CC BY
3Транспортное машиностроение. 2022. № 09(9). С. 47-54. ISSN 2782-5957 (print) Transport Engineering. 2022. no. 09(9). P. 47-54. ISSN 2782-5957 (print)
Международный открытый форум International open forum
Обзорная статья
Статья в открытом доступе
УДК 621.357.74:76
doi: 10.30987/2782-5957-2022-9-47-54
КОНТАКТНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕЛКОДИСПЕРСНОЙ АБРАЗИВНОЙ СРЕДЫ С ПОВЕРХНОСТЬЮ ОБРАБАТЫВАЕМОЙ ДЕТАЛИ
Владимир Александрович Скрябин1^, Роман Алексеевич Захарченко2, Кристина Алексеевна Абрикосова3
1,2,3 Пензенский государственный университет, Пенза, Россия
1 vs_51@list.ru; https://orcid.org/0000-0001-7156-9198
2 roma.zakharchenko99@mail.ru
3 kristinaabrikosova@gmail.com
Аннотация
Целью исследования является создание аналитических зависимостей при определении технологических режимов силового воздействия незакрепленного шлифовального материала на поверхность обрабатываемой детали. Задачи, решению которых посвящена статья, заключается в создании математических моделей, описывающих воздействие рабочей среды на плоскую поверхностью обрабатываемой детали и численное обоснование вероятности вращения абразивных частиц в плане обеспечения требуемой шероховатости. Методы исследования: теоретические исследования проводились на базе основных положений теории резания материалов, теории шлифования, теории упругости и пластичности, Экспериментальные исследования проводились по стандартным методикам в
производственных и лабораторных условиях с использованием аттестованной контрольно-измерительной аппаратуры. Новизна работы заключается в создании математических моделей при определении давления абразивной среды на обрабатываемую поверхность деталей. Выводы: На основании проведенных исследований показано, что наиболее благоприятные условия для обработки в плане обеспечения заданной шероховатости поверхности будут у деталей, радиальные размеры которых находятся в определенном соотношении с радиальным размером эластичной оболочки установки для финишной абразивной обработки.
Ключевые слова обработка, частицы, шероховатость, модели, величина, давление, исследования.
Ссылка для цитирования:
Скрябин В.А. Контактное взаимодействие мелкодисперсной абразивной среды с поверхностью обрабатываемой детали /В.А. Скрябин, Р.А. Захарченко, К.А. Абрикосова // Транспортное машиностроение. - 2022. - № 9. - С. 47- 54. doi: 10.30987/2782-5957-2022-9-47-54.
Review article Open Access Article
CONTACT INTERACTION OF FINE ABRASIVE MEDIUM WITH THE WORK PIECE SURFACE
Vladimir Aleksandrovich Scryabin1H, Roman Alekseevich Zakharchenko2, Kristina Alekseevna Abrikosova3
',2,3 Penza State University, Penza, Russia
1 vs_51@list.ru; https://orcid.org/0000-0001-7156-9198
2 roma.zakharchenko99@mail.ru
3 kristinaabrikosova@gmail.com
Abstract
The study objective is to make analytical dependencies in finding the operating modes of the force action of loose grinding material on the surface of the ©Скрябин В.А., Захарченко Р.А., Абрикосова К.А., 2022
work piece. The tasks to which the paper is devoted are to make mathematical models describing the effect of the working medium on the flat work piece surface and
the numerical justification of the probability of abrasive particles rotation for ensuring the required roughness. Research methods: theoretical studies are carried out on the basis of theoretical provisions of cutting materials, grinding, elasticity and plasticity. Experimental studies are carried out according to standard methods in production and laboratory conditions using certified equipment. The novelty of the work is in developing mathematical models for determining the
pressure of the abrasive medium on the surface of the parts to be machined. Conclusions: based on the conducted studies, it is shown that the most favorable conditions for machining in terms of ensuring a given surface roughness will be for parts with radial dimensions in a certain ratio with the radial size of the elastic shell of the tool for finishing abrasive treatment.
