автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Совершенствование центробежно-планетарной обработки деталей на основе повышения технологических свойств гранулированных рабочих тел

На правах рукописи

ПОНУКАЛИН Андрей Владимирович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЦЕНТРОБЕЖНО-ПЛАНЕТАРНОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ НА ОСНОВЕ ПОВЫШЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГРАНУЛИРОВАННЫХ РАБОЧИХ ТЕЛ

Специальности: 05.02.08 — Технология машиностроения; 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

18 НОЯ 2013

Автореферат диссертации па соискание ученой степени кандидата технических наук

ПЕНЗА 2013 005540959

005540959

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет».

Научные руководители: доктор технических наук, профессор

Воячек Игорь Иванович; кандидат технических наук, доцент Зверовщиков Александр Евгеньевич

Официальные оппоненты: Захаров Олег Владимирович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет им. Ю. А. Гагарина», профессор кафедры «Проектирование технических и технологических комплексов», г. Саратов;

Черников Владислав Сергеевич,

кандидат технических наук, ООО «Научно-производственное предприятие "Технопроект"», главный контролер качества, г. Пенза

Ведущее предприятие: ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный

технологический университет»

Защита диссертации состоится 18 декабря, в 12 часов, на заседании диссертационного совета Д 212.186.03 в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет».

Автореферат разослан 18 ноября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Муйземнек Александр Юрьевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В машиностроении, приборостроении и других отраслях промышленности широко применяются мелко- и среднеразмерные детали, полученные вырубкой, листовой штамповкой, литьем и т.д. В процессе формообразования подобных деталей неизбежно образование рисок, следов от перемещающихся деталей пресс-форм, обрубки литников, выталкивателей. Отделочно-зачистной обработке (ОЗО) для удаления следов первичного формообразования, обеспечения требуемого качества поверхностей, особенно в случае последующего нанесения покрытия, подвергаются до 85-95 % выпускаемых деталей. К деталям, требующим ОЗО, относится широкая номенклатура мелких корпусных деталей машиностроения: кронштейны, уголки и иные несущие элементы, имеющие сложную форму. Механизация ОЗО методами объемной обработки (галтовочными, вибрационными, центробежно-ротационными, центробежно-планетарными), использующими инструмент в виде абразивной гранулированной среды, позволяет снизить себестоимость данных изделий.

Однако поверхности подобных деталей в большинстве случаев расположены таким образом, что образуются зоны ограниченного доступа (ЗОД), в которые проникновение гранул шлифовального материала затруднено. Обеспечение качества обработки поверхностей ЗОД зависит от соотношения формы, размеров рабочих тел, характера их движения, геометрических параметров сопряжения поверхностей детали и является серьезной проблемой, которая до настоящего времени не решена.

Наиболее перспективной технологией ОЗО мелких и средних деталей является центробежно-планетарная объемная обработка (ЦПОО), обеспечивающая высокие давления шлифовальной среды и скорости резания, сокращение длительности отделочной операции. Одной из причин, затрудняющих широкое использование метода для деталей сложной формы, является отсутствие достаточной и достоверной информации по технологическим возможностям гранулированных сред. В каталогах фирм-производителей выбор рабочих тел по форме и размерам носит рекомендательный характер, а в некоторых случаях указания по применению противоречивы или отсутствуют. Поэтому для каждого конкретного случая выбор формы рабочих тел гранулированной среды осуществляют эмпирическим путем, что существенно повышает себестоимость обработки и не гарантирует стабильного качества поверхностей.

В связи с изложенным, тема диссертационной работы, направленная на обеспечение качества поверхностей деталей сложной формы при ЦПОО на основе повышения технологических свойств гранулированных рабочих тел, является актуальной.

Цель работы заключается в обеспечении качества поверхностей деталей сложной формы и эффективности центробежно-планетарной объемной

обработки на основе повышения технологических свойств гранулированных рабочих тел.

Для достижения поставленной цели необходимо решить задачи:

- провести анализ существующих технологических методов стабилизации качественных характеристик поверхностей деталей сложной формы при объемных методах обработки;

- исследовать влияние технологических факторов ЦПОО и свойств гранулированных абразивных рабочих тел на формирование шероховатости поверхности в зонах ограниченного доступа деталей сложной формы;

- разработать критерии оценки эффективности формы абразивных гранул для объемной обработки деталей и технические решения по усовершенствованию их конструкций;

- построить модель микропрофиля поверхности абразивной гранулы и разработать программное обеспечение для ее генерации;

- для обеспечения стабильного качества поверхности при центробежной обработке в контейнерах с планетарным вращением разработать методику моделирования взаимодействия поверхности абразивного рабочего тела с обрабатываемой поверхностью;

- разработать модуль системы проектирования операции ЦПОО, направленный на обеспечение качества обработки деталей сложной формы путем изменения технологических свойств рабочих тел;

- разработать практические рекомендации, обосновать технико-экономическую эффективность и внедрить результаты исследований в производство.

Объект исследования - операция отделочно-зачистной объемной обработки деталей сложной формы в контейнерах с планетарным вращением.

Предметом исследования являются взаимосвязи характеристик качества обрабатываемой поверхности, технологических режимов центробежно-планетарной обработки и параметров гранулированных абразивных рабочих тел.

Методы исследования. Теоретические исследования основываются на научных положениях технологии машиностроения, теории резания, теории упругости и пластичности материалов, теоретической физики, методах математического моделирования.

Экспериментальные исследования выполнены по методике многофакторного планирования в лабораторных и производственных условиях с использованием аттестованных средств измерений, стандартного и оригинального испытательного оборудования.

Моделирование, обработка результатов и анализ экспериментальных исследований осуществлялись с использованием вычислительной техники и лицензионных программных пакетов ANSYS/LS-DYNA, MicrosoftOfficeExcel, Delphi, а также оригинальных программных продуктов, разработанных на кафедре «Технология машиностроения» Пензенского государственного университета.

Научная новизна работы:

по специальности 05.02.08 (пп. 3,4,7 паспорта специальности):

1. Исследован процесс объемной центробежной обработки деталей, имеющих зоны ограниченного доступа рабочей среды; получены аналитические и эмпирические зависимости, устанавливающие взаимосвязи технологических факторов и характеристик гранулированных рабочих тел с формируемыми параметрами шероховатости поверхностей сложной формы.

2. Разработан модуль системы проектирования операции центробеж-но-планетарной объемной обработки деталей сложной формы, направленный на обеспечение эффективности обработки и стабильности параметров шероховатости в зонах ограниченного доступа рабочей среды путем повышения технологических свойств рабочих тел;

по специальности 05.02.07 (пп. 3,4 паспорта специальности):

3. Получены зависимости и предложена методика количественной оценки и рационального выбора параметров гранулированных рабочих тел, обеспечивающих эффективность центробежно-планетарной обработки деталей сложной формы.

