CC BY
44
Серiя: Техшчш науки ISSN 2225-6733
МАШИНОБУДУВАННЯ ТА МЕТАЛООБРОБКА
УДК 621.921
©Андилахай А.А.*
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ АБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ ЗАТОПЛЕННЫМИ СТРУЯМИ
Рассматривается способ абразивной обработки деталей струями сжатого воздуха, затопленными в абразивной суспензии. Теоретически установлена взаимосвязь зернистости абразивного порошка и давления сжатого воздуха перед соплом с производительностью обработки.
Ключевые слова: абразивная обработка, масса зерна, производительность обработки, расчетная схема.
АндЫахай О.О. Теоретичш та експериментальш до^дження продуктивности абразивно! обробки деталей затопленими струменями. Розглядаеться споаб абразивног обробки деталей струменями стисненого повтря, затопленими в абразивног суспензИ Теоретично встановлено взаемозв'язок зернистост1 абразивного порошку i тиску стисненого повтря перед соплом з продуктившстю обробки. Ключовi слова: абразивна обробка, маса зерна, продуктивтсть обробки, розрахун-кова схема.
O. O. Andilahay. Theoretical and experimental studies of the performance of abrasive machining submerged jets. The way of the abrasive machining ofparts with compressed air, submerged in an abrasive slurry. Theoretically, the interrelation of grit abrasive powder or compressed air pressure upstream of the nozzle performance processing. Keywords: abrasion, weight of grain, processing performance, the design scheme.
Постановка проблемы. Зачистная обработка мелкоразмерных деталей всегда вызывала значительные сложности в силу чрезвычайно высокой трудоемкости и относительно низкого качества обработки. Это относится к различным методам обработки, включая и наиболее прогрессивные методы струйно-абразивной обработки, основным недостатком которых является интенсивный износ каналов сопел, через которые прокачивается абразивная суспензия. Поэтому изыскание новых технологических возможностей эффективной обработки мелкоразмерных деталей является актуальной задачей, имеющей большое практическое значение.
Анализ последних исследований и публикаций. В работах [1-3] предложен эффективный метод абразивной обработки мелкоразмерных деталей затопленными струями. Суть метода состоит в том, что через сопла прокачивается только сжатый воздух, а абразивные зерна, находящиеся в абразивной суспензии, присоединяются к струям сжатого воздуха после срезов сопел. Несмотря на значительные потенциальные возможности данного метода, он в настоящее время недостаточно изучен в силу сложности и многообразия протекающих физических процессов. В результате не всегда удается обеспечить требуемые показатели качества и производительности обработки. Поэтому дальнейшее изучение и совершенствование предложенного метода обработки является актуальной и важной задачей.
Цель статьи - определение условий повышения производительности абразивной обработки мелкоразмерных деталей затопленными струями на основе проведения теоретических и экспериментальных исследований.
Изложение основного материала. Аналитически производительность абразивной обработки деталей затопленными струями определяется зависимостью
канд. техн. наук, доцент, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь
Серiя: Технiчнi науки ISSN 2225-6733
Q = 9 , (1)
т
где 9 = N • 9срез - объем материала, удаляемый с поверхностей обрабатываемых деталей за определенное время т , м3;
N = k0 • п - количество микросрезов на обрабатываемых поверхностях деталей, образованных абразивными зернами за время т ;
^ - количество абразивных зерен, участвующих в процессе обработки;
п - количество соударений абразивного зерна с обрабатываемыми деталями за время
т;
9срез - объем материала, удаляемый одним зерном, м3. Для упрощенных расчетов производительности обработки Q параметр 9срез может быть _ т • V2 Г/11
выражен зависимостью 9 =-— [4], а параметр п - зависимостью
2 •а
п = — , (2)
то
где т - масса абразивного зерна, кг;
V0 - скорость движения абразивного зерна в момент соударения с обрабатываемой деталью, м/с;
а - условное напряжение резания (энергоемкость обработки), Н/м2; т0 - время между двумя последующими соударениями абразивного зерна с обрабатываемой деталью, с.