Keywords: treatment, particles, roughness, models, value, pressure, research.
Reference for citing:
Scryabin VA, Zakharchenko RA, Abrikosova KA. Contact interaction offine abrasive medium with the work piece surface. Transport Engineering. 2022; 9:47 - 54. doi: 10.30987/2782-5957-2022-9-47-54.
Введение
Исследование процессов, протекающих в зоне контакта зерен инструмента с обрабатываемым материалом, является весьма актуальной задачей, так как знание механизма образования обрабатываемой поверхности позволяет прогнозировать качество поверхности детали. Ввиду того, что обработка незакрепленным абразивом является процессом массового микрорезания отдельными абразивными зернами, то направление исследований определялось закономерностью резания единичным зер-
ном, что позволило значительно упростить анализ явлений, протекающих при данном способе финишной обработки [1-4].
В связи с этим целью исследования является разработка и обоснование аналитических зависимостей для расчета режимов и параметров контактного взаимодействия мелкодисперсной абразивной среды с поверхностью деталей для обеспечения требуемой шероховатости обработанной поверхности.
Материалы, модели, эксперименты и методы
Процессы воздействия абразивных частиц на поверхность детали связаны с моделированием формы самих частиц и их режущих элементов [1-4]. Исследования показали, что все они моделируются в первом приближении эллипсоидом вращения. Результаты экспериментов показали их хорошую сходимость с эллипсоидом вращения (рис. 2).
Формы режущих элементов незакрепленных частиц приведен на рис. 1. При диспергировании материала с поверхности обрабатываемой детали, доминирующее значение принадлежит микровыступам и субмикро-выступам поверхности абразивных частиц [3, 4].
В работах [1-6] установлено, что при обработке деталей статически уплотненной мелкодисперсной абразивной средой с увеличением ее давления на обрабатываемую поверхность, при неизменности остальных параметров, интенсивность воздействия рабочей среды может, как увеличиваться, так и уменьшаться.
/
I
1
__2а_J
Рис.1. Форма абразивной частицы: a и c - полуоси эллипсоида вращения, hм - высота выступа микрорельефа, hoM - высота выступа субмикрорельефа, tM - средний шаг выступов микрорельефа,
^м - средний шаг выступов субмикрорельефа Fig.1. The shape of the abrasive particle: a and c are
the semi axes of the ellipsoid of rotation, hm is the height of the micro reliefprojection, hcm is the height of the submicroreliefprojection, tm is the average
pitch of the micro reliefprojections, tcm - the average pitch of the projections of the sub-microrelief
Следует отметить, что способ обработки плоских поверхностей деталей [7] уплотненной мелкодисперсной средой отличается простотой и доступностью. При этом широкий диапазон изменения технологических параметров процесса обеспечивает возможность его использования для обработки деталей из самых различных материалов и самой различной формы [14].
Установка (рис. 2) содержит корпус
1, эластичную цилиндрическую оболочку
2, две крышки для крепления эластичной оболочки 3 и 4, уплотнения окон входа-
выхода деталей 5 и 6, стакан 7, в котором размещаются уплотнения, две прижимные крышки 8 и 13, редукционный пневмокла-пан 12 с манометром, соединенный с питающей пневмосетью, оправку для установки детали 9 с креплением 10 и кулачковый механизм 11, задающий детали возвратно-поступательное движение с остановками в конце каждого хода [13]. Вся установка жестко закреплена на столе вертикально-сверлильного станка и соединена с его шпинделем. Частота вращения выходного вала двигателя станка п достигает 1000 мин-1.
