вращение барабана позволяет создать непрерывный поток АМ и определяет скорость потока АМ относительно заготовки

пп6 Аз_3

ип =-, м/мин,

1000

где пб — частота вращения барабана, мин1; Бб_з — диаметр, на котором установлена заготовка относительно оси вращения барабана, мм.

Вспомогательным движением служит вращение заготовки вокруг оси, которое необходимо для равномерной обработки всей ее поверхности.

В процессе обработки заготовка погружается в АМ на определенную глубину, поэтому необходимо рассмотреть взаимодействие гранул АМ

Рис. 1. Кинематическая схема обработки заготовки потоковой галтовкой

pст = уйпогрK, Па,

(1)

где у — удельный вес АМ, Н/м3; йпогр — глубина погружения заготовки в АМ, мм; K — коэффициент бокового давления АМ.

Удельный вес АМ при обработке свободным абразивом зависит от размера гранул АМ, который варьируется, вследствие чего происходит неизбежное образование пустот между гранулами АМ. Поэтому удельный вес АМ можно рассчитать по формуле

у = .

т

•грг

V;

(2)

гр

где mгр — масса гранул АМ, г; g — ускорение свободного падения, м/с2; Угр — объем гранул АМ, м3.

Коэффициент бокового давления сыпучего материала [25, 26]

K = гё21 45°-

ф

(3)

где ф — угол внутреннего трения или угол естественного откоса.

После подстановки соотношений (2) и (3) в формулу (1) получаем выражение для статического давления АМ

mгр ghпогрtg2

Pст =-

45°-Ф

V

Па.

(4)

гр

Рис. 2. Схема распределения статического давления АМ по глубине погружения заготовки в АМ

и заготовки в плоскости, совпадающей с ее осью. Давление, оказываемое абразивом, на заготовку следует подразделить на статическое (обусловленное собственным весом АМ) и динамическое (вызванное движением потока АМ).

Статическое давление АМ на заготовку. Так как АМ, по сути, является сыпучей средой, его динамику движения можно рассматривать с точки зрения сыпучих тел. В этом случае давление АМ на заготовку будет распределяться прямо пропорционально высоте его засыпки (рис. 2).

Согласно схеме, приведенной на рис. 2, и теории движения сыпучих тел, статическое давление АМ на заготовку определяется выражением [25, 26]

Динамическое давление АМ на заготовку. Согласно, закону Паскаля, давление определяют как отношение прилагаемой силы к площади поверхности. Указанную силу находят по второму закону Ньютона как произведение массы тела на ускорение, которое оно приобретает под действием силы.

В рассматриваемом случае масса тела, в качестве которого выступает АМ, представляет собой сумму масс гранул АМ, находящихся в контакте с заготовкой за определенный промежуток времени, так как АМ контактирует с заготовкой непрерывным потоком (рис. 3).

Количество гранул, находящихся в контакте с заготовкой, имеет вид

Лт Hзагdзаг ^п^ /

N =-, шт/мин,

D3 2

где Изаг и dзаг — длина и диаметр заготовки, мм; t — время обработки, мин; Вшар — диаметр гранулы АМ, мм.

Исходя из этого, динамическое давление АМ на заготовку, вычисляется как

рдин

тгр^й

—-—, Па.

В3

шар

(5)

Рис. 3. Схема распределения гранул, находящихся в контакте с заготовкой

С учетом выражений (4) и (5) формула для расчета полного давления АМ, действующего на заготовку при обработке, приобретает вид

Р = Рст + Рдин =

mTpg^ncrptg2| 45°--^

+ тг^, Па. D3

-^шар

(6)

50 100 150 200 250 300 Апогр, мм

Рис. 4. Зависимость статического давления АМ рс от глубины погружения заготовки йпогр

величин определяет зависимость неоднородности съема припуска от глубины погружения заготовки.

Зависимость полного давления АМ р от глубины погружения заготовки в АМ к

погр

и ско-

Анализ выражения (6) позволяет заключить, что изменение скорости потока АМ влияет на оказываемое на заготовку давление в большей степени, чем глубина погружения заготовки в АМ. Также справедливо утверждать, что посредством скорости потока АМ можно управлять неравномерностью съема материала.

С помощью формулы (6) можно спрогнозировать возникающую в процессе потоковой обработки неравномерность съема материала и использовать это для управления отклонениями формы от заданной, полученными на предыдущих этапах обработки.

