ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ И КАЧЕСТВО ОБРАБОТКИ ПЛОСКОСТЕЙ ТОРЦЕВЫМИ ПОЛИМЕРНО-АБРАЗИВНЫМИ ЩЕТКАМИ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

обработка материалов резанием

Metal cutting

УДК 621. 923: 621.922 DOI 10.25960/mo.2019.5.3

Производительность и качество обработки плоскостей торцевыми полимерно-абразивными щетками

Ю. В. Димов, Д. Б. Подашев

Рассмотрен процесс обработки плоскостей торцевыми полимерно-абразивными щетками различной зернистости. Исследования проводились экспериментальным методом на торцевых щетках Scotch-Britem BD-ZВ различной зернистости компании 3М.

Установлены закономерности влияния частоты вращения, деформации ворсин щетки и подачи на относительный съем материала и шероховатость обработанной поверхности. Полученные результаты представлены в виде математических зависимостей.

Применение торцевых полимерно-абразивных щеток для финишной обработки плоскостей является целесообразным. В зависимости от требований по параметрам шероховатости на изделие можно эффективно управлять процессом путем изменения режимов резания и зернистости материала щеток.

Ключевые слова: торцевая полимерно-абразивная щетка, съем материала, шероховатость, уравнения регрессии.

Введение

Механизация и автоматизация операций финишной обработки деталей являются актуальными для современного машиностроения. Полимерно-абразивные щетки, как отмечено в работах [1—4], являются весьма эффективными инструментами для финишной обработки поверхностей и кромок деталей.

Цель работы — установить закономерности влияния параметров обработки торцевыми полимерно-абразивными щетками на производительность процесса и шероховатость обработанной поверхности.

Исследование производительности обработки плоскостей полимерно-абразивными щетками и качества обработанной поверхности позволит при проектировании технологического процесса обоснованно выбрать оборудование для финишной операции или дать рекомендации по проектированию специального оборудования.

Результаты и их обсуждение

Одним из способов финишной обработки плоскостей в целях уменьшения шероховатости, например, под гальванические и лакокрасочные покрытия является обработка торцевыми полимерно-абразивными щетками.

Для исследования использовали торцевые щетки Scotch-Brite™: BD-ZB Bristle Р50, BD-ZB Bristle Р80, BD-ZB Bristle Р120 0115 мм — компании 3М (Minnesota Mining and Manufacturing Company) с зернистостью Р50, Р80 и Р120. Щетка содержит 540 ворсин, расположенных в 36 рядах, в каждом ряду по 15 ворсин, длина ворсины 20 мм (рис. 1).

Экспериментальные исследования проводились на универсально-фрезерном станке 675 на следующих режимах:

• частота вращения круга n = 500, 1000, 1250, 1600 об/мин;

• подача (попутная) S = 82, 130, 255, 395 мм/мин;

МЕМППООБРАБОТКА

Q =

gl - g2 yblT

Рис. 1. Торцевая щетка BD-ZB Bristle

Fig. 1. End brush BD-ZB Bristle

• радиальная деформация круга Dy — 0,5; 1,0; 1,5; 2,0 мм.

На указанных режимах были проведены эксперименты по обработке образцов из алюминиевого сплава B95n4T2 длиной l = 100 мм и шириной b = 20 мм.

В качестве показателя производительности процесса использован относительный съем (мкм/мин)

где у = 2,85 • 10-3 г/мм3 — плотность для материала В95пчТ2; T — время обработки, мин, Т = 1/S; gi и g2 — масса образца до и после обработки соответственно, г.

Массу образцов измеряли на электронных весах с точностью 0,1 мг. Для получения частных зависимостей (поиска коэффициентов регрессии) применяли пакет Microsoft Excel, в котором предусмотрена возможность поиска уравнений регрессии методом наименьших квадратов (НК-метод).

Установлено, что относительный съем с увеличением деформации растет, что можно видеть по рис. 2, а. Это объясняется тем, что с увеличением деформации растет вертикальная составляющая силы, а следовательно, увеличивается глубина внедрения единичных зерен в обрабатываемый материал (табл. 1.) С увеличением зернистости круга съем материала возрастает. Это объясняется тем, что количество зерен, находящихся в контакте с поверхностью, зависит от зернистости. Чем крупнее зерно, тем меньше количество зерен в сечении ворсины, а значит, они внедряются в материал глубже и съем материала идет интенсивнее.