Рис. 2. Установка для камерной абразивной обработки плоских
поверхностей деталей Fig.2. Installation for chamber abrasive treatment of flat surfaces
of parts
Работа схемы установки осуществляется следующим образом. Образец детали с плоскими поверхностями помещают внутрь рабочей емкости установки, после чего туда засыпают абразивную среду, устанавливают стакан с уплотнением и закрывают верхней крышкой 8. Затем обрабатываемую деталь соединяют со сменным
кулачковым механизмом и устанавливают необходимое давление воздуха, подаваемого из пневмосети, при помощи редукционного пневмоклапана. Давление воздуха фиксируется по показаниям манометра. Обработка происходит при сообщении детали возвратно-поступательного движения [13].
Паз цилиндрического кулачка спрофилирован таким образом, что продолжительность остановки в конце каждого хода составляет 0,15 • г , где Тд.х. - время
двойного хода детали. Конструкция установки допускает регулирование времени двойного хода путем изменения частоты вращения кулачка, который жестко связан со шпинделем станка. Регулирование производится при помощи коробки скоростей [13], а также путем использования сменных шкивов в приводе вертикально-сверлильного станка модели 2А135.
Увеличение интенсивности контактирования рабочей среды с деталью объясняется увеличением давления. Уменьшение интенсивности воздействия рабочей среды на деталь является следствием того, что с увеличением давления увеличивается вероятность поворота абразивных частиц относительно поверхности обрабатываемой детали, которая резко влияет на производительность и качество процесса абразивной обработки.
В соответствии с работами [8,9] радиальное перемещение абразивной среды определяя-ется по следующим зависимостям:
U = 1
Е
(1 _ V)CR _ (1 + v)ql
се = C _ Ci ,
(1)
где и - радиальное перемещение абразивной среды; ^-модуль упругости; V - коэффициент Пуассона; Я - текущее значение радиуса;- произвольные постоянные; оя, ое - радиальная и окружная компоненты напряжений соответственно.
Постоянные С и О определяются
как:
1. (Оя )я=я = Р , где Я - наружный радиус уплотненного абразивного слоя (радиус эластичной оболочки камеры устройства), м; Р - давление, приложенное к эластичной оболочке камеры устройства, МПа.
Условие 1 означает, что на поверхности контакта обрабатывающей среды с внутренней поверхностью эластичной оболочки давление равно давлению, при-
кладываемому к внешней поверхности эластичной оболочки сжатым воздухом.
2. и я=я = 0,
где Я2 - радиус детали, мм.
Нулевое значение свидетельствует о том, что на поверхности контакта обрабатывающей среды с поверхностью детали перемещение среды не происходит.
При наличии на поверхности детали плоских участков [10,11], профиль обрабатываемой детали представляется в первом приближении как часть дуги окружности достаточно большого радиуса (рис. 3).
\
Рис. 3. Профиль обрабатываемой детали
Fig. 3. Profile of the processed part
Радиус Ri определяется по следующей зависимости:
Rs , (2)
2 sin ф1
где L - длина плоского участка детали, м; ф1 -угол, град.
По справочным данным [11]:
1 Кр
где Ккр - кривизна плоского участка (изменяется в диапазоне 0,05...0,001).
При использовании вышеуказанных условий для определения произвольных постоянных имеем [12]:
C = P
1 --
R2
(1 + v)R 2
R2
(1 _ v)
Ci = P
R12 R2
R22
(1 + v) (1 _ v)
R2
(3)
(4)
C учетом (3) и (4) компоненты напряжений можно определить как:
о - = Р
*22
1 —
1 - -Я2
2
2 /
—2 +
(1 + V) (1 - V)
Я12
(5)
о0 = Р
Я2
1—
1 -
2 Л
2 J
(1+V)-R2
—
(1 - V)
(6)
Осевая компонента определяется по зависимости следующим образом [12]:
О^ЧОг+'О (7)
Подставив (2), (5) и (6) в формулу (7) в результате несложных математических преобразований, получим:
о7 = 2Pv
1 --
¿2
¿2 + (1+^. я12 .481П2 ф1
(1 - V)
Нормальное давление, действующее непосредственно на поверхность детали,
можно получить из формулы (6) при R =
R2:
Р2 (оЯ )-=-2 Р
1 -
Ь - Я2 4 81112
Ь2
(1 + V)
(1 - V)
Я^т2 $
В результате перемещения детали то возникает момент сил, стремящийся повернуть абразивную частицу вокруг ее осей. Чем больше глубина ее внедрения в поверхность детали, тем больше величина момента, стремящегося повернуть эту частицу и тем больше вероятность того, что абразивная частица будет проворачиваться относительно поверхности детали. Чем больше глубина ее внедрения в поверхность детали, тем больше величина момента, стремящегося повернуть эту частицу и тем больше вероятность того, что абразивная частица будет проворачиваться относительно поверхности детали. Этому противодействует моменты сил, связанные с увеличение окружной и осевой компонент напряжений, удерживающие абразивную частицу от поворота. В результате прочность закрепления абразивных частиц в рабочей среде увеличивается.