4. Разработана методика трехмерного моделирования поверхности абразивного рабочего тела, учитывающая вероятностное распределение параметров его режущего профиля, используемая для определения достижимых параметров шероховатости поверхностей в зоне ограниченного доступа рабочей среды.

Практическая ценность:

- разработана эффективная технология объемной центробежно-пла-нетарной обработки с использованием гранулированных упруго-деформируемых рабочих тел;

- получены компьютерные модели контактного взаимодействия гранулированной рабочей среды с поверхностями детали в зонах ограниченного доступа шлифовального материала, позволяющие определять достижимую шероховатость и назначать рациональные параметры рабочих тел;

- разработан модуль проектирования операции ЦПОО, позволяющий выбирать рациональные режимы обработки и характеристики гранулированных рабочих тел;

- предложены конструкции гранул для интенсификации объемной обработки деталей с труднодоступными участками;

- разработана технология изготовления рабочих тел для объемной обработки на основе акриловых полимеров.

На защиту выносятся:

1. Зависимости, устанавливающие взаимосвязи технологических факторов и характеристик гранулированных рабочих тел с формируемыми параметрами шероховатости поверхностей сложной формы.

2. Классификация технологических свойств и методика выбора параметров гранулированных рабочих тел для решения различных технологических задач при ЦПОО.

3. Результаты экспериментальных исследований влияния технологических режимов и свойств абразивных гранул на формирование шероховатости поверхностей при ЦПОО.

4. Методика и результаты моделирования абразивной объемной обработки поверхностей в зонах ограниченного доступа методом конечных элементов.

5. Конструкция гранул с измененной насыпной плотностью для интенсификации объемной обработки деталей и технология изготовления абразивных рабочих тел на акриловой полимерной связке.

6. Модуль системы проектирования операции центробежно-плане-тарной объемной обработки деталей сложной формы гранулированными средами.

Достоверность и обоснованность научных результатов обеспечиваются корректной математической формулировкой задач для описания физических закономерностей процессов обработки в контейнерах с планетарным вращением и контактного взаимодействия рабочих тел с обрабатываемыми поверхностями, подтверждаются сходимостью теоретических, экспериментальных данных и результатов компьютерного моделирования, а также внедрением в производство.

Реализация результатов диссертационной работы.

Результаты исследований внедрены в ООО «Пензенский завод энергетического машиностроения» (г. Пенза) и ООО «Инженерно-технологический центр "Сварка"» (г. Пенза) путем использования разработанной технологии отделочно-зачистной обработки деталей сложной формы. Достигнуты повышение качества поверхностей деталей в зонах ограниченного доступа рабочей среды, уменьшение уровня дефектности изделий и снижение трудоемкости отделочно-зачистных операций.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на Международной научно-технической конференции молодых ученых «Новые материалы, оборудование и технологии в промышленности» (г. Могилев, Белоруссия, 2009); четвертой Международной научно-технической конференции «Наукоемкие технологии в машиностроении и авиадвигателестрое-нии» (г. Рыбинск, 2012); девятой Международной научно-технической конференции «Новости передовой науки» (г. София, Болгария, 2013); Международной научно-технической конференции по программе У.М.Н.И.К. «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (г. Пенза, 2011); V Международной научно-практической конференции «Системы проектирования, моделирования, подготовки производства и управления проектами САБ/САМ/САЕ/РОМ» (г. Пенза, 2011); ежегодных научно-технических

конференциях профессорско-преподавательского состава Пензенского государственного университета (г. Пенза, 2009-2013).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 9 печатных работ, из них 2 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ; получен патент РФ на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 104 наименований и пяти приложений. Объем работы - 145 страниц основного текста, включая 56 рисунков и 35 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы работы; сформулирована цель исследования; показаны научная новизна и практическая ценность; приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе выполнен обзор технологических способов объемной отделочно-зачистной обработки деталей, обобщен опыт применения существующих обрабатывающих сред. Показана перспективность совершенствования технологии центробежной обработки в контейнерах с планетарным вращением путем изменения параметров рабочих тел гранулированной среды.

Существенный вклад в развитие теории и практики объемной обработки деталей внесли отечественные ученые: А. П. Бабичев, Ю. В. Димов, М. А. Тамаркин, В. О. Трилисский, А. Н. Мартынов, Г. В. Литовка и др.

Трилисским В. О. установлено влияние отношения площади поверхности гранулы к ее объему на интенсивность обработки.

Бабичевым А. П. и Мельниковой Е. П. доказано, что физико-механические свойства материала связки определяют работоспособность абразивной гранулы и влияют на стабильность качества обработанных поверхностей.

Показана актуальность разработки гранулированных рабочих тел с усовершенствованными геометрическими и динамическими параметрами для достижения высокого качества поверхности деталей сложной формы. Сформулированы задачи исследования.

Во второй главе приведены результаты теоретических исследований формирования шероховатости поверхностей деталей в зонах ограниченного доступа рабочих тел. Предложена методика оценки технологических возможностей объемной обработки с точки зрения обеспечения требуемого качества поверхностей в таких зонах на основе количественного сравнения эффективности рабочих тел различной формы.

Рассмотрена ЗОД в виде сопряжения поверхностей, образующих внутренний угол (рис. 1 ,а). При объемной обработке зону можно разделить на три области (рис. 1,6): I - «мертвая» зона, где обработка поверхности практически не происходит; II - зона нестабильной шероховатости (область неравновероятного контакта с абразивными гранулами); III - зона стабильной шероховатости, открытая для обработки.

Размер «мертвой» зоны Ь детали определяется приведенным радиусом /?пр рабочего тела и углом (Ззод между поверхностями, образующими зону ограниченного доступа:

г>=Дпр.с1ё^-. (1)

а) б)

Рис. 1. Схема областей контакта обрабатывающих тел с поверхностями ЗОД

Если размер Ъ превышает конструктивно или технологически обусловленный радиус сопряжения поверхностей ЗОД, то брак при объемной обработке неизбежен.

Исходя из предположения, что край зоны нестабильной шероховатости соответствует возможности симметричного одновременного контакта двух рабочих тел с поверхностью детали, размер Ь данного участка детали определяется следующим образом:

ЛПР

Ь =-^-(2)

С учетом взаимовлияния рабочих тел определена плотность вероятности р(Г) контактирования гранул с поверхностью детали в зоне нестабильной шероховатости, которая необходима для определения интенсивности обработки в данной зоне:

Р(1) = -

где Ъ <1 < Ь (см. рис. 1,6).

гРзод |

Предложена классификация рабочих тел по их структуре, согласно которой все гранулы можно разделить на тела с гомогенной и гетерогенной структурой. По форме и размерам предлагается разделение на тела стохастической (произвольной) формы, полученные дроблением природных или синтетических материалов, и на формованные рабочие тела.