Результаты. Анализ полученных выражений позволяет сделать вывод о зависимости статического и динамического давлений от параметров АМ, среди которых основным является давление АМ на обрабатываемую поверхность. При этом статическое давление АМ рст прямо пропорционально глубине погружения заготовки в АМ кпогр (рис. 4), а на динамическое давление АМ рдин влияет скорость потока АМ ^п (рис. 5).

Как видно из рис. 4 и 5, статическое и динамическое давления АМ, оказываемые на заготовку при ее обработке, при небольшой скорости потока (до 100 м/мин) имеют соизмеримые значения, а, значит, соотношение этих

РсТ. кПа

рости потока АМ ип показана на рис. 6. Видно, что неравномерностью съема материала по длине заготовки можно управлять путем изменения глубины погружения заготовки в АМ и скорости потока АМ. Например, при скорости потока АМ более 175 м/мин полное давление АМ на заготовку стабильно инвариантно рассматриваемой глубине кпогр.

Возможность прогнозирования соотношения статического и динамического давлений позволяет получить заданную форму поверхности заготовки на этапе финишной обработки, либо нивелировать ее отклонения, возникшие на предыдущих операциях технологического процесса.

Ртн> кПа

150 оп, м/мин

Рис. 5. Зависимость динамического давления АМ рдин от скорости потока АМ ип

Рис. 6. Зависимость полного давления АМ р от глубины погружения заготовки в АМ кпогр и скорости потока АМ ип

Выводы

1. С помощью свободного абразива можно обрабатывать сложнопрофильные детали, что находит все большее применение в промышленности. Такой метод обработки позволяет достичь очень низкой шероховатости поверхности. Кроме того, методы потоковой и буксирной галтовки достаточно легко поддаются автоматизации.

2. Предложена математическая модель обработки заготовки свободным абразивом методом потоковой галтовки, которая дает возможность управлять величиной съема материала по длине

заготовки путем изменения скорости потока АМ и глубины погружения заготовки в АМ. Это позволяет получить заданную неоднородность распределения припуска после обработки, либо исправить отклонения, возникшие на предыдущих этапах технологического процесса.

3. Дальнейшие исследования предполагают проведение экспериментального подтверждения выдвинутой гипотезы и разработку формализованного подхода, который позволит определять не только форму распределения съема материала с поверхности заготовки, но и абсолютную величину съема за единицу времени.

Литература

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

[1] Chikhacheva N.Y., Shchedrin A.V., Bekaev A.A. et al. Influence of the tool's surface

microgeometry and the lubricant composition on hole precision in hybrid burnishing. Russ. Engin. Res., 2022, vol. 42, no. 8, pp. 781-786, doi: https://doi.org/10.3103/ S1068798X2208010X

[2] Fanidi O., Kostryukov A., Shchedrin A. Predicting the burnishing force for cylindrical

workpieces with amodified surface layer. Strojnicky Casopis, 2022, vol. 72, no. 1, pp. 35-48, doi: https://doi.org/10.2478/scjme-2022-0004

[3] Kovalev A.A., Krasko A.S., Rogov N.V. Evaluation of the surface roughness of machine parts

with wear-resistant gas thermal coatings during turning. J. Mach. Manuf. Reliab., 2022, vol. 51, no. 6, pp. 540-547, doi: https://doi.org/10.3103/S1052618822050089

[4] Magomedov M.K., Gromov A.E., Yakovlev A.V. Adjustment of impact and laser systems

when engraving materials with indeterminate characteristics. Russ. Engin. Res., 2022, vol. 42, no. 1, pp. 1-5, doi: https://doi.org/10.3103/S1068798X22010130

[5] Yakovleva A., Isaenkova M., Minushkin R. The effect of combined processing on residual

stresses in the surface layer of power plant parts. Materials, 2022, vol. 15, no. 2, art. 420, doi: https://doi.org/10.3390/ma15020420

[6] Akulinichev P., Zenin I., Goncharov A. Choice of finishing and strengthening treatment

method for cycloidal screw surfaces for multi-product production conditions. IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng., 2020, vol. 963, art. 012013, doi: https://doi.org/10.1088/ 1757-899X/963/1/012013

[7] Васильев А.С., Гончаров А.А. Специальная стратегия обработки сложнопрофильных

конических винтовых поверхностей рабочих органов одновинтовых компрессоров. Записки Горного института, 2019, т. 235, с. 60-64, doi: https://doi.org/ 10.31897/pmi.2019.1.60

[8] Vasiliev A.S., Goncharov A.A. Some aspects of problematics in designing technological

complexes. IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci., 2018, vol. 184, art. 062033, doi: https://doi.org/10.1088/1755-1315/194/6/062033

[9] Гончаров А.А. Технологическое обеспечение качества формообразования циклоидаль-

ных винтовых поверхностей при обработке непрофилированным инструментом на многоцелевых станках. Дисс. ... канд. тех. наук. Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020. 107 с.