Результаты
В результате проведенных многочисленных исследований наиболее благоприятные условия обработки будут иметь детали, радиальные размеры которых находятся в определен-ном соотношении с радиальными размерами эластичной оболочки камеры установки. Соотношение приведенных радиусов эластичной оболочки и детали должно находиться в диапазоне [4,8,9]:
п
0,20 < -1 < 0,32.
Я2
Момент сил, удерживающий абразивную частицу от проворота, может быть определяется как:
7
М = - ( О0 + о г)/К,
где Z - зернистость абразива равная 2a по оси эллипсоида вращения в мм (см. рис. 1); fa - коэффициент межчастичного трения
абразивных частиц (согласно исследованиям [12] этот коэффициент составляет 0,213, причем для используемых давлений эта величина является постоянной); ^ - коэффициент, характеризующий неучтенные параметры, влияющие на прочность закрепления абразивных зерен в конкретной обрабатывающей среде.
Момент сил, поворачивающий абразивное зерно, может быть определен следующим образом:
7
М 2 = -Р2/д К,
где ^ - коэффициент, определяющий момента поворота, причем ^ ^ K2; fд - коэффициент трения абразивной частицы с поверхностью детали.
Введем обозначение Kl./K2=K [14]. Значение коэффициента K экспериментально может быть определено при X = 1.
В работе [1-4] экспериментально было определено значение коэффициента К. Его численная величина составила 0,03.
При вводе следующих обозначений получим следующее соотношение двух моментов:
М1 / М2 = Я.
Как показали результаты многочисленных исследований при Я <1 абразивные частицы, контактирующие с поверхностью детали, будут проворачиваться, при Я = 1 абразивные частицы будут нахо-
Заключение
Получены математические модели для расчета давления статически уплотненного шлифовального материала на обрабатываемую поверхность деталей с учетом вероятности поворота абразивных частиц относительно нее в плане обеспечения заданной шероховатости поверхности детали.
Предлагаемые математические модели для определения режимных параметров и методика абразивного воздействия незакрепленной уплотненной обрабатывающей среды на поверхность детали дают достаточно полное представление о возможных взаимодействиях абразивных частиц с поверхностью при формировании на ней требуемой шероховатости и могут быть использованы для определения основных технологических режимов процесса обра-
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Скрябин В.А. Основы процесса субмикрореза-ния при обработке деталей незакрепленным абразивом. Монография. Пенза: Изд-во ПВАИУ, 1992. 120 с.
2. Рыбаков Ю.В. Повышение эффективности отделочной обработки деталей типа дисков и кулачков уплотненной абразивной средой: диссертация ... кандидата технических наук: 05.02.08: защищена 03.10.02: утв. 11.03.03/ Рыбаков Юрий Владимирович. Пенза, 2002. 220 с. Библиогр.: С.167-179.
3. Мартынов А.Н. Основы метода обработки деталей свободным абразивом, уплотненным инерционными силами. Саратов: Изд-во: Саратовский ГТУ, 1981. 212 с.