На рис. 2, b приведены зависимости относительного съема от частоты вращения щетки. Установлено, что относительный съем ма-

а)

Q, мкм/мин

b)

Q, мкм/мин

С)

Q, мкм/мин

80 60 40 20

>

/

/

A 0

O* / 3

80 60 40 20

N

2 1

г У*

< • 3

80 60 40 20

1

2 jb-

A

» _

3

0,5

1,5 Ду, мм

500

1000 1500 n, об/мин

100

200

300 S, мм/мин

Рис. 2. Зависимость относительного съема материала Q: а — от деформации Dy при n = 1000 об/мин, S = = 130 мм/мин; b — от частоты вращения n при Dy = 1,5 мм, S = 130 мм/мин; c — от подачи S при Dy = 1,5 мм, n = 1000 об/мин:

1 — BD-ZB Р50; 2 — BD-ZB Р80; 3 — BD-ZB Р120

Fig. 2. Dependency of relative material removal Q: a — of deformation Dy at n = 1000 rot/min, S = 130 mm/min; b — of frequency of rotation n at Dy = 1,5 mm, S = 130 mm/min; c — of feeding S at Dy = 1,5 mm, n = 1000 rot/min: 1 — BD-ZB Р50; 2 — BD-ZB Р80; 3 — BD-ZB Р120

0

0

0

1

ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ

MET^flOObPAbJTKÂ

Таблица 1

Влияние силы резания на производительность процесса обработки плоскостей торцевыми щетками BD-ZB различной зернистости

Table 1

Influence of cutting force on productivity of processing process of surfaces by end forces BD-ZB of different gradation

Режимы обработки Рх, H PY, H Pz, H Съем материала щетками Q, мкм/мин

n, об/мин Ду, мм S, мм/мин BD-ZB Р50 BD-ZB Р80 BD-ZB Р120

500 1,5 130 65,12 151,76 23,53 23,27 9,98 9,69

1000 80,02 180,01 33,00 53,07 30,93 25,24

1250 94,98 190,76 37,61 66,66 41,39 29,26

1600 124,30 202,03 43,91 84,21 56,02 30,70

1000 0,5 130 49,52 121,01 25,93 2,92 0,99 2,04

1 63,52 148,01 30,73 26,19 15,08 16,31

1,5 80,02 180,01 33,13 53,07 30,93 25,24

2 99,02 217,01 34,94 83,58 48,54 28,82

1000 1,5 82 77,56 178,19 26,69 49,72 24,25 23,96

130 80,02 180,01 33,00 53,07 30,93 25,24

255 84,93 184,74 46,85 60,51 48,09 27,90

395 87,83 190,05 57,91 66,62 66,95 29,78

териала с увеличением скорости растет. Это объясняется тем, что с увеличением скорости растет динамическая составляющая силы удара абразивного зерна по обрабатываемой поверхности.

С увеличением подачи относительный съем материала увеличивается (рис. 2, с), что связано с ростом сил резания (табл. 1).

Заключение о значимости или незначимости влияния рассматриваемого фактора на исследуемый выходной параметр получено

с использованием критерия Фишера. Если 2 2

^ = ^л/В о > ^0,95, то фактор значимо влияет на исследуемую величину.

1

Здесь — дисперсия фактора, 8л =-X

2 ^ - 1

XV к (XI - х) - —; во — дисперсия по всем 1=1 п

уровням фактора, = ^(п _ 1) V¿=1 VП=1

х

— 2

х(х^ - XI) ; ^0,95 — критерий Фишера при доверительной вероятности 0,95.

Заключение о значимости влияния рассматриваемого фактора Ду', п и 8 на величину Q

получено при степенях свободы f = k - 1 = 3 и f2 = k(n - 1) = 8. По справочным данным [6] критерий Фишера -Fq,95 = 4,1.

Доверительные границы определены как ± S0t, где t — квантиль Стьюдента. При количестве степеней свободы 11: t = 2,20 (табл. 2).