Выделено три группы параметров, определяющих технологические возможности абразивных рабочих тел: конструктивные, динамические и параметры микропрофиля поверхности гранулы.

Для сравнения проникающей способности и стойкости при изнашивании формованных гранул одинакового объема или массы предложено оценивать их форму как совокупность граней и ребер по количественным параметрам. Для повышения проникающей способности предлагается сформировать на рабочем теле поверхности, образующие ребра с минимальным углом рР. Тогда в качестве критерия проникающей способности примем .^¡-¡р:

(4)

Рр

При Кпр ^ 1 обработка зоны ограниченного доступа не происходит, условие Апр >1,1 является необходимым для обеспечения возможности обработки, при К№ > 1,3... 1,7 достигается надежный доступ рабочего тела в такую зону.

Повышение стойкости к изнашиванию гранулы предложено оценивать увеличением параметра АГИ:

(5)

где Кгр - объем гранулы; 5Гр - площадь поверхности гранулы.

Обрабатывающая способность оценивается также с помощью параметра динамичности Кц, зависящего от момента инерции рабочего тела /рт и массы Мрт'.

Кл (6)

МРТ

Увеличение соотношения (6) свидетельствует о большей удаленности ребер и вершин гранулы от центра масс, что приводит к возрастанию импульса от вращательного движения абразивной гранулы, энергия которого трансформируется в энергию контакта с деталью, расходуемую на резание.

Для сопоставления динамических характеристик гранул разных размеров и формы при моделировании предлагается использовать приведенный радиус Япр рабочего тела, равный радиусу шара с моментом инерции, соответствующим моменту инерции самого рабочего тела:

2МРТ

Исследование гранул различной формы по предложенным показателям (4)-(7) показало, что наиболее высокой проникающей способностью и износостойкостью формы обладают новые гранулы в виде двояковыпуклой линзы (рис. 2,а) с Д,/#= 1,8...2,4.

Экспериментальные исследования показали, что для эффективной обработки поверхностей деталей необходимо обеспечить соотношение насыпных плотностей деталей рд и абразивных рабочих тел рртв диапазоне:

Ррт

(8)

Для изменения насыпной плотности абразивных рабочих тел, а соответственно их инерционных характеристик, предложено имплантировать в гранулу технологическое тело (рис. 2,6) с большей плотностью, массой т^.

0,15Му

где Мрт - масса рабочего тела; V- объем абразивных гранул в загрузке контейнера; Му- масса абразивных гранул объемом V.

Технологическое тело

т-г = -

(9)

н[

а) б)

Рис. 2. Геометрические параметры двояковыпуклой гранулы

В ряде случаев эффективно использование нежестких абразивных гранул, копирующих профиль обрабатываемой поверхности в зоне контакта с малой вероятностью точечного контакта с обрабатываемой поверхностью, что позволяет избежать возникновения глубоких наколов на обрабатываемой поверхности, но при этом снижаются давление в зоне контакта, а следовательно, интенсивность снятия припуска.

Нежесткая гранула (рис. 3) характеризуется увеличением площади пятна контакта и, как следствие, ростом числа контактирующих с поверхностью абразивных зерен. Следовательно, по изменению пятна контакта под нагрузкой Р можно судить о податливости рабочего тела с определенными конструктивными и геометрическими параметрами.

Условие абразивного резания при объемной обработке деталей нежесткими рабочими телами имеет вид:

Зги(Сст0)2 <Иф <(0,5-—)ги,

(Ту

(Ю)

где ах - предел текучести обрабатываемого материала; С - коэффициент изменения предела текучести от масштабного фактора и наклепа; 0 - упругая постоянная обрабатываемого материала; /гф - фактическая глубина внедрения индентора (абразивной частицы) с радиусом при вершине ги; т - сдвиговая прочность молекулярной составляющей.

Предложено использование в качестве связующего вещества составов на основе акриловых смол с высоким модулем эластичности, что обеспечит износостойкость и прочность нежестких абразивных гранул.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований влияния технологических факторов на эффективность центробежно-планетарной объемной обработки деталей с ЗОД и влияния податливости рабочего тела на качество обрабатываемой поверхности.

Для проведения экспериментальных исследований использовались полированные образцы (исходная шероховатость На = 0,3...0,4 мкм) с различным углом сопряжения поверхностей ЗОД и установка ЦПУ-2М. При обработке шероховатость поверхностей образцов увеличивалась в зависимости от средней скорости резания, давления гранулированной среды и количества контактов участка поверхности с рабочими телами.

В результате однофакторных экспериментов получены модели для обработанных поверхностей ЗОД, позволившие определить размеры области нестабильной шероховатости, которые имеют устойчивую зависимость от угла и расстояния до линии сопряжения поверхностей ЗОД, что подтверждает результаты теоретических исследований.

Затем проведен многофакторный эксперимент 24 со следующими входными факторами: Х\ - угол ЗОД р30д; Х2 - приведенный радиус рабочего тела ЛИр; Х3 - расстояние от зоны измерения до центра масс т образца (см. рис. 1,а); Х4- время обработки г.

а) б) в)

-----Исходный контур ребра рабочего тела

- Контур ребра рабочего тела при деформировании

Рис. 3. Схема деформирования рабочих тел на полимерной (а, б) и керамической (в) связках при контакте с поверхностью

В качестве функции отклика был принят параметр Яа области нестабильной шероховатости в зоне ограниченного доступа. Получены регрессионные модели в кодовых (11) и натуральных (12) координатах:

Яа = 0,243 - 0,0527х2 + 0,0469*3- 0,1321х,х2- 0,053*2*3 + 0,0248*1*4-

-0,123 5*2*4 + 0,124х,2 + 0,178*22 + 0,103*32 + 0,197*42; (11)

Яа = 9,193 + 0,2421 -Ящ. - 0,0851 т -- 0,0043 РзодЛщ.- 0,026Лпр7и + 0,0003рзод/- 0,0121Дщ,/ +

+ 0,0006рЗОд2 + 0,0428 Ят2 + 0,103т2+ 0,0079г2. (12)

Установлено, что шероховатость, а следовательно и интенсивность обработки, растут (рис. 4) при увеличении рзод, что подтверждает гипотезу об увеличении количества и скорости контактных взаимодействий рабочих тел с поверхностями ЗОД.

^V- ___

0 105 108 111 114 117 120 Р»л-

град

Рис. 4. Влияние угла наклона обрабатываемых поверхностей детали рзод на шероховатость Ra ЗОД: 1 - при ЯПр = 4,08 мм; 2 - при ДПр = 8,16 мм

Зависимость шероховатости от RUP (рис. 5) свидетельствует о том, что с уменьшением размеров гранул увеличивается их проникающая способность и растет шероховатость поверхности, а при увеличении размеров достигается большее давление в контакте, что также приводит к возрастанию шероховатости по параметру Яа. Поэтому не рекомендуется изготавливать гранулы с Ящ. 6-8 мм.