4. Скрябин В.А., Схиртладзе А.Г. Технологическое обеспечение качества обработки сложно-профильных деталей уплотненными мелкодисперсными средами. Монография. Старый
диться в неустойчивом состоянии и при Я > 1 поворот абразивных частиц будет исключен.
Если Я < 1, то получить требуемую шероховатость поверхности при конкретных параметрах процесса не представляется возможным. Если Я > 1, то возможно получение требуемой шероховатости поверхности при давлении абразивного слоя на поверхности детали в диапазоне Р2 = 0,05 - 0,2 МПа.
ботки поверхностей деталей мелкодисперсными абразивными средами.
На основании полученных математических моделей и результатов проведенных экспериментальных исследований показано, что наиболее благоприятные условия для обработки в плане обеспечения шероховатости поверхности будут у деталей, радиальные размеры которых находятся в определенном соотношении с радиальным размером эластичной оболочки установки для финишной абразивной обработки. Кроме того, соотношение моментов сил, удерживающих абразивную частицу от проворота и стремящихся повернуть абразивную частицу значительно влияют на величину конечной шероховатости поверхности.
Оскол: Тонкие наукоемкие логии, 2015. 240 с. ISBN 978-5-94178-4653.
5. Skhirtladze A.G., Skryabin V.A. Technology of Repairing Abrasive Tools. Russian Metalurgy (Metally). 2017;13:1176-1181. URL: https ://wwwresearchgate.net/publication/3 24 131551_Technology_of_Repairing_Abrasive_ Tools.
6. Skriabin V.A. Treatment of Productsof Polimeric Materials. Polimer Science, Series D. 2016;9(3):331-337.
URL: https ://www. springer. com/-j ournal/12260.
7. Skriabin V.A., Zverovshchikov A.E., Zotov E.V. Brittle Fracture of a Material upon Microcutting of the Workpiece Surface by the Microrelief Pro-trsions of Loose Abrasive Grains. Rusian Metalurgy (Metally). 2018;13:1176-1181. URL: https://elib.pnzgu.ru/files/eb/00kRsl0rb9AV.pdf. D0I:10.1134-/S0036029518130220.
8. Тимошенко С.П., Гудьер Ж. Теория упругости. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит, 1985. 576 с.
9. Мусхелишвили Н.И. Некоторые основные задачи математической теории упругости. М.: Изд-во АН СССР, 1954. 648 с.
10. Скрябин В.А., Чернышева О.В. Контактные взаимодействия мелкодисперсной обрабатывающей среды с поверхностью плоских деталей при камерном способе абразивной обработки. Машиностроитель. 2005;8:43 - 46.
11. Бронштейн И.Н., Семендяев Г.А. Справочник по математике. М.: Гл. ред. физ. -мат. лит., 1986. 544 с.
12. Жданович Г.М. Теория прессования металлических порошков. М.: Изд-во Металлургия, 1969. 264 с.
REFERENCES
1. Scryabin VA. Fundamentals of submicrocutting when machining parts with loose abrasive: monograph. Penza: Publishing House of PAEI; 1992.
2. Rybakov YuV. Improving the efficiency of finish machining of parts such as discs and cams with a compacted abrasive medium [dissertation]. [Penza (RF)]: Penza State University; 2002.
3. Martynov AN. Methodological fundamentals of machining parts with a loose abrasive compacted by inertial forces. Saratov: Publishing house of Saratov State Technical University; 1981.
4. Scryabin VA, Skhirtladze AG. Technological quality support of machining complex profile parts with compacted fine media: monograph. Stary Oskol: Naukoemkie Technologii; 2015.
5. Skhirtladze AG, Skryabin VA. Technology of Repairing Abrasive Tools [Internet]. Russian Metalur-gy (Metally). 2017;13:1176-1181. Available from: https ://wwwresearchgate.net/publication/3 2413155 1_Technology_of_Repairing_Abrasive_ Tools.
6. Skryabin VA. Treatment of Products of Polimeric Materials [Internet]. Polimer Science, Series D. 2016;9(3):331-337. Available from: https ://www. springer. com/-j ournal/12260.
