Исследование влияния технологических параметров на съём металла при центробежно-ротационной обработке

УДК 621.9.048                                             

Введение. В машиностроении технология шлифования всегда обеспечивает высокую точность поверхности и является последним шагом обработки поверхности деталей. Материалы, обладающие повышенной термостойкостью твердостью и высокой прочностью, могут обрабатываться с использованием технологии шлифования [1]. Для повышения эффективности процесса центробежно-ротационной обработки (ЦРО) необходимо оптимизировать модель фрикционного взаимодействия между абразивными частицами и поверхностью заготовки.

Обработка в среде свободного абразива позволяет обрабатывать детали различной формы, размеров и материалов с использованием простого и надежного оборудования. Температура в зоне обработки значительно ниже, по сравнению с процессом шлифования, а обработка сопровождается подачей технологической жидкости. В [2, 3] анализ термической текстуры и прогноз износа заготовки были выполнены методом конечных элементов и при помощи гауссовского процесса. Исследования, представленные в работах [4, 5], показали, что при скольжении частицы оксида алюминия происходит разрушение поверхности заготовки и съём металла с детали. В данной статье рассматривается процесс единичного взаимодействия заготовки с абразивной средой при ЦРО. Одновременно с численным моделированием проведены эксперименты исследования глубины внедрения абразивной гранулы в поверхность детали. Исследовано влияние зернистости абразивной частицы на съем металла с обрабатываемых деталей.

Исследования по определению влияния технологических параметров обработки ЦРО на качество и производительность изучено недостаточно глубоко. Это сдерживает широкое внедрение в производство технологии ЦРО. Для решения этой задачи необходимо получение теоретической модели процесса ЦРО, позволяющей прогнозировать результаты обработки еще на стадии проектирования.

Описание установки. Принцип работы ЦРО (рис. 1) состоит в следующем: заготовка 4 и абразивные частицы загружаются в рабочую камеру 1; абразивные частицы и заготовка движутся по спиральной орбите; вращающееся днище (ротор) 2 соединено с двигателем; внутренняя поверхность днища покрыта износостойким материалом для уменьшения трения.

Рис. 1. Схема центробежно-ротационной обработки:

1 — цилиндрическая обечайка; 2 — ротор; 3 — абразивные частицы; 4 — заготовки

На рис. 2 изображена трехмерная модель взаимодействия абразивной частицы с заготовкой.

В работе [6] изучен процесс единичного взаимодействия абразивной гранулы с деталью. Особенности этого процесса представлены в работах [7-10]. Из работы [11] известно, что температура в зоне обработки невысока и не приводит к изменению структуры поверхностного слоя заготовки. В данной работе исследуется контактное взаимодействие абразивной частицы с поверхностью заготовки, абразив движется со скоростью v 0 , угол контакта с поверхностью обрабатываемой детали а = 15°-25° (рис. 2).

Исследование процесса единичного взаимодействия. Решение задачи теоретического моделирования единичного взаимодействия позволит исследовать влияние технологических параметров на ЦРО. Для создания математической модели съема металла с поверхности детали необходимо описать влияние факторов на форму и размеры следов взаимодействия гранулы с поверхностью.

Рис. 2. Модель абразивной частицы и заготовки:

1 — абразивная частица; 2 — заготовка

Множество работ было посвящено процессу единичного взаимодействия [12, 14, 15]. Анализ работ [1214] показал, что взаимодействие абразивной частицы с поверхностью заготовки происходит следующим образом: при столкновении движущейся частицы с поверхностью заготовки на некоторый угол α на абразивную частицу действует сила сопротивления P , которая состоит из касательной P _τ и нормали P N . Задача сводится к движению кругового конуса с постоянной скоростью v > 0. В работах [5, 6] определена максимальная глубина внедрения при единичном взаимодействии.

h = 2 VR sin α ^{ρ ш}                                     (1)

max       эф

3кcσ где рш — плотность материала; ks — коэффициент, учитывающий влияние шероховатости поверхности заготовки на площадь фактического контакта; c — коэффициент несущей способности контактной поверхности; as — предел текучести материала детали; К — радиус абразивной частицы; а — угол встречи абразивной частицы с поверхностью заготовки; Vэф — эффективная скорость движущейся абразивной частицы, определяемая по формуле:

^V эф ^{= к}эф ^{ω R}эф ^,

где Кэф — эффективный радиус ротора; го — угловая скорость вращения ротора; к_эф — обобщенный коэффициент эффективной скорости.

Исходя из работы [4], при столкновении абразивной частицы с заготовкой с образованием эллиптического следа обработки значения полуосей a , b находятся по формуле:

b = R ² - ( R - h max )².

π a=2(ctgα-f)hmax+b,

где f — коэффициент трения частицы по поверхности заготовки.

Разрушение поверхностного слоя происходит за счет микрорезания. Поэтому при расчете съема металла достаточно учитывать количество взаимодействий N P , приводящих к микрорезанию [16]:

Q=Npq, где Q — съём металла с поверхности заготовки.