Ra, мкм 0,8

0,6

0,4

[S Ч/ 1 \

S 2 / —^

М £ ы м Н н И h

и 4,284 5,1 5,916 6,732 7,548 Япр, мм

Рис. 5. Влияние приведенного радиуса рабочего тела Rпp на шероховатости поверхности Ra ЗОД: I - Рзод = 90°; 2 - Рзод = 120°; 3 - р30д = 126,2°

Экспериментальное сравнение величин массового съема показало существенное влияние средней плотности и массы единичных гранул на производительность обработки. Съем металла с обрабатываемых образцов массой 130 г составил 0,79 г при обработке двояковыпуклыми гранулами и 0,83 г - двояковыпуклыми гранулами с имплантированным технологическим телом. Это подтверждает значительную интенсификацию обработки за счет увеличения разности плотностей гранулированной среды и обрабатываемых деталей путем повышения плотности рабочих тел.

Достижимая шероховатость поверхности зависит от давления в зоне контакта рабочего тела с заготовкой. При одинаковых динамических характеристиках контактирования величина давления зависит от площади пятна единичного контакта. Исследование пятна контакта рабочего тела осуществлялось на специально изготовленном стенде (рис. 6) с последующей обработкой двумерного изображения следа гранулы, полученного в растровой форме (рис. 7).

а) б)

Рис. 6. Общий вид (а) и схема (б) стенда для исследования податливости нежестких рабочих тел: / индикатор часового типа; 2 - прижимная плита; 3 — болт; 4 - рабочее тело; 5 - основание; 6 - технологическая плита

Для несферических рабочих тел колебания площади пятна контакта при прокатывании составляли 12-38 %. Для определения возможного изменения давления контакта и соответственно глубины внедрения единичного зерна в поверхность заготовки использовался показатель рь, который представляет собой отношение максимальной ¿>|11М ширины пятна контакта к минимальной ¿>т;п;

Рь=~■ (13)

6тт

С ростом рь происходит увеличение колебаний контактных давлений, а соответственно глубины внедрения абразивных выступов зерен на поверхности гранулы в материал заготовки. Это приводит к нестабильности шероховатости как на открытых поверхностях детали, так и в ЗОД, и требует большего времени обработки для стабилизации шероховатости.

Аналогичным образом исследовалось влияние податливости нежестких рабочих тел на характеристики контакта.

В качестве комплексного показателя податливости р$ рабочего тела предложено использовать относительное изменение площади пятна контакта на длине прокатывания:

(14)

где — реальная площадь пятна контакта; 5ц - площадь описанной фигуры.

Установлено (табл. 1), что гранулы в форме двояковыпуклой линзы для гранулы при большей проникающей способности не ухудшает качества поверхности.

Таблица 1

Расчет показателей пятна контакта абразивных рабочих тел

Тип рабочего тела ¿>тш, ММ мм Рь 5р, мм2 Хп, мм2 Рз

ПТ 5x5 1 7 3,5 294 420 0,7

ПТ 10x10 4 9 2,25 441 630 0,7

ЯКУЮР 0,7 9 12,85 126 630 0,2

ЯКVI5 Р 2 15 8,5 476 1190 0,4

Двояковыпуклая линза 3 14 4,6 507 1120 0,45

При использовании гранул с большим отношением р$ и меньшим рь колебания давления в зоне контакта уменьшаются, следовательно, уменьшается соотношение Лтах/Лз вследствие отсутствия глубоких наколов поверхности. Экспериментально подтверждено, что для тел ПТ 5x5 с рь = 3,5, Рб= 0,7 (см. рис 7,а) соотношение Нпшх/На = 7... 10, для гранул ЯКУ 10 Р срь= 12,85,0,2 (см. рис 7,в) - Лтах/Ля = 13...14.

В четвертой главе приведены методика и результаты компьютерного моделирования поверхности абразивной гранулы и ее взаимодействия с поверхностями ЗОД.

Для автоматизированного построения трехмерной модели абразивной поверхности разработан модуль МакгоМакег. Моделирование фрагмента поверхности осуществлялось в следующей последовательности:

1. Исследование микропрофиля абразивной гранулы и определение закономерностей распределения параметров абразивных частиц с помощью фотометрических исследований (рис. 8).

а) б)

Рис. 8. Микрофотографии поверхностей полимерных абразивных рабочих тел: а - полимерная гранула RKV-15-P «Rosier» (увеличение 320 крат); б - двояковыпуклая гранула (увеличение 160 крат)

2. Генерация параметров микропрофиля абразивной поверхности и получение координат каркасных точек микрорельефа абразивной поверхности проводилась по методу Бокса-Мюллера. Поскольку большая часть геометрических параметров микропрофиля поверхности гранулы (рис. 9,а) подчиняется нормальному закону распределения, этот метод является наиболее приемлемым для моделирования. Соответственно, генерация высот выступов И и длин стороны в основании выступа е осуществлялась по формулам:

А = гса + Й, (15)

е = гае+ё, (16)

где о* и се- среднеквадратические отклонения по высоте и длине стороны в основании выступа; И и ё - средние ожидаемые значения высоты и длины стороны в основании выступа; г - случайное число, генерируемое индивидуально для каждого параметра и выступа по нормальному закону распределения:

2 = СОБ(2Я^ )У]~ 21п <?2, (17)

где и - независимые случайные величины, распределенные равномерно в интервале 0...1.

Первоначально координаты центров выступов были получены без учета их смещения и поворота. Определены координаты x¡ и центра г'-го вы-

ступа. Вертикальные координаты z для каждого выступа соответствуют распределенным высотам выступов А. Однако моделирование микропрофиля абразивной поверхности, приближенного к реальному виду, предполагает размещение выступов абразивных зерен с отклонением центра выступа от координатной сетки в хаотичном порядке. Для этого рассчитывались параметры смещения координат центра и координат поворотных точек сетки Ах,-и Ду,-каждого выступа по формулам:

(18)

byj =JUYJ-' (19)

где Fxi и Fyj - знак (направление) смещения координат центра и точек выступа относительно координатной сетки; АХ* и AXj - разница между максимальным и минимальным значениями зазора соседних выступов.

Расчет координат вершин многогранника в основании выступа производился по формулам:

XQi=Ricos(?k +xh (20)

= Д, sin <pt+.>>,., (21)

к к

где xQj и >>о/ - координаты вершин многогранника в основании выступов; к - число вершин многогранника в основании выступа (3...6); Rt - радиус описанной окружности в основании i-го выступа; / - номер выступа на моделируемом участке (1.. .441).