7. Skryabin VA, Zverovshchikov AE, Zotov EV. Brittle Fracture of a Material upon Microcutting of the Workpiece Surface by the Microrelief Protrsions of Loose Abrasive Grains [Internet]. Rusian Metalur-
Сведения об авторах:
Скрябин Владимир Александрович - доктор технических наук, профессор Пензенского государственного университета, 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40, тел. +79603202596, e-mail: vs_51@list.ru; Author ID по Scopus-66036685168, Author ID no РИНЦ-7875-5830, Researcher ID - R-2385-2018.
Scryabin Vladimir Aleksandrovich, Doctor of Technical Sciences, Professor of Penza State University; 40, Krasnaya Str., Penza, 440026, Russia; phone:
13. Пименова О.В. Повышение качества финишной обработки основы и хромовых покрытий при восстановлении деталей сельскохозяйственной техники: специальность 05.20.03. «Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве»: дис. на соискание ученой степени канд. техн. наук / Пименова Оксана Владимировна; Пензенская государственная сельскохозяйственная академия. Пенза, 2007. 155 с.
14. Скрябин В.А. Совершенствование технологии финишной обработки уплотненными мелкодисперсными абразивными средами плоских поверхностей деталей. Техника машиностроения. 2015;22(3(95)):2-12.
gy (Metally). 2018;13:1176-1181. Available from:
https://elib.pnzgu.ru/files/eb/OOkRsl0rb9AV.pdf.
DOI:10.1134-/S0036029518130220.
8. Timoshenko SP, Gudyer Zh. Theory of elasticity. Moscow: Nauka; 1985.
9. Muskhelishvili NI. Some basic problems of the mathematical theory of elasticity. Moscow: Publishing House of the USSR Academy of Sciences; 1954.
10. Scryabin VA, Chernysheva OV. Contact interactions of fine-dispersed machining medium with the surface of flat parts in the chamber method of abrasive treatment. Machinostroitel. 2005;8:43 - 46.
11. Bronstein IN, Semendyaev GA. Handbook of Mathematics. Moscow: Glavnaya Redaktsiya Phys-ico-matematicheskoy Literaturi; 1986.
12. Zhdanovich GM. Theory of pressing metal powders. Moscow: Publishing House Metallurgiya; 1969.
13. Pimenova OV. Improving the quality of finish machining of the base and chrome coatings during the restoration of agricultural machinery parts [dissertation]. [Penza (RF)]: Penza State Agricultural Academy; 2007.
14. Scryabin VA. Improving the technology of finishing with compacted fine abrasive media of flat surfaces of parts. Tekhnika Machinostroeniya. 2015;22(3(95)):2-12.
Захарченко Роман Алексеевич, студент Пензенского государственного университета, 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40, тел. +89521952894, roma.zakharchenko99@mail.ru. Абрикосова Кристина Алексеевна, студентка Пензенского государственного университета, 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40, тел. +79648652885, kristinaabrikosova@gmail.com.
+79603202596, e-mail: vs_51@list.ru; Author ID for Scopus-66036685168, Author ID for RSCI-7875-5830, Researcher ID - R-2385-2018.
Zakharchenko Roman Alekseevich, Student of Penza State University; 40, Krasnaya Str., Penza, 440026, Russia; phone: 89521952894,
roma.zakharchenko99@mail.ru.
Abrikosova Kristina Alekseevna, Student of Penza State University; 40, Krasnaya Str., Penza, 440026, Russia; phone: +79648652885,
kristinaabrikosova@gmail.com.
Вклад авторов: все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Contribution of the authors: the authors contributed equally to this article.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. The authors declare no conflicts of interests.
Статья опубликована в режиме Open Access. Article published in Open Access mode.
Статья поступила в редакцию 01.05.2022; принята к публикации 25.08.2022.
The article was submitted to the editorial office on 01.05.2022; accepted for publication on 25.08.2022.