Подставив значение N p из зависимостей выше, получим:

S Q = P 1 P 2 ω tq^{S дет} ₂при S дет  4 R ²

4 R

Машиностроение и машиноведение

Q ′ = P ₁ ^′ P ₂ ω tq при S_дет  4 R ²

Конечно-элементные модели абразивных частиц и деталей были построены в программе ANSYS для того, чтобы исследовать максимальную глубину внедрения при единичном взаимодействии на основе параметров технологии ЦРО.

0.1887 Max

0.16773

0.14677

0.1258

0.10483

0.083866

0.0629 0.041933

0.041933 0.020967

0 Min

Рис. 3. Максимальная глубина внедрения при единичном взаимодействии

На рис. 3 представлено распределение вертикального смещения при ударе и скольжении фрагмента абразивной частицы по поверхности заготовки, рассчитанное в ANSYS, с учетом пластичности материала детали (билинейная модель).

Методика экспериментальных исследований . Исследование процесса съема металла с поверхности заготовки проходили на цилиндрических образцах из различного материала: сталь 45 алюминиевый сплав Д16Т, медь МОБ, 12 штук на образец (рис. 4). Твердость HB измеряли на твердомере по Бринеллю. Твердость HB и предел текучести материалов образцов показаны в таблице 1.

В качестве абразивных сред были выбраны: призмы белые ПТ 15x15 условно приравнивались к зернистости 25 (рис. 5 а ); фарфоровые шары диаметром 10 мм условно приравнивались к зернистости М60 (рис. 5 б ); ПТ 25×25 условно приравнивались к зернистости 12 (рис. 5 г ); конус абразивный бело-зеленый зернистость 8, d=30 мм, h=30 мм (рис. 5 д ).

Абразивные гранулы и заготовки загружаются в рабочую камеру ЦРО. Обработка выполняется с частотой вращения ω =12 об/с. Каждые 30 минут обработку останавливают, образцы вынимают из камеры, тщательно промывают и сушат. Для определения съема использовались весы AD 200. Во избежание коррозии использовался 0,2 % раствор кальцинированной соды.

Материалы: а — сталь ХВГ, б — алюминиевый сплав Д16Т, г — медь МОБ

Размеры и механические свойства материалов образцов

Таблица 1

Материалы образцов	Размеры образцов, мм	Твердость, HB	Предел текучести σ т , МПа
Сталь 45	∅ 20х20	190-200	340
Алюминиевый сплав Д16Т	∅ 30х50	80-82	240
Медь МОБ	∅ 15х20	56-59	180

б)                                         г)

Рис. 4. Образцы для определения съёма металла с поверхности заготовки.

Рис. 5. Абразивные частицы использовались в ЦРО: а — призмы белые ПТ, б — фарфоровые шары, г — ПТ 25×25, д — конус абразивный бело-зеленый

Результаты экспериментальных исследований. Проведены исследования зависимости процесса съёма металла от зернистости абразива (N_З). Для комплексной проверки теоретической модели сравнение производилось по результатам обработки 12 образцов каждой марки. Результаты теоретических расчетов с использованием зависимостей (4), (5) сравнивались с результатами экспериментальных исследований. По результатам экспериментальных и теоретических исследований построены графики.

На рис. 6–8 представлены зависимости съема металла с поверхности детали от зернистости абразивных частиц M60; 8; 12; 25, материал детали — сталь 45; алюминиевый сплав Д16Т, медь МОБ, режим обработки — число оборотов ротора о = 12 об / с .

Машиностроение и машиноведение

Рис. 8. Зависимость съёма металла от NЗ, материал детали — МОБ

2,1

2 1,9 1,8 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1

1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

Теоретическая зависимость          Экспериментальные значения

Рис. 9. Сравнение экспериментальных и теоретических зависимостей съёма металла от NЗ: 1 — медь МОБ;

2 — алюминиевый сплав Д16Т, 3 — сталь 45

Обсуждение и заключения. По результатам теоретических и экспериментальных исследований найдены зависимости, представленные на рис. 6–9. Проанализировав результаты проведенных исследований, можно сделать следующие выводы:

• 1.    Съём металла Q пропорционален увеличению зернистости абразивных частиц. При обработке с ω =12 об/с для стали 45 при Nз=М60 Q=0,169 гр, при Nз=25 Q=0,37 гр; для алюминиевого сплава Д16Т при Nз=М60 Q=0,267 гр, при Nз=25 Q=0,797 гр; для меди МОБ при Nз=М60 Q=1,065 гр, при Nз=25 Q=1,789 гр.

• 2.    Влияние зернистости абразивной среды, механических свойств материала и режима обработки правильно отражает теоретическую модель единственного взаимодействия.

• 3.    При сравнении результатов экспериментальных исследований с теоретическими данными разница составляет менее 20 % (с учетом съёма металла от зернистости абразивных частиц Nз).

• 4.    Внедрение результатов исследований в производство позволило повысить производительность обработки в 1,5–2 раза при требуемом качестве обработанной поверхности и снижении износа рабочих сред.

Полученные результаты можно использовать для повышения эффективности технологического проектирования ЦРО и расширения технологических возможностей.