В соответствии с разработанной методикой определены координаты точек микропрофиля участка поверхности абразивной гранулы на полимерной связке с расположенными по сетке (21x21 ряд) выступами абразивных частиц.

3. Получение файла макроса в разработанной программе МакгоМакег.

4. Загрузка файла макроса в программу Power SHAPE и автоматическое построение трехмерной модели участка поверхности абразивной гранулы, соответствующей реальному профилю (рис. 9,6).

Моделирование контактного взаимодействия проводилось методом конечных элементов для разработанной модели абразивной гранулы и модели поверхностей заготовки, учитывающих геометрические параметры микропрофиля в зоне, открытой для обработки (рис. 10,а). Для скорости удара Ууд, определенной в соответствии с технологическими режимами центро-бежно-планетарной обработки, получено распределение напряжений и деформаций для открытой поверхности (рис. 10,6). Поскольку количество контактов в ЗОД, а также средняя скорость и давление контакта за цикл обработки меньше, определено снижение средних контактных давлений и де-

формаций для ряда точек зоны нестабильной шероховатости, причем это снижение определяется плотностью вероятности по формуле (3) (рис. 11, зависимость 3). Затем с помощью известной методики определялся параметр Яа в ряде точек 30Д, начиная с точки, соответствующей 1\= Ь (рис. 11, зависимость 1).

Рис. 9. Модель шероховатой поверхности гранулы

а) б)

Рис. 10. Схемы контактного взаимодействия (а) и распределение напряжений (б) в зоне контакта абразивной гранулы с поверхностями детали

Экспериментальная проверка методики проводилась на полированных образцах с исходной шероховатостью поверхности ЗОД Ra = 0,4...0,5 мкм (рис. 11, зависимость 2) и показала удовлетворительную сходимость с расчетными данными.

Установлено, что достижимая шероховатость поверхности ЗОД, характерная для обработки на заданных режимах, формируется в течение 15-18 мин, что несколько превышает время, необходимое для формирования достижимой шероховатости на открытых поверхностях.

Яа, мкм 0,8 0,7 0,6 0,5 (А; л А}

\ (/2;Ка2)

\ а4)о""" '--(к, Яаг) 1 чз

-

0 ъ 4 6 7 8 мм Ь

Рис. 11. Зависимость шероховатости поверхности от размера 1 в зоне нестабильной обработки: 1 - расчетная шероховатость; 2 - империческая шероховатость поверхности; 3 - плотность вероятности контактов поверхности с рабочими телами в ЗОД

В пятой главе приведены описание и алгоритм модуля проектирования технологической операции центробежно-планетарной объемной обработки деталей сложной формы с ЗОД, результаты практической реализации и технико-экономическое обоснование разработанного способа центробежно-планетарной объемной обработки подобных деталей новыми абразивными гранулами.

Схема алгоритма модуля системы проектирования ЦПОО с рациональным выбором параметров рабочих тел для деталей с ЗОД, позволяющая обеспечить требуемое качество поверхностей зон ограниченного доступа и уменьшение их размеров, показана на рис. 12. Особенностью модуля является возможность управления процессом взаимодействия гранулы и поверхности путем изменения параметров рабочего тела, а именно: угла при ребре рабочего тела и его массы. Проектирование по предлагаемому алгоритму позволяет изменить размеры мертвой зоны и зоны нестабильной шероховатости, сократить время стабилизации качества поверхностей ЗОД при ЦПОО.

Разработаны технология и технологическое оснащение для изготовления рабочих тел в форме двояковыпуклых линз на связке из акриловых смол. Новые гранулы обеспечивают повышенную стойкость формы и режущую способность.

Для оценки эффективности предложенных решений проведено сравнение технологической себестоимости операций центробежно-планетарной и галтовочной обработки двояковыпуклыми гранулами на акриловой связке, которое показало снижение себестоимости операции ЦПОО в 1,5 раза.

За счет повышения производительности труда и снижения уровня брака годовой экономический эффект от внедрения на двух предприятиях г. Пензы составил 3 466 240 руб.

Допустимые личеннл шнриховаюсги |Яо] Установка времени цикла обработки Л

Измерение га&зри гогк массы зжо гасни Параметры исходной шврахоаэтостм Насыпная плотность деталей Параметры ¿ОД

1

Формирование данных по ФМС материалов Плотмостьмэтсриала, гвердоаь, предел прочности, предел текучести, модуль упругости, коэффициент Пуассона

1

Построение геометрической модели детали и участка с шероховатой поверхностью

Форма и размеры рабочих г ел, материал связки, шлифовальный материал и его зернистость, динамические характеристики рабочих тел, насыпная плотность рабочих тел, характеристики микропрофиля поверхности тела

Построение геометрической модели участка II поверхности рабочего тела в зоне контакта

Г Радиус водила, радиус и высоте контейнера, радиус переносного аратцения водил-»/ мощность приводов, количество контейнеров А

Навначение технологических режимов обработки:

Время обработки, частота вращения водила, частота вращения контейнеров, частота переносного вращения води па, степень загрузки контейнеров

взаимодействия рабочвготела с обрабатываемой

Скорость рабочею тела, площадь кот контактирования

Уменьшение К., за счет снижения массы рабо-тею тела

Рис. 12. Схема алгоритма модуля системы проектирования операции зачистной обработки деталей с наличием ЗОД

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Рассмотрен механизм взаимодействия и разработана методика определения вероятности контактов рабочих тел при ЦПОО с поверхностями деталей, относящихся к ЗОД. Установлено, что размеры зоны нестабильной шероховатости зависят от геометрии зоны, размеров и геометрии рабочих тел, а стабилизация шероховатости требует увеличения основного времени обработки в 1,25... 1,3 раза по сравнению с открытыми зонами. Доказано, что изменение приведенного радиуса рабочего тела может изменить шероховатость поверхностей в ЗОД в 2..2,5 раза.

2. Предложена методика количественной оценки для сравнения технологических возможностей рабочих тел различной формы, позволившая усовершенствовать форму рабочих тел. Разработана гранула в виде двояковыпуклой линзы с повышенной на 5-7 % стойкостью формы и увеличенной на 10-15 % проникающей способностью по сравнению с известными формами гранул.

3. Установлено, что податливость и плотность материала связки рабочих тел оказывают существенное влияние на качество обработанных поверхностей, и предложены конструкции гранул с регулируемой насыпной плотностью. Разработаны технические приемы, позволяющие изменять насыпную плотность абразивных гранул на 15-25 % при использовании одинаковых связок и абразивных материалов. Предложена технология и разработано опытное технологическое оснащение для изготовления рабочих тел на основе связки из акриловых смол.

4. Установлено, что применение рабочих тел с увеличенной проникающей способностью позволяет сократить время обработки и уменьшить в 1,2-1,5 раза размеры зоны нестабильной шероховатости.