Преобразуем зависимость (1) с учетом переменной скорости движения абразивного зерна до момента его контакта с обрабатываемой деталью. Предположим, что на абразивное зерно массой т на протяжении времени т0 (до момента его контакта с обрабатываемой деталью) со стороны воздушной струи действует постоянная сила Р, и зерно движется равноускоренно с ускорением
а = Р . (3)
т
За время т0 абразивное зерно переместится на величину Н , равную расстоянию от сопла до обрабатываемой детали:
Н = (4)
2
Откуда
^. (5)
а
За это время скорость движения абразивного зерна увеличится от 0 до значения ¥0, определяемого следующей зависимостью
V = а — (6)
Тогда количество соударений п абразивного зерна с обрабатываемыми деталями за определенное время т в соответствии с зависимостями (2) и (6) выразится
п = — • а . (7)
V
0
Объем материала 9 = N • 9срез, удаляемый с поверхностей обрабатываемых деталей за определенное время т, равен
т
9 = ^ • — • а •9срез, (8)
^0
Серiя: Технiчнi науки ISSN 2225-6733
о т • V2 где 9 = 0 сре 2 • а
Тогда
9 = . (9)
2 а
Соответственно, производительность обработки определится
Q = 9 = (10)
т 2 а
Как видно, увеличить производительность обработки Q можно увеличением параметров Р, У0 и уменьшением а . В данном случае все входящие в зависимость (10) параметры в одинаковой степени влияют на производительность обработки Q . В общем случае скорость У0 зависит от условий обработки. Поэтому ее можно аналитически выразить в соответствии с зависимостью (6) с учетом зависимостей (3) и (5):
У0 =л/2На = |2НР . (11)
V т
Исходя из полученной зависимости, увеличить скорость ¥0 можно увеличением параметров Н , Р и уменьшением т . Подставляя зависимость (11) в зависимость (10), имеем
а=—•Е^. (12)
а V 2 • т
В данном случае наибольшее влияние на производительность обработки а оказывает сила Р , обусловленная воздушным напором.
Выразим параметр k0 через общую массу абразивных зерен М = k0 •т. Откуда k0 = М / т . Тогда зависимость (12) примет вид
а=^ jH.iL. (13)
т а ч 2-т
Силу Р можно представить:
Р = р •%• R2, (14)
где р - давление, действующее на абразивное зерно со стороны воздушной струи,
Н/м2;
R - радиус абразивного зерна, м. Массу абразивного зерна выразим зависимостью: т = р •у , где р - плотность абразивного материала, кг/м3;
у = п •В3 /6 - объем абразивного зерна (в форме шара диаметром В = 2• R), м3.
Тогда
пВ3 •р
т =-— . (15)
6
Подставляя зависимости (14) и (15) в (13), имеем
а=(16)
р• В а \1 р • В
Как видно, с увеличением зернистости абразивного порошка ( В ) производительность обработки а уменьшается, что связано с уменьшением количества абразивных зерен k0 , участвующих в процессе обработки.
Как следует из зависимости (10), основной эффект увеличения производительности обработки а состоит в увеличении скорости движения абразивных зерен ¥0, которая, по сути, является функцией всех входящих в зависимость параметров (рис. 1). Поэтому для того, чтобы определить истинные условия повышения производительности обработки а, необходимо знать связь скорости движения абразивных зерен ¥0 с указанными параметрами. В предложен-
Серiя: Технiчнi науки ISSN 2225-6733
ной расчетной схеме удалось учесть лишь часть из них в связи со сложностью математического представления, т.к. процесс обработки обусловлен множеством разнообразных по природе факторов. Поэтому оценить влияние остальных факторов на производительность обработки и другие технико-экономические показатели обработки можно лишь на основе экспериментальных исследований.
