CC BY
9
УДК 621.923.01
ОСОБЕННОСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ ОБРАБОТКИ АБРАЗИВНЫМ ПОТОКОМ СРЕДОЙ ВЫСОКОЙ ВЯЗКОСТИ
О. В. Литовка Научный руководитель - В. А. Левко
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газеты «Красноярский рабочий», 31
*E-mail: litovka.9518@gmail.com
В практике мирового производства ракетно-космической техники все большее применение находит такой нетрадиционный метод финишной обработки, как обработка абразивным потоком. Моделирование этого процесса сопряжено с рядом сложностей. Применение неупругих уравнений Навъе-Стокса для ненъютоновских сред дает хорошие результаты при моделировании обработки средами низкой вязкостью. Для моделирования обработки абразивным потоком средой высокой вязкости нами рассмотрены особенности этого процесса.
Ключевые слова: обработка абразивным потоком, моделирование, среда высокой вязкости, абразивная цепочка.
FEATURES OF MODELING OF ABRASIVE FLOW MACHINING BY HIGH VISCOUS MEDIA
O. V. Litovka Scientific supervisor - V. A. Levko
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation
*E-mail: litovka.9518@gmail.com
In the practice of world production of rocket and space technology, such an unconventional finishing method as abrasive flow machining finds more and more application. Modeling of this process involves a number of difficulties. The use of inelastic Navier-Stokes equations for non-Newtonian media gives good results when modeling processing with low viscosity media. To simulate abrasive flow treatment with a high viscosity medium, we considered the features of this process.
Keywords: abrasive flow machining, modeling, high viscosity medium, abrasive chain.
В практике мирового производства ракетно-космической техники все большее применение находит такой нетрадиционный метод финишной обработки, как обработка абразивным потоком (abrasive flow machining (AFM)). В нашей стране этот метод известен как абразивно-экструзионная обработка [1] или экструзионное хонингование [2]. Основу рассматриваемого метода положил способ экструзионного хонингования или абразивной обработки внутренней поверхности, разработанный в США в 60-х годах XX века [3].
Процесс заключается в экструзии под давлением через обрабатываемую деталь потока абразивной среды. Среда представляет собой полимерную основу, наполненную мелкодисперсными абразивными частицами. При течении таких сред в них возникают не только касательные, но и нормальные напряжения, обеспечивая контактные взаимодействия между
Секция «Технологические и мехатроииые системы в производстве ракетно-космической техники»
абразивными частицами рабочей среды и микронеровностями поверхностного слоя обрабатываемой детали. К настоящему времени выделились четыре схемы процесса AFM: двухсторонняя обработка (two-way AFM) и односторонняя обработка (one-way AFM) сквозных каналов и наружных поверхностей в закрытых камерах; обработка несквозных полостей с наложением вибрации (orbital AFM) и обработка микроотверстий (micro AFM) [4].
Для обработки микроотверстий применяют рабочие среды малой вязкости, в основу которых взяты низкомолекулярные жидкости. Для остальных видов обработки абразивным потоком применяют рабочие среды со средней и высокой вязкости.
Критический анализ современного состояния AFM показал, что этот вид обработки используется для финишной обработки различных материалов. С его помощью обеспечивается надежная, равномерная, повторяемая и точная отделка поверхности с удалением очень небольшого слоя материала [5]. Процесс AFM является сложным. При его реализации возникает целый ряд физических явлений, влияющих на качество и производительность обработки. Для его внедрения в производство сложных деталей необходимо провести большой объем экспериментальных исследований [6].
Моделирование процесса AFM позволит существенно сократить затраты на его внедрение в производство. Есть целый ряд, работ направленных на решение этой проблемы. Применение неупругих уравнений Навье-Стокса для неньютоновских сред дает удовлетворительные результаты при моделировании обработки абразивным потоком рабочими средами малой вязкости [7, 8]. Проявление упругих деформаций в потоке задается введением индекса течения. Однако такой подход не решает проблем моделирования процесса обработки абразивным потоком, особенно средами с высокой вязкостью.
О существенном влиянии нелинейной зависимости вязкоупругих свойств рабочей среды на абразивный поток было отмечено при осуществлении компьютерного моделирования процесса обработки абразивным потоком [9].
Исследования отделки абразивным потоком сложных деталей с использованием метода конечных элементов, построенных на использовании уравнений Навье-Стокса, показало, что теоретическая зависимость производительности съема металла от давления рабочей среды качественно имеет ту же тенденцию, что и экспериментальная зависимость. Однако в количественном отношении между этими показателями есть существенные отклонения [10].
Для приближения результатов моделирования к экспериментальным данным было предложено использовать обобщенную модель Максвелла и стационарных неупругих уравнений Навье-Стокса [11]. Однако и при этом подходе остается необходимость дальнейшего совершенствования данной модели из-за существенного расхождения расчетных и экспериментальных скоростей и давлений потока рабочей среды. Визуальные исследования процесса AFM установили, что при обработке в потоке рабочей среды отдельные абразивные зерна перемещаются по линиям тока. При этом наблюдался эффект образования силовых абразивных цепочек [12], тем самым экспериментально подтверждая ранее выдвинутое предположение об образовании таких цепочек при обработке абразивным потоком [13]. Таким образом, появление составляющих силы резания, действующей на единичное абразивное зерно, обусловлено касательными и нормальными напряжениями потока рабочей среды.
Структура рабочей среды влияет на ее вязкость, а следовательно, и на технологические режимы обработки [14]. Для моделирования процесса обработки абразивным потоком средами высокой вязкости необходимо представить поток рабочей среды в виде набора линий тока, в каждой из которых формируется силовая абразивная цепочка. Рассматривая деформации таких цепочек, а также взаимодействия между этими цепочками, можно рассчитать поле распределения скоростей и давлений потока среды.
Имея данные такого распределения, можно провести расчет, используя одну из моделей расчета сил резания при обработке абразивным потоком, например, модель контактных взаимодействий между абразивными зернами рабочей среды и микровыступами обрабатываемой поверхности [15].
Библиографические ссылки
1. Левко В.А. Научные основы абразивно-экструзионной обработки деталей. Красноярск, 2015. 222 с.
2. Сысоев С. К., Сысоев А. С. Экструзионное хонингование деталей летательных аппаратов: теория, исследования, практика: монография / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2005. 220 с.
3. Patent no. 3521412, U.S., ISC B24B 1/00, 19/00. Method of honing by extruding / McCarty R.W. Filed 12.04.1968; published 21.07.1970.
4. Rhoades L. J. Abrasive flow (machining and its use) // Nontraditional Mach: Cont. Proc. Cincinnati, Ohio, 1985. [Metal Park (Ohio)], 1986. P. 111-120.
5. Petare A.C., Jain N.K. A critical review of past research and advances in abrasive flow finishing process //The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2018. Vol. 97. Issue 1. P. 741-782.https://doi.org/10.1007/s00170-018-1928-7
6. Левко В.А. Абразивно-экструзионная обработка. Современный уровень, проблемы и направления развития. Известия Томского политехнического университета. 2006. Т. 309. № 6. С. 125-129.
7. Zhu Li Feng, Wang Kai, Wu Huan, Xiu Dong, Sun Li Zhong. Research on the Methods for Common-Rail Pipe Holes Abrasive Flow Machining // Applied Me-chanics and Materials. 2014. Vol. 721. P. 122-126. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.721.122
8. Wang Tingting, Chen De, Zhang Weihua, An Luling. Study on key parameters of a new abrasive flow ma-chining (AFM) process for surface finishing // The Inter-national Journal of Advanced Manufacturing Technolo-gy. 2019. Vol. 101. Issue 2. P. 39-54. https://doi.org/10.1007/s00170-018-2914-9
9. Computer Modeling of the Abrasive Flow Machining Process. Fletcher A.J., Hull J. B., Mackie J., Trengove S.A. // Surface Engineering. 1990. pp. 592-601. DOI 10.1007/978-94-009-0773-7_59
10. Investigations into abrasive flow finishing of complex workpieces using FEM. Jain V.K., Kumar Rajani, Dixit P.M., Sidpara Ajay. Wear. Vol. 267, Issues 1-4. P. 71-80. http://dx.doi.org/10.1016/j.wear.2008.11.005
11. Uhlmann E., Schmiedel C., Wendler J. CFD Simulation of the Abrasive Flow Machining Process // Procedia CIRP. 2015. Vol. 31. P. 209-214. https://doi.org/10.1016/j.procir.2015.03.091
12. Research the influence finishing canal shape to flow media for abrasive flow machining process. Levko V.A., Lubnin M.A., Snetkov P.A., Pshenko E.B., Turilov D.M. Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета им. академика М.Ф. Решетнева. 2009. № 5(26). С. 93-99.
13. Левко В.А. Модель течения рабочей среды при абразивно-экструзионной обработке тонких осесимметричных каналов большой длины // Вестник Чувашского государственного педагогического университета им. И.Я. Яковлева. Серия: Механика предельного состояния. 2008. № 2. С. 85-94.
14. Левко В.А., Пшенко Е.Б. Влияние состава рабочей среды на технологические режимы абразивно-экструзионной обработки сложнопрофильных деталей. Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета им. академика М.Ф. Решетнева. 2006. № 4(11). С. 64-68.
15. Левко В.А. Расчет шероховатости поверхности при абразивно-экструзионной обработке на основе модели контактных взаимодействий. Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. 2009. № 1. С. 59-62.
© Литовка О. В., 2020