5. Разработаны методика моделирования абразивной поверхности и компьютерная модель, учитывающая распределение параметров микрорельефа поверхности рабочего тела и необходимая для исследования контактного взаимодействия рабочих тел с обрабатываемой поверхностью и оценки достижимой шероховатости.

6. Выполнены компьютерные исследования для определения высоты микропрофиля поверхности, сформированного в результате взаимодействия рабочего тела и поверхностей ЗОД. В результате установлен характер изменения параметров микропрофиля в зоне нестабильной шероховатости, подтвержденный экспериментальными исследованиями.

7. Разработаны модуль проектирования ЦПОО и технологическое обеспечение ее качества, обеспечивающие стабильность параметров шероховатости в зонах ограниченного доступа рабочей среды при наибольшей интенсивности съема металла путем повышения технологических свойств рабочих тел.

8. Результаты исследований внедрены на ряде промышленных предприятий. Достигнуто повышение качества поверхностей деталей в зонах ограниченного доступа рабочей среды, уменьшение уровня дефектности изделий и снижение трудоемкости отделочно-зачистных операций.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Понукалин, А. В. О формировании шероховатости поверхности на труднодоступных участках профиля детали при объемной центробежной обработке гранулированными средами / В. 3. Зверовщиков, А. В. Понукалин, А. Е. Зверовщиков // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки.-20Ю.-№3 (15).-С. 114-122.

2. Понукалин, А. В. Влияние насыпной плотности обрабатывающей среды на производительность объемной центробежно-планетарной обработки / И. И. Во-ячек, В. 3. Зверовщиков, А. Е. Зверовщиков, А. В. Понукалин // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. - 2013. - № 12(16). - С. 37-41.

Патенты РФ

3. Пат. 2470760 Российская Федерация, МПК В 24 В 31/14 Абразивная гранула / Зверовщиков В. 3., Зверовщиков А. Е., Понукалин А. В., Зверовщиков Е. А.; заявитель и патентообладатель Пензенский государственный университет. - № 2011118265/02 ; заявл. 05.05.2011 ; опубл. 27.11.2012, Бюл. № 36.

Публикации в других изданиях

4. Понукалин, А. В. Разработка гранулированных абразивных сред повышенной проникающей способности для объемной обработки деталей / А. В. Понукалин // Проблемы автоматизации и управления в технических системах : материалы Междунар. науч.-техн. конф. по программе «У.М.Н.И.К.». - Пенза : Изд-во ПГУ, 2011.

5. Понукалин, А. В. Форма рабочих тел для объемной обработки в контейнерах с планетарным вращением / А. Е. Зверовщиков, А. В. Понукалин // Наукоемкие технологии в машиностроении и авиадвигателестроении (2012-ТМ) : материалы четвертой междунар. науч.-техн. конф. - Рыбинск, 2012. - С. 276-280.

6. Понукалин, А. В. Гранулированные абразивные среды как инструмент для объемных методов отделочно-зачистной обработки деталей / В. 3. Зверовщиков, А. В. Понукалин, К. С. Немов, А. С. Лемин. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2011. -С. 24-27.

7. Понукалин, А. В. Оценка макроформы рабочего тела для объемной обработки / А. В. Понукалин // Новые материалы, оборудование и технологии в промышленности : материалы Междунар. науч.-техн. конф. молодых ученых. - Могилев : Белорусско-Российский университет, 2009. - С. 27.

8. Понукалин, А. В. Новые абразивные гранулы для объемной обработки деталей с труднодоступными участками профиля / А. Е. Зверовщиков, А. В. Понукалин // Новости передовой науки : материалы девятой междунар. науч.-техн. конф. - София : «Бялгород-БГ» ООД, 2013. - Т. 58. Технологии. - С. 84-87.

9. Понукалин, А. В. Характеристики поверхности абразивного рабочего тела для моделирования объемной центробежно-планетарной обработки в САЕ-системах / А. Е. Зверовщиков, Е. А. Зверовщиков, А. В. Понукалин, Н. А. Мироны-чев // Системы проектирования, моделирования, подготовки производства и управления проектами CAD/CAM/CAE/PDM : сб. ст. V Междунар. науч.-практ. конф. - Пенза : Приволжский дом знаний, 2011. - С. 29-32.

10. Понукалин, А. В. О снижении технологической себестоимости ОЗО путем применения новых абразивных гранул / В. 3. Зверовщиков, А. В. Понукалин // Проблемы экономики в общегосударственном и региональном масштабах : сб. ст. Всерос. науч.-практ. конф. - Пенза : РИО ПГСХА, 2013. - С. 29-32.

Научное издание

ПОНУКАЛИН Андрей Владимирович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЦЕНТРОБЕЖНО-ПЛАНЕТАРНОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ НА ОСНОВЕ ПОВЫШЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГРАНУЛИРОВАННЫХ РАБОЧИХ ТЕЛ

Специальности: 05.02.08 - Технология машиностроения; 05.02.07 —Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

Редактор Н. А. Сидельникова Технический редактор М. Б. Жучкова Компьютерная верстка М. Б. Жучковой

Распоряжение №29/2013 от 14.11.2013 г.

Подписано в печать 15.11.13. Формат 60х84'Лб. Усл. печ. л. 1,16. Тираж 100. Заказ № 903._

Издательство ПТУ. 440026, Пенза, Красная, 40. Тел./факс: (8412) 56-47-33; е-таП:Нс@рпг§и.ги

ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

04201454606

Понукалин Андрей Владимирович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЦЕНТРОБЕЖНО-ПЛАНЕТАРНОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ НА ОСНОВЕ ПОВЫШЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГРАНУЛИРОВАННЫХ

РАБОЧИХ ТЕЛ

05.02.08 - Технология машиностроения 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители:

доктор технических наук, профессор И.И. Воячек

кандидат технических наук, доцент А.Е. Зверовщиков

ПЕНЗА 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................... 5

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ..... 9

1.1 Анализ методов обработки деталей гранулированными рабочими средами............................................................................... 9

1.1.1 Вибрационная обработка.............................................. 9

1.1.2 Галтовка во вращающихся барабанах............................. 14

1.1.3 Центробежно-ротационная обработка.............................. 16

1.1.4 Центробежная обработка в контейнерах с планетарным вращением....................................................................... 19

1.2 Обрабатывающие среды для объемных методов обработки....... 22

1.2.1 Области применения рабочих тел для объемной обработки в зависимости от формы, размеров и состава............................. 22

1.2.2 Оценка технологических свойств гранул абразивных рабочих тел.......................................................................................... 31

Выводы и задачи исследования.................................................... 34

2 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕГО ТЕЛА НА КАЧЕСТВО ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ОБЪЕМНОЙ ОБРАБОТКЕ В КОНТЕЙНЕРАХ С ПЛАНЕТАРНЫМ ВРАЩЕНИЕМ....................................................................... 37

2.1 Классификация рабочих тел............................................ 37

2.2 Формирование шероховатости поверхности в ЗОД деталей сложной формы............................................................................................................................41

2.2.1 Определение размера зоны нестабильной шероховатости... 41

2.2.2 Определение вероятности контактирования гранул с поверхностями деталей в зонах нестабильной шероховатости ... 46

2.3 Оценка макрогеометрии рабочего тела................................. 48

2.3.1 Показатели исходной формы рабочих тел..................... 48

2.3.2 Оценка проникающей способности и износостойкости рабочего тела.................................................................. 53

2.3.3 Динамические характеристики формы рабочего тела....... 55

2.4 Влияние насыпной плотности рабочих тел на

производительность обработки и качество поверхности............... 62

2.5 Моделирование поверхности абразивного рабочего тела для объемной обработки деталей.............................................................. 64

2.6 Изменение технологических возможностей ЦПОО в зависимости от податливости единичного рабочего тела............... 67

Выводы................................................................................. 72

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ РАБОЧЕЙ СРЕДЫ НА КАЧЕСТВО ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРУДНОДОСТУПНЫХ УЧАСТКОВ ДЕТАЛЕЙ СЛОЖНОЙ ФОРМЫ................................................................. 74

3.1 Методика проведения экспериментальных исследований......... 74

3.1.1 Оборудование для проведения экспериментальных исследований.................................................................. 74

3.1.2 Исследуемые образцы и применяемые рабочие среды........ 79

3.2 Исследование стабильности формирования шероховатости поверхности в ЗОД................................................................ 82

3.3 Исследование производительности ЦПОО деталей абразивными гранулами.............................................................................. 88

3.4 Исследование микрорельефа обработанной поверхности и поверхности абразивных рабочих тел на керамической и полимерной основе................................................................................ 92

3.5 Исследование влияния податливости рабочего тела на параметры процесса контактирования...................................................... 94

Выводы............................................................................... 100

4 МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОПРОФИЛЯ ОБРАБАТЫВАЕМОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ КОНТАКТНОМ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ С ПОВЕРХНОСТЬЮ АБРАЗИВНОГО РАБОЧЕГО ТЕЛА В СИСТЕМЕ КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОГО АНАЛИЗА АЫ8 У8 Г^-ОТОА............................ 101

4.1 Методика моделирования.................................................. 101

4.2 Статистические закономерности распределения абразивных частиц на поверхности гранул на полимерной связке................... 103

4.3 Методика построения модели поверхности абразивного рабочего тела................................................................................... 107

3

4.4 Моделирование контактного взаимодействия абразивной поверхности с поверхностью зон ограниченного доступа и анализ результатов............................................................................................... 122

4.4.1 Допущения при разработке модели контактного взаимодействия гранул с поверхностью ЗОД деталей................ 122

4.4.2 Выбор материалов и типов конечных элементов для построения модели взаимодействия....................................... 123

4.4.3 Создание сетки конечных элементов.............................. 124

4.4.4 Приложение нагрузок................................................. 125

4.4.5 Проведение вычислительного эксперимента и анализ полученных результатов................................................... 128

Выводы.................................................................................. 129

5 РАЗРАБОТКА МОДУЛЯ СИСТЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ЦЕНТРОБЕЖНОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ СЛОЖНОГО ПРОФИЛЯ............................................ 131

5.1 Разработка модуля системы проектирования ЦПОО деталей сложной формы................................................................. 131

5.2 Использование акриловой связки в конструкции рабочего тела

для ЦПОО............................................................................................ 135

5.3 Технологическая оснастка для изготовления гранул на акриловой связке.............................................................................. 137

5.4 Технико-экономическая эффективность внедрения ЦПОО деталей сложной формы......................................................... 139

Выводы................................................................................. 148

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................... 149

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ, ПРИНЯТЫЕ В РАБОТЕ..................... 151

СПИСОК ИСПЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.............................. 154

ПРИЛОЖЕНИЕ А.................................................................... 168

ПРИЛОЖЕНИЕ Б..................................................................... 190

ПРИЛОЖЕНИЕ В.................................................................... 193

ПРИЛОЖЕНИЕ Г.................................................................... 199

ПРИЛОЖЕНИЕ Д.................................................................... 208

ПРИЛОЖЕНИЕ Е.................................................................... 213

4

ВВЕДЕНИЕ

В машиностроении, приборостроении и других отраслях промышленности широко применяются мелко- и среднеразмерные детали, полученные вырубкой, листовой штамповкой, литьем и т.д. В процессе формообразования подобных деталей неизбежно образование рисок, следов от перемещающихся деталей пресс-форм, обрубки литников, выталкивателей. Отделочно-зачистной обработке (ОЗО) для удаления следов первичного формообразования, обеспечения требуемого качества поверхностей, особенно в случае последующего нанесения покрытия, подвергаются до 85-95 % выпускаемых деталей [58, 101]. К деталям, требующим ОЗО, относится широкая номенклатура мелких корпусных деталей машиностроения: кронштейны, уголки и иные несущие элементы, имеющие сложную форму. Механизация ОЗО методами объемной обработки (галтовочными, вибрационными, центробежно-ротационными, центробежно-планетарными), использующими инструмент в виде абразивной гранулированной среды, позволяет снизить себестоимость данных изделий.

Однако поверхности подобных деталей в большинстве случаев расположены таким образом, что образуются зоны ограниченного доступа (ЗОД), в которые проникновение гранул шлифовального материала затруднено. Обеспечение качества обработки поверхностей ЗОД зависит от соотношения формы, размеров рабочих тел, характера их движения, геометрических параметров сопряжения поверхностей детали и является серьезной проблемой, которая до настоящего времени не решена.

Наиболее перспективной технологией ОЗО мелких и средних деталей является центробежно-планетарная объемная обработка (ЦПОО), обеспечивающая высокие давления шлифовальной среды и скорости резания, сокращение длительности отделочной операции [37, 41, 42]. Одной из причин, затрудняющих широкое использование метода для деталей сложной формы, является отсутствие достаточной и достоверной информации по

технологическим возможностям гранулированных сред. В каталогах фирм-производителей выбор рабочих тел по форме и размерам носит рекомендательный характер, а в некоторых случаях указания по применению противоречивы или отсутствуют. Поэтому для каждого конкретного случая выбор формы рабочих тел гранулированной среды осуществляют эмпирическим путем, что существенно повышает себестоимость обработки и не гарантирует стабильного качества поверхностей.

В связи с изложенным, тема диссертационной работы, направленная на обеспечение качества поверхностей деталей сложной формы при ЦПОО на основе повышения технологических свойств гранулированных рабочих тел, является актуальной.