Условия повышения производительности обработки _—---1 -----
— Уменьшение условного напряжения резания сс и расстояния от сопла до обрабатываемой детали Н *— Увеличение скорости движения абразивного зерна —► Увеличение количества абразивных зерен, участвующих в процессе обработки к0, и массы абразивного зерна т
Рис. 1 - Структурная схема условий повышения производительности обработки
В процессе предварительных экспериментов установлено, что следы абразивных частиц распределяются по поверхностям полированных контрольных образцов неравномерно: вдоль кромок более плотно, у центров граней - менее плотно. Кроме того, следы отличаются размерами и формой, что затрудняет получение объективной оценки производительности процесса, который может интенсифицироваться не только за счет увеличения количества ударов абразивных частиц, но и за счет силы единичных ударов. Однако в пределах поверхности одного образца подсчет количества равноценных следов на контрольных площадках, ограниченных полем видимости микроскопа, не представляет особой трудности.
Исследование поверхности образцов позволило выявить закономерности изменения интенсивности воздействия частиц по мере приближения к кромкам обрабатываемой детали. На рис. 2 показана связь между плотностью распределения следов абразивных частиц и расстоянием от кромок деталей различной формы и массы. Из графиков видно, что максимальное количество следов частиц для деталей массой от 0,5 до 3,5 г, приходится на кромки, а для деталей большей массы максимум несколько смещен к средней части. Это объясняется тем, что детали с меньшей массой способны противостоять потоку сжатого воздуха, жидкости и абразивного материала только в том случае, когда они ориентированы кромками к соплам, т. е. положением, соответствующим наименьшему лобовому сопротивлению.
Детали с большей массой удерживаются в струйном потоке большее время и ориентируются почти равнозначно сторонами, соответствующими меньшему и большему лобовому сопротивлению. Таким образом, установлено, что для листовых штампованных деталей массой от 0,5 до 3,5 г металлосъем локализуется вдоль кромок, где и расположены заусенцы. В связи с этим удобным критерием с точки зрения простоты контроля, непрерывности роста и чувствительности к воздействию на кромки является величина металлосъема с контрольных образцов в единицу времени. В результате проведенных предварительных экспериментальных исследований (постановочных опытов) установлены основные параметры (факторы), наиболее влияющие на производительность и параметры качества обработки. К ним следует отнести: объем загружаемого абразива, единичную массу деталей, суммарную массу обрабатываемых деталей, объем заливаемой жидкости, зернистость абразивного материала, содержание соды (№2С03) в жидкости.
Экспериментально установлено, что съем металла возрастает при уменьшении единичной и суммарной массы обрабатываемых деталей, объема рабочей жидкости, а также при увеличении объема абразивного материала и концентрации содового раствора. Установленные закономерности имеют следующий физический смысл. Детали с минимальной единичной массой легко разгоняются струей сжатого воздуха и ударяются об обрезиненные стенки рабочей камеры. В момент столкновения между стенкой и деталью могут находиться абразивные зерна, которые производят деформацию микрообъемов металла детали.
Вероятность нахождения абразивных зерен в месте столкновения детали с абразивной
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХШЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2012р. Серiя: Техшчш науки Вип. 25
ISSN 2225-6733
стенкой увеличивается в том случае, когда объем абразивного материала, загружаемого в рабочую камеру, - максимальный. Это является причиной повышения производительности и увеличения высоты микронеровностей.
20
а а:
I
£ ж г
'-г
5 15
3 Ж
О ^
ы о
з1 а 5
Ч
I
iü 5.
г
10
5,0£_J
1 3,5г
U 52
0 1 2 3 4 f Расстояние контрольной площадки
от кромки oöpa3ifa, мм
Рис. 2 - Зависимость плотности распределения отпечатков абразивных зерен на поверхности латунных образцов от расстояния до кромки и единичной массы образцов
При увеличении суммарной массы загрузки деталей энергия струй сжатого воздуха, приходящаяся на одну деталь, уменьшается. В связи с этим скорость их движения падает, удары о стенки становятся слабыми, а съем металла достигается только за счет разности скоростей абразивных зерен и деталей. При этом высота микронеровностей уменьшается и становится характерной для воздействия единичными абразивными зернами в воздушной струе. Снижение производительности, выраженной уменьшением съема металла с контрольных образцов при увеличении количества рабочей жидкости, так же как при увеличении суммарной массы обрабатываемых деталей, объясняется уменьшением удельных затрат энергии струй сжатого воздуха в массе загрузки.