По полученным экспериментальным зависимостям съема материала от деформации щетки Dy (мм), частоты ее вращения n (об/мин) и подачи S (мм/мин) проведен регрессионный анализ и получены уравнения регрессии:

Q = афу2 + a,2n2 + a3S2 + a4Dy + (15П + a,6S +

+ a^Dyn + a8DyS + a9nS + a^oDynS + ац. (1)

Значения коэффициентов a^o, и свободного члена a11 приведены в табл. 3.

Отмеченное выше влияние сил резания (по данным работы [5]) на производительность процесса наглядно представлено в табл. 1, в которой значения съема материала Q получены по уравнению (1).

Данные о силах резания приведены в работе [5] для случая обработки образцов из

МЕШПООБРАЙТКА

Таблица 2

Результаты дисперсионного анализа зависимостей величины Q от частоты вращения n, деформации инструмента Ду и подачи S

Table 2

Results of dispersion analysis of dependencies of value Q from rotation frequency n, instrument deformation Ду and feeding S

Марка торцевой щетки Функция S'A, (мкм/мин)2 s0, (мкм/мин)2 F = Si/S0 Значимость влияния фактора Доверительные границы S0t, мкм/мин

Q = f(Dy) 3761,139 1,75 2149,222 ±2,9103

BD-ZB P50 (зеленая) Q = f(n) 2045,639 0,5 4091,278 ±1,5556

Q = f(S) 86,0833 0,58333 147,571 ±1,6803

Q = f(Dy) 1372,472 0,1875 7319,852 ±0,9526

BD-ZB P80 (желтая) Q = f(n) 1474,083 0,5 2948,167 Значимо ±1,5556

Q = f(S) 545,111 2,41667 225,563 ±3,42

Q = f(Dy) 299,464 0,06583 4548,827 ±0,5645

BD-ZB P120 (белая) Q = f(n) 252,75 0,33333 758,25 ±1,2701

Q = f(S) 29,6667 0,5 59,333 ±1,5556

материала В95пчТ2 всей шириной щетки. Различие в ширине образцов при исследованиях производительности процесса и сил резания не препятствует установлению влияния сил резания на интенсивность съема

Таблица 3

Значения коэффициентов и свободного члена (1)

Table 3

Meaning of coefficients and absolute term (1)

материала в зависимости от режимов обработки.

С увеличением всех составляющих силы резания (Р^, РY и Рг) съем материала растет на щетках всех зернистостей. Это хорошо видно на зависимостях съема от нормальной составляющей силы РY (рис. 3), построенных по всем данным, приведенным в табл. 1.

Q, мкм/мин

Коэффициент Щетка

BD-ZB Р50 BD-ZB Р80 BD-ZB Р120

a1 7,243 3,524 -10,688

a2 -7•10-6 -7•10-8 -2 •10-5

a3 -6 •10-5 -1•10-5 -3•10-5

a4 35,669 22,887 44,576

a5 0,0701 0,042 0,0611

a6 0,0826 0,1412 0,0329

a7 1 • 10-9 1 •10-9 1 • 10-9

a8 -2 • 10-9 -2 • 10-9 -2 •10-9

a9 5 • 10 11 5 • 10 11 5 • 10 11

a10 2 • 10 11 2 • 10 11 2 • 10 11

a11 -89,55 -71,45 -62,45

80

60

40

20

0

120 140 160 180 200 РY, H

Рис. 3. Зависимость съема материала от силы резания для щеток:

1 — BD-ZB Р50; 2 — BD-ZB Р80; 3 — BD-ZB Р120

Fig. 3. Dependency of material removal of cutting force for brushes:

1 — BD-ZB Р50; 2 — BD-ZB Р80; 3 — BD-ZB Р120

ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ

МЕТ^ЛООЬРАБЛТКА

По этим данным можно констатировать, что при заданной зернистости щетки съем материала зависит только от силы резания.

Шероховатость обработанной поверхности

Исследовано влияние деформации щетки, частоты ее вращения, подачи и зернистости на продольную и поперечную шероховатость обработанной поверхности по параметру Яа. Шероховатости измеряли на профилометре модели 283 завода «Калибр».

Установлено (рис. 4), что поперечная шероховатость с увеличением деформации щет-

ки растет. Это объясняется тем, что с увеличением деформации растет нормальная к поверхности составляющая силы (табл. 4), а следовательно, увеличивается глубина внедрения единичных зерен в обрабатываемый материал.

С увеличением частоты вращения щетки (рис. 5) поперечная шероховатость растет. Это объясняется тем, что с увеличением скорости растет центробежная составляющая силы удара абразивного зерна по обрабатываемой поверхности.

Влияние нормальной к поверхности составляющей силы резания на поперечную шероховатость при различных режимах резания хорошо видно по данным табл. 4.

а)

Ra ]

8 6 4 2

0

1,5 Dy, мм

b)Ra п

2 1,5 1

0,5 0

п, мкм

С) Ra п

2 1,5 1

1

1,5 Dy, мм

1,5 Dy, мм

Рис. 4. Зависимость поперечной шероховатости Ra от деформации Dy при n = 1000 об/мин, S = 130 мм/мин для торцевых щеток: а — BD-ZB Р50; b — BD-ZB Р80; c — BD-ZB Р120

Fig. 4. Dependency of transverse roughness Ra from deformation Dy at n = 1000 rot/min, S = 1300 mm/min for end brushes: а — BD-ZB Р50; b — BD-ZB Р80; c — BD-ZB Р120

Таблица 4

Влияние силы резания на шероховатость поверхности при обработке плоскостей торцевыми щетками BD-ZB различной зернистости при S = 130 мм/мин

Table 4

Influence of cutting force for roughness of surface when processing of surfaces with end brushes BD-ZD of different gradation at S = 130 mm/min

мкм

мкм

Режимы обработки Ру, н Поперечная шероховатость Ra поп, мкм Продольная шероховатость Ra прод, мкм

n, об/мин Dy, мм BD-ZB Р50 BD-ZB Р80 BD-ZB Р120 BD-ZB Р50 BD-ZB Р80 BD-ZB Р120

500 1,5 151,76 3,06 1,17 0,95 0,83 0,72 0,64

1000 180,01 4,21 1,60 1,15 1 0,80 0,65

1250 190,76 4,75 1,87 1,21 1,11 0,82 0,65

1600 202,03 5,46 2,31 1,26 1,28 0,84 0,66

1000 0,5 121,01 1,08 0,96 0,95 0,49 0,6 0,60

1 148,01 1,92 1,28 1,06 0,73 0,7 0,62

1,5 180,01 4,21 1,6 1,15 1 0,8 0,65

2 217,01 7,95 1,92 1,21 1,29 0,9 0,68

МЕМППООБРАБОТКА

а) Ra поп' мкм

6 4

b) R

a

2 1,5

500 1000 1500 n, об/мин

500 1000 1500 n, об/мин

c) R

a

1,5 1

0,5 0

0,5

1

1,5 n, об/мин

Рис. 5. Зависимость поперечной шероховатости Ra от частоты вращения n при Ду = 1,5 мм, S = 130 мм/мин для торцевых щеток: а — BD-ZB Р50; b — BD-ZB Р80; c — BD-ZB Р120

Fig. 5. Dependency of transverse roughness Ra from rotation frequency n at Ay = 1,5 mm, S end brushes: а — BD-ZB P50; b — BD-ZB P80; c — BD-ZB P120

130 mm/min for

В результате дисперсионного анализа по методике, рассмотренной выше, установлена значимость влияния параметров обработки (деформации ворсин щетки Ду, частоты вращения п и подачи поперечная шероховатость поверхности от продольной подачи не зависит (табл. 5).

В результате регрессионного анализа установлено, что от продольной подачи поперечная шероховатость не зависит.

По полученным экспериментальным зависимостям поперечной шероховатости от деформации щетки Ду (мм) и частоты ее вращения п (об/мин) получены уравнения регрессии:

Я«поп = Ь\ДУ + ь2п2 + Ь3Ду +

+ Ъ^п + Ъ5Ддуп + Ь6. (2)

Значения коэффициентов а]_5, аб приведены в табл. 6.

На рис. 6 приведены зависимости параметра Яа поп от нормальной составляющей силы Ру, возникающей при различных режимах резания. Линейные зависимости свидетельствуют о прямом влиянии сил на шероховатость обработанной поверхности.

Влияние зернистости материала щеток можно проследить по приведенным на рис. 4-6 и в табл. 4 данным. С уменьшением зернисто-

мкм

мкм

2

0

Таблица 5

Результаты дисперсионного анализа зависимостей величины Ra поп от частоты вращения n, деформации инструмента Ду и подачи S

Table 5

Results of dispersion analysis of dependencies of value Ra поп of rotation frequency n, instrument deformation Ду and feeding S

Марка торцевой щетки Функция ci2 2 Sa, мкм 22 S0, мкм F = SA/S0 Значимость влияния фактора Доверительные границы S0t, мкм

BD-ZB P50 (зеленая) Ra поп = /(ДУ) 18,8431 1,30667 14,4207 Значимо ±2,5148

Ra поп = f(n) 2,94222 0,57417 5,1243 Значимо ±1,667

Ra поп = f(S) 0,58222 0,3375 1,7251 Не значимо —

BD-ZB P80 (желтая) Ra поп = f(Dy) 0,65639 0,10729 6,1179 Значимо ±0,7206

Ra поп = f(n) 0,56743 0,08 7,0928 Значимо ±0,6222

Ra поп = f(S) 0,24743 0,49354 0,5013 Не значимо —

BD-ZB P120 (белая) Ra поп = f(Dy) 0,12688 0,03083 4,1149 Значимо ±0,3863

Ra поп = f(n) 0,095 0,021875 4,3429 Значимо ±0,3254

Ra поп = f(S) 0,12528 0,38667 0,324 Не значимо —

iß^^PAbOTKil

R„

п, мкм

щ

1 L-*

2 А __

• !_- А--

1

120

140

160

180

200

Py, H

Рис. 6. Зависимость поперечной шероховатости от силы резания для щеток:

1 — BD-ZB Р50; 2 — BD-ZB Р80; 3 — BD-ZB Р120

Fig. 6. Dependency of transverse roughness from cutting edge for brushes:

1 — BD-ZB Р50; 2 — BD-ZB Р80; 3 — BD-ZB Р120

сти с Р50 до Р120 параметр Ra поп уменьшается, поскольку с уменьшением зернистости увеличивается количество зерен, находящихся в контакте, и сила на одном зерне уменьшается.

Влияние режимов обработки на продольную шероховатость, т. е. шероховатость, сформированную параллельно направлению движения ворсин щетки, показано в табл. 4. Сопоставление Ra прод по щеткам всех зерни-стостей с силами Ру по табл. 4 показывает, что зависимости продольной шероховатости от силы Ру аналогичны зависимостям Ra поп .

Таблица 6

Значения коэффициентов и свободного члена (2)

Table 6

Meaning of coefficients and absolute term (2)

Коэффициент Щетка

BD-ZB Р50 BD-ZB Р80 BD-ZB Р120

2,9 4 • 10 15 -0,05

b2 -2 •10-7 3 • 10-7 -2 •10-7

Ьз -2,67 0,64 0,295

b4 2,6 • 10-3 4 • 10-4 7 • 10-4

Ъ5 1 • 10-9 1 • 10-9 1 •10-9

Ьб -0,712 -0,06 0,32

Заключение

По результатам исследования можно отметить, что применение торцевых полимерно-абразивных щеток для финишной обработки плоскостей является целесообразным. В зависимости от требований по параметрам шероховатости на изделие можно эффективно управлять процессом путем изменения режимов резания и зернистости материала щеток.

В заключение следует отметить, что полученные в результате исследования данные и уравнения регрессии могут быть эффективно использованы для решения практических задач в производственных условиях.

Литература

1. Абрашкевич Ю. Д., Мачишин Г. М. Эффективная эксплуатация полимерно-абразивной щетки // Вестник Харьковского национального автомобильно-дорожного университета. 2016. Вып. 73. С. 59-62. [Abrashke-vich Yu. D., Machishin G. M. Effective utilization of an abrasive brush / / Bulletin of Kharkov National Automobile Road University. 2016. Vol. 73. P. 59-62.]