[10] Гончаров А.А., Васильев А.С., Гемба И.Н. Современные методы обработки винтовых поверхностей роторов винтовых насосов. Вестник РГАТА им. П.А. Соловьева, 2017, № 1, c. 202-208.

[11] Gao Y., Zhao Y., Zhang G. et al. Modeling of material removal in magnetic abrasive finishing process with spherical magnetic abrasive powder. Int. J. Mech. Sci., 2020, vol. 177, art. 105601, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2020.105601

[12] Kacaras A., Gibmeier J., Zanger F. et al. Influence of rotational speed on surface states after stream finishing. Procedia CIRP, 2018, vol. 71, pp. 221-226, doi: https://doi.org/ 10.1016/j.procir.2018.05.067

[13] Mirsa A., Pandey P., Dixit U.S. Modeling of material removal in ultrasonic assisted magnetic abrasive finishing process. Int. J. Mech. Sci., 2017, vol. 131-132, pp. 853-867, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2017.07.023

[14] Акулиничев П.Д., Альбов М.А., Зенин И.О. и др. Современные методы финишной обработки циклоидальных винтовых поверхностей. Справочник. Инженерный журнал, 2021, № 9, с. 3-11, doi: https://doi.org/10.14489/hb.2021.09.pp.003-011

[15] Семенов А. Исследование применения промышленных роботов для центробежно-ро-тационной обработки в свободном абразиве. Дисс. магистра. Томск, ТПУ, 2019. 135 с.

[16] Тамаркин М.А., Колганова Е.Н., Ягмуров М.А. и др. Финишная обработка деталей в среде свободных абразивов. Анализ современного состояния. Перспективные направления развития отделочно-упрочняющей обработки и виброволновых технологий, 2019, с. 154-157.

[17] Trifanov V.I., Sukhanova O.A., Shcherbakova A.V. et al. Anodic process in magnetic-abrasion vibrational polishing of nonmagnetic materials. Russ. Engin. Res., 2022, vol. 42, no. S1, pp. S96-S98, doi: https://doi.org/10.3103/S1068798X23010306

[18] Yamaguchi H., Srivastava A.K., Tan M. Magnetic Abrasive Finishing of cutting tools for high-speed machining of titanium alloys. CIRP J. Manuf. Sci. Technol., 2014, vol. 7, no. 4, pp. 299-304, doi: https://doi.org/10.1016/jxirpj.2014.08.002

[19] Sacher С., Possnicker D. Low-shear dosing of micro-encapsulated adhesives. Adhes. Adhes. Sealants, 2013, vol. 10, no. 2, pp. 21-23, doi: https://doi.org/10.1365/s35784-013-0158-5

[20] Caitano T.L., Silva L.R., Machado A.R. et al. Influence of finishing post-treatment on drill rake and margin surfaces in the drilling of SAE 4144M steel. CIRP J. Manuf. Sci. Technol., 2022, vol. 37, pp. 81-91, doi: https://doi.org/10.1016/jxirpj.2022.01.009

[21] Sakar M., Jain V.K., Sidpara A. On the flexible abrasive tool for nanofinishing of complex surfaces. J. Adv. Manuf. Syst., 2019, vol. 18, no. 1, pp. 157-166, doi: https://doi.org/ 10.1142/S0219686719500082

[22] Бабаев А.С., Чарторийский В.П. Технологии инновационной буксирной и потоковой финишной абразивной обработки изделий машиностроения, медицины и режущих инструментов. Современный тенденции в технологиях металлообработки и конструкциях металлообрабатывающих машин и комплектующих изделий, 2017, с. 96-102.

[23] Лаптев Н.В. Исследование технологических возможностей буксирного полирования при обработке режущих инструментов. Дисс. магистра. Томск, ТПУ, 2018. 133 с.

[24] Акулиничев П.Д., Альбов М.А., Гончаров А.А. Современные математические модели

обработки свободным абразивом. Справочник. Инженерный журнал, 2023, № 8, с. 11-16.

[25] Федосеев В.Б., Гордеева А.Б., Зацаринная И.А. Теоретический расчет давления в емкостях, заполненных дискретной средой. Вестник ДГТУ, 2011, т. 11, № 2, с. 163-168.

[26] Голынский М.Ю., Сиваков В.П. Определение давления технологической щепы на днище и стенки бункера. Вестник Казанского технологического университета, 2013, т. 16, № 15, с. 42-43.

References