Слабое влияние зернистости абразивного материала на съем металла и шероховатость поверхности объясняется тем, что абразивные зерна меньшей зернистости, инжектируясь в струи, быстрее набирают скорость, чем более крупные зерна. Поэтому запас кинетической энергии крупных зерен, имеющих большую массу, но малую среднюю скорость перед столкновением с деталью равен запасу кинетической энергии мелких зерен, имеющих малую массу, но большую скорость. Полученные результаты экспериментальных исследований согласуются с решениями, вытекающими из аналитической зависимости (16), согласно которой производительность обработки с увеличением зернистости абразивных зерен уменьшается.
Как установлено экспериментально, на производительность обработки существенное влияние оказывает давление сжатого воздуха перед соплом. Экспериментальное исследование взаимосвязи между давлением используемого сжатого воздуха и суммарной массой одновременно обрабатываемых деталей показало, что для каждого типа деталей существует их оптимальное соотношение, при котором достигается максимальная производительность обработки.
Серiя: Технiчнi науки ISSN 2225-6733
Согласно зависимости (16), с увеличением давления p производительность обработки непрерывно увеличивается. Наблюдаемое расхождение теоретических и экспериментальных данных обусловлено проявлением факторов, не учтенных в расчетной схеме. Поэтому судить о реальных технологических возможностях рассматриваемого метода абразивной обработки деталей затопленными струями можно на основе результатов экспериментальных исследований. Вместе с тем, сопоставление экспериментальных и теоретических результатов позволяет целенаправленно выявлять причины, ограничивающие использование потенциальных возможностей данного метода, установленных на основе теоретических решений.
Выводы
1. Произведен расчет производительности абразивной обработки деталей затопленными струями и установлено, что добиться интенсификации процесса обработки можно в первую очередь увеличением скорости движения абразивных зерен путем увеличения давления сжатого воздуха перед соплом. Теоретически установлено, что увеличение зернистости абразивного порошка приводит к снижению производительности обработки. Это в определенной степени согласуется с результатами экспериментальных исследований.
2. Теоретически также доказано, что с увеличением давления сжатого воздуха перед соплом производительность непрерывно увеличивается, тогда как, согласно экспериментальным данным, такой характер изменения производительности имеет место до определенного значения давления сжатого воздуха, после чего производительность уменьшается. Исходя из этого, сделан вывод о том, что лишь сопоставляя теоретические и экспериментальные данные можно целенаправленно выявлять причины, ограничивающие использование потенциальных возможностей рассматриваемого метода обработки.
Список использованных источников:
1. Цыгановский А. Б. Экспериментальное определение скорости абразивных частиц в затопленной гидроабразивной струе / А.Б. Цыгановский // Ресурсозберiгаючi технологи вироб-ництва та обробки тиском матерiалiв у машинобудуванш: Зб. наук. пр. - Луганськ: вид-во СНУ м В.Даля, 2008. - С. 92 - 97.
2. А.с. 207768 СССР, МКИ В 24 В. Способ гидроабразивной обработки / В.К. Агафонов (СССР). - № 1064466/25-8; Заявл. 28.03.1966 Опубл. 22.12.1967, Бюл. № 1.
3. Сирота А.А., Мицык В.Я. Эффективность отделочно-зачистной обработки ударным гидроабразивным воздействием свободной рабочей среды / А.А. Сирота, В.Я. Мицык // Восточ-ноукраинский национальный университет имени Владимира Даля Зб. наук. пр. - Луганск: вид-во СНУ им. В.Даля, 2011. - С. 353 - 358.
4. Андилахай А.А. Оценка энергетического баланса абразивной обработки деталей затопленными струями / А.А. Андилахай // Качество, стандартизация, контроль: теория и практика: Материалы 11-ой Междунар. научн.-практ. конф., 26-30 сентября 2011г. - г. Ялта - Киев: АТМ Украины, 2011. - С. 9-12.
5. Андилахай А.А. Абразивная обработка деталей затопленными струями / А.А. Андилахай. — Мариуполь: ПГТУ, 2006. — 190 с.