2. Пини Б. Е., Яковлев Д. Р. О некоторых технологических возможностях щеток с абразивно-полимерным волокном//Известия МГТУ «МАМИ». 2009. № 1 (7). С. 148-151. [Pini B. E., Yakovlev D. R. About some technological possibilities of brushes with abrasive polymer fibre// News of MSTU "MAMI". 2009. N 1 (7). P. 148-151.]

3. Устинович Д. Ф., Прибыльский В. И. Зависимости мощности от режимов шлифования полимерно-абразивными дисковыми щетками // Механика машин, механизмов и материалов. 2012. № 1 (18). С.75-79. [Ustinovich D. F., Pribylsky V. I. Dependencies of power of modes of grinding by polymer abrasive disc brushes // Mechanics of machines, mechanisms and materials. 2012. N 1 (18). P. 75-79.]

4. Проволоцкий А. Е., Негруб С. Л. Использование полимерабразивного эластичного инструмента на операциях чистовой обработки // Вестник Харьковского национального автомобильно-дорожного университета. 2006. № 33. С. 106-108. [Provolockii A. E., Negrub S. L. Usage of polymerabrasive elastic instrument on operations of finishing process // The messenger of Kharkov national automobile-road university, 2006. N 33. Р. 106-108.]

5. Димов Ю. В., Подашев Д. Б. Силы резания при обработке плоскостей торцевыми полимерно-абразивными щетками // Вестник ИрГТУ. 2018. № 5. С. 28-45. [DimovYu. V., Podashev D. B. Cutting forces in machining of surfaces by polymer abrasive end brushes//The messenger of ISTU. 2018. N 5. P. 28-45.]

6. Пустыльник Е. И. Статистические методы анализа и обработки наблюдений. М.: Наука, 1968. 288 с. [Pustylnik E. I. Statical methods of analysis and reduction of observations. М.: Science, 1968. 288 p.]

6

4

2

0

hflt IHLI/UUKliHIf UI n A

l|» L I^H LL'jJ ü Р^ПН DU

Сведения об авторах

Димов Юрий Владимирович — доктор технических наук, профессор кафедры конструирования и стандартизации в машиностроении, Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, д. 83, e-mail: Dimov-Ura@yandex.ru

Подашев Дмитрий Борисович — кандидит технических наук, доцент кафедры конструирования и стандартизации в машиностроении, Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, д. 83, e-mail: dbp90@mail.ru

Для цитирования: Димов Ю. В., Подашев Д. Б. Производительность и качество обработки плоскостей торцевыми полимерно-абразивными щетками // Металлообработка. 2019. № 5. С. 3-10.

Productivity and quality of processing of surfaces by polymer-abrasive end brushes

Yu. V. Dimov, D. B. Podashev

Process of processing of surfaces by polymer abrasive end brushes of different gradation is considered in the present article. Researches were conducted by experimental method with end brushes of different gradation made by 3М Scotch-Brite™ BD^.

Established are dependencies of influence of frequency of rotation, deformation of brush hairs and feeding for relative material removal and roughness of processed surface. Received results are presented in form of mathematical dependencies. Appliance of polymer abrasive end brushes for final processing pf surfaces is considered reasonable. Depending on requirements of roughness parameters for the article the process can be easily controlled due to cutting modes and gradation of brushes' material.

Keywords: polymer abrasive end brushes, material removal, roughness, regression equation. intact authors

Dimov Yuriy — Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Designing and standardization in mechanical engineering, National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov str., Irkutsk, 664074, Russia, e-mail: Dimov-Ura@yandex.ru

Podashev Dmitriy — Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Designing and standardization in mechanical engineering, National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov str., Irkutsk, 664074, Russia, e-mail: dbp90@mail .ru

For citation: Dimov Yu. V., Podashev D. B. Productivity and quality of processing of surfaces by polymer-abrasive end brushes // Metalloobrabotka. 2019. N 5. P. 3-10.

UDC 621.923: 621.922

DOI 10.25960/mo.2019.5.3