Целью работы является обеспечение качества поверхностей деталей сложной формы и эффективности центробежно-планетарной объемной обработки на основе повышения технологических свойств гранулированных рабочих тел.

Объект исследования: операция отделочно-зачистной объемной обработки деталей сложной формы в контейнерах с планетарным вращением.

Предмет исследования: взаимосвязи характеристик качества обрабатываемой поверхности, технологических режимов центробежно-планетарной обработки и параметров гранулированных абразивных рабочих тел.

Научная новизна работы заключается в следующем:

По специальности 05.02.08:

1. Исследован процесс объемной центробежной обработки деталей, имеющих зоны ограниченного доступа рабочей среды; получены аналитические и эмпирические зависимости, устанавливающие взаимосвязи технологических факторов и характеристик гранулированных рабочих тел с формируемыми параметрами шероховатости поверхностей сложной формы.

2. Разработан модуль системы проектирования операции центробежно-

планетарной объемной обработки деталей сложной формы, направленный на

6

обеспечение эффективности обработки и стабильности параметров шероховатости в зонах ограниченного доступа рабочей среды путем повышения технологических свойств рабочих тел.

По специальности 05.02.07:

3. Получены зависимости и предложена методика количественной оценки и рационального выбора параметров гранулированных рабочих тел, обеспечивающих эффективность центробежно-планетарной обработки деталей сложной формы.

4. Разработана методика трехмерного моделирования поверхности абразивного рабочего тела, учитывающая вероятностное распределение параметров его режущего профиля, используемая для определения достижимых параметров шероховатости поверхностей в зоне ограниченного доступа рабочей среды.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

- разработана эффективная технология объемной центробежно-планетарной обработки с использованием гранулированных упруго-деформируемых рабочих тел;

- получены компьютерные модели контактного взаимодействия гранулированной рабочей среды с поверхностями детали в зонах ограниченного доступа шлифовального материала, позволяющие определять достижимую шероховатость и назначать рациональные параметры рабочих тел;

- разработан модуль проектирования операции ЦПОО, позволяющий выбирать рациональные режимы обработки и характеристики гранулированных рабочих тел;

- предложены конструкции гранул для интенсификации объемной обработки деталей с труднодоступными участками;

- разработана технология изготовления рабочих тел для объемной обработки на основе акриловых полимеров.

На защиту выносятся:

1. Зависимости, устанавливающие взаимосвязи технологических факторов и характеристик гранулированных рабочих тел с формируемыми параметрами шероховатости поверхностей сложной формы.

2. Классификация технологических свойств и методика выбора параметров гранулированных рабочих тел для решения различных технологических задач при ЦПОО.

3. Результаты экспериментальных исследований влияния технологических режимов и свойств абразивных гранул на формирование шероховатости поверхностей при ЦПОО.

4. Методика и результаты моделирования абразивной объемной обработки поверхностей в зонах ограниченного доступа методом конечных элементов.

5. Конструкция гранул с измененной насыпной плотностью для интенсификации объемной обработки деталей и технология изготовления абразивных рабочих тел на акриловой полимерной связке.

6. Модуль системы проектирования операции центробежно-планетарной объемной обработки деталей сложной формы гранулированными средами.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 111 наименований и шести приложений. Работа изложена на 145 страницах основного текста, включает 56 рисунков и 35 таблиц.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Анализ методов обработки деталей гранулированными рабочими

средами

1.1.1 Вибрационная обработка

В производственной практике широкое применение находят различные методы безразмерной обработки деталей, применяемых на отделочно-зачистных операциях. Такие методы относятся к объемной обработке деталей свободным абразивом, сущность которой заключается в соударении абразивных гранул (рабочих тел) гранулированной рабочей среды с поверхностями обрабатываемых деталей, а также между собой и стенками камеры технологического оборудования под воздействием гравитационных, центробежных, вибрационных или инерционных сил.

Общим для всех видов отделочно-зачистной обработки деталей является использование гранулированных рабочих сред, абразивные гранулы которых являются режущим инструментом. Использование гранул различной формы, например, в виде многогранной призмы, пирамиды, ромба, куба или «звездочки» позволяет повысить равномерность съема металла на различных участках профиля детали, особенно при наличии на обрабатываемых поверхностях труднодоступных зон [12, 14, 58, 101].

Каждый из известных методов отделочно-зачистной обработки обладает определенными преимуществами и недостатками, и имеет сравнительно ограниченную область эффективного применения.

Эффективность обработки при этом оценивается величиной съема металла в единицу времени, т.е. производительностью обработки. Для сравнительного анализа необходимо рассмотреть технологические особенности наиболее распространенных способов объемной обработки деталей ГРС.

Вибрационная обработка (ВиО) является одним из эффективных процессов отделки и упрочнения поверхностей деталей, который осуществляется путём передачи гармонических колебательных движений вибропривода на рабочую камеру с обрабатываемыми деталями и рабочей средой. В результате относительного перемещения деталей и гранул абразивного наполнителя, обрабатываемые поверхности подвергаются многочисленным микроударам частиц рабочей среды в различных направлениях и с различной силой.

ВиО может осуществляться "всухую" или с промывкой рабочей загрузки специальными жидкостными составами, выполняющими роль активирующих веществ и смазывающих добавок [22, 81], ускоряющими процесс съема металла за счет химического воздействия на поверхностные слои обрабатываемой детали. Также, технологические жидкости предохраняют рабочую среду от засаливания и очищают детали от грязи и окислов.

Номенклатура обрабатываемых деталей подвергаемых виброобработке достаточно велика и разнообразна. В качестве примера можно привести изделия простых форм (втулки, фланцы, валики, эксцентрики и т.д.), а также детали сложного профиля (лопатки турбин, зубчатые колеса, шестерни и т.д.). В зависимости от габаритов рабочей камеры установки, обработке могут подвергаться детали малых размеров, например, изделия часового производства, а также крупные отливки: крыльчатки, шестерни, валы, шатуны и др.

Андриановым А.И. [10] выделено три основных разновидности виброобработки: виброшлифование, виброполирование и виброупрочнение. Процесс виброшлифования обеспечивает шероховатость обработанной поверхности Ка = 2,5...0,8 мкм и отличается наибольшим съемом металла по сравнению с остальными процессами виброобработки. В качестве обрабатывающей среды используются полимерные и керамические

абразивные гранулы, бой абразивных кругов и брусков средней зернистости.

10

Виброполирование осуществляется абразивными порошками и шлифовальными микропорошками, при этом обеспечивается шероховатость Яа = 0,63...0,32 мкм. При виброупрочнении в качестве рабочей среды обычно используются металлические шары диаметром от 4 до 10 мм, обеспечивающие наклеп поверхностей деталей на глубину 0,2...0,3 мм и шероховатость Яа = 0,32.. .0,16 мкм.

Принципиальная схема установки для вибрационной обработки представлена на рисунке 1.