Bibliography:
1. Tsyganovsky A.B. Experimental determination of the velocity of the abrasive particles in the submerged jet waterjet / A.B. Tsyganovsky // Resursozberigayuchi tehnologii' virobnitstva that obrobki vise materialiv mashinobuduvanni at: ST. Science. etc. - Lugansk: view of NUS im V.Dal, 2008. - S. 92 - 97. (Rus.)
2. AS 207768 USSR, MKI in 24 B. Mode waterjet processing / VK Agafonov (USSR). - № 1064466/25-8; Appl. 28/03/1966 Publ. 22.12.1967, Bull. Number 1. (Rus.)
3. Sirota A.A. Mitsyk V.J. The effectiveness of finishing and stripping process gidroab shock-effect razivnym free desktop / AA Orphan, VJ Mitsyk // Vostochnoukra-Inskaya National University named after Volodymyr Dahl ST. Science. etc. - Lugansk: view them in NUS. V.Dal, 2011. - S. 353 - 358. (Rus.)
4. Andilahay A.A. Assessment of the energy balance of the abrasive machining submerged jet / AA Andilahay // Quality, standardization, control theory and practice: Proceedings of the 11th Int.
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХШЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2012р. Серiя: Техшчш науки Вип. 25
ISSN 2225-6733
Scientific-practical conference. Conf., September 26-30, 2011. - Yalta - Kyiv: Ukrainian ATM, 2011. - S. 9-12. (Rus.)
5. Andilahay A.A. Abrasion parts submerged jet / AA Andilahay. - Mariupol: Perm State Technical University, 2006. - 190 p. (Rus.)
Рецензент: В.В. Суглобов
д-р техн. наук, проф. ГВУЗ «ПГТУ»
Статья поступила 11.12.2012
УДК 621.923
©Иванов И.Е.*
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПРОЦЕССОВ ШЛИФОВАНИЯ И ТОЧЕНИЯ
С единых позиций проведен теоретический анализ возможностей повышения производительности обработки при шлифовании и точении для заданной толщины среза, определяемой прочностными свойствами инструмента. Получена новая аналитическая зависимость для определения средней толщины среза при шлифовании, которая отличается от известной зависимости лишь цифровым коэффициентом, что открывает новые возможности определения условий интенсификации процесса шлифования. Экспериментально определены значения стойкости инструментов при шлифовании и точении рабочих (контактных) поверхностей чаш и конусов засыпных аппаратов доменных печей, восстановленных с применением износостойкого наплавочного материала. Доказано, что с точки зрения снижения затрат, связанных с потреблением режущих инструментов при заданной производительности обработки, эффективно применять процесс шлифования. Ключевые слова: шлифование, точение, резец, производительность обработки.
1ванов И.Е. Теоретичне й експериментальне визначення технологiчних мож-ливостей процеав шлiфування й точшня. З единих позиций проведений теорети-чний анал1з можливостей тдвищення продуктивност1 обробки при шл^фуванш й точтт для заданог товщини зр1зу, обумовленог властивостями мщност! инструмента. Отримано нову аналтичну залежтсть для визначення середньог товщини зр1зу при шл^фувант, що в1др1зняеться в1д в1домог залежност1 лише цифровим ко-ефщентом, що в1дкривае нов1 можливост1 визначення умов ттенсифтацп проце-су шл1фування. Експериментально визначеш значення стткост! инструментов при шлофуванш й точтт робочих (контактних) поверхонь чаш i конуав засипних апа-рат1в доменних печей, вiдновлених iз застосуванням зносостткого наплавочного матерiалу. Доведено, що з погляду зниження витрат, пов'язаних зi споживанням рiзальних iнструментiв при задант продуктивностi обробки, ефективно застосо-вувати процес шлiфування.
Ключовi слова: шлiфування, точшня, рiзець, продуктивтсть обробки.
I.E. Ivanov. Theoretical and experimental determination of the technological possibili-ties-cal processes of grinding and turning. With one voice the theoretical analysis of the possibilities to increase productivity in grinding process and turning for a given slice thickness, determined strength properties tool. A new analytical dependence for the average slice thickness for grinding, which is different from the known dependence of a digital coefficient, which opens up new possibilities determining the conditions of intensifying
канд. техн. наук, ст. преподаватель, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь
