Полный текст

Вопросам оценки производительности процесса и качества изделий после различных видов механической обработки посвящено множество работ, например работы [1-8]. Тем не менее в настоящее время многие финишные операции, такие как зачистка поверхностей и скругление острых кромок, продолжают выполняться при помощи низкопроизводительного ручного труда. Одним из перспективных и практически неисследованных способов, способных эффективно решать вышеуказанную проблему, является обработка вращающимися инструментами на гибкой (полимерной) связке. В связи с изложенным можно констатировать, что проблема замены ручного труда на механизированный и автоматизированный труд с применением полимерно-абразивных щеток для отечественной промышленности является весьма актуальной. При исследованиях использовались щетки компании 3М марок С ВВ-ZB c изогнутыми ворсинами и А ВВ-ZB с прямыми ворсинами, характеристики которых подробно описаны в работе [9]. Данные щетки выпускаются в виде тонких дисков толщиной 1,5 мм из полимерного материала с гибкими ворсинами (135 для типа С и 90 для типа А) по окружности. Параметры, характеризующие производительность процесса Оцениваются в поперечном сечении кромки (рис. 1). К ним относятся [10]: фактический радиус скругления кромки, количество материала, снятого при скруглении кромки, и размер кромки Zk = 0,5(X + Y). При обработке эластичными полимерно-абразивными щетками формулу съема материала с кромки длиной l можно записать следующим образом: Q = ND Qc Tn, (1) где n - частота вращения щетки, мин-1; T - время обработки, мин; l - длина обрабатываемой кромки, мм; В - ширина щетки, мм; Qc - объем материала кромки, срезаемый щеткой шириной 1 мм за один оборот: Qc = Sc N NB DYb x, (2) где Sc - площадь поперечного сечения стружки на единичном зерне [11]; NB - количество ворсин на всей окружности на ширине щетки 1 мм; DY - деформация щетки (длина участка ворсины, участвующая в резании); b - ширина ворсины в зоне контакта с кромкой; х - путь прохождения ворсиной в состоянии контакта с кромкой; N - количество зерен, находящихся в контакте на площади 1 мм2, в соответствии с формулой [12] (3) где g - относительное сближение средних линий m1m1 и m2m2 (рис. 2); n(0) - число нулей (число пересечений средней линии). Следует отметить, что, согласно работам [11-14], кроме этого параметра предусмотрены: s - среднее квадратичное отклонение профиля, m - число максимумов, характеризующих режущий микрорельеф. Рис. 1. Схема к расчету площади Qc Рис. 2. Схема взаимодействия режущего микрорельефа с поверхностью детали Аналитическое определение размера кромки (Zk = 0,5(X + Y)) Обработанная кромка в зависимости от конструкции щетки может быть в виде фаски АСВ (см. рис. 1) или закругленной по радиусу rф. Кромка в виде фаски. При х = АВ треугольника АВD величина переменная и зависит от Zk = 0,5(X + Y): (4) Подставив формулу (4) в формулу (2), получим Qc = Sc NNBDYb Zk. (5) При X = Y = Zk объем материала, который подлежит снятию с кромки, (6) Решая совместно уравнения (1), (5) и (6), получим где Zk численно равен объему снятого материала на ширине 1 мм. Кромка, закругленная по теоретическому радиусу rт. При х = АОD При rт = Zk (7) Уравнение примет вид Qc = Sc N NB DYb 1,567Zk. Решая совместно уравнения (1), (2) и (7), получим Площадь поперечного сечения стружки на единичном зерне Sc По аналогии с работой [11] в качестве модели единичного зерна принят конус со cкругленной вершиной. При внедрении зерна впереди него образуется валик наплыва (рис. 3), который при определенных условиях может переходить в стружку. Пластически оттесненный материал, обтекая зерно без отделения от основной массы, образует наплыв по его боковым сторонам [11]. На рис. 3 приняты обозначения: yЕ - глубина внедрения зерна; mg - участок, на котором происходит стружкообразование; D - точка перехода сферической части в коническую; mk и gn - участки, на которых при движении зерна материал пластически оттесняется в наплыв. Рис. 3. Взаимодействие модели единичного зерна с обрабатываемой поверхностью Площадь поперечного сечения стружки на единичном зерне, по данным работы [11], Sc = 2rэ2siny0(АЕ - АО) при yЕ £ yD; Sc = 2rэ2 siny0[АD + АО + De(0,5DectgjD + sinjD)] при yЕ > yD, где rэ - эквивалентный радиус закругления абразивного зерна и микронеровности обрабатываемой поверхности; y0 - угол заторможенного участка на сферическом абразивном зерне. y0 = p/4 - 0,5arccos2mT (при mТ = 0,4 y0 = 0,463 65 рад). Здесь АЕ = 0,5jЕ - 0,25sin2jE; jE = arccos(1 - eЕ); eЕ = yЕ/rэ; АО = 0,5j0 - 0,25sin2j0; j0 = 0,5arccos2mт (углы jE и j0 в радианах); АD = 0,5jD - 0,25sin2jD; De = eE - eD; eD = yD/rI ; yD = rI (1 - sinjD). При jD = 45о = 0,785 4 рад yD = 0,293 rI. Здесь rI - средний радиус кривизны вершин выступов режущего микрорельефа эластичного полимерно-абразивного круга; уЕ - математическое ожидание глубины внедрения выступов зерен, пластически деформирующих материал: yE = s[g0 - g], (8) где g0 - математическое ожидание относительных высот максимумов; Для определения yE необходимо воспользоваться зависимостями составляющих сил резания для единичного зерна. Нормальная Ру1 и тангенциальная Рz1 составляющие силы резания на единичном зерне определяются по выражениям Ру1 = Krэ 2fу; РZ1 = K rэ 2fz, где K - предел текучести на сдвиг; fу и fz - безразмерные коэффициенты сил, формулы для расчета которых приведены в аппроксимированном виде в работе [11]: (9) где eE - относительная величина внедрения зерен, eE = yE/rэ. Радиус на вершинах зерен Из-за сложности определения эквивалентного радиуса rэ целесообразно при исследованиях использовать радиус rI.. В работах [11-13] авторами установлено, что кривизна вершин выступов (радиус rI) зависит от уровня сближения g (см. рис. 2) режущего микрорельефа с обрабатываемой поверхностью. Таким образом, радиус rI зависит от математического ожидания глубины внедрения выступов абразивных зерен yE, которая, в свою очередь, зависит от нормальной составляющей силы резания, рассмотренной в работах [15, 16], и, соответственно, от режимных параметров обработки: деформации щетки DY, скорости резания V и подачи S. Известно, что при малой глубине внедрения режущего микрорельефа в процессе обработки поверхностей эластичными полимерно-абразивными инструментами микрогеометрия в результате износа инструмента и самозатачивания постоянно меняется и учесть это практически невозможно. В связи с вышеизложенным принято решение определять реальный радиус rI экспериментально, в зависимости от уровня сближения g, а следовательно, от режимных параметров обработки - DY, V и S. Суммарные составляющие силы резания на всей площадке контакта (согласно работе [11]) Ру = K rэ2 fу np; Рz = K rэ2 fz np. (10) Средневероятное количество активных (работающих) зерен на единице поверхности контакта эластичного круга с деталью, по работе [13], определяется по выражению (11) Подставляя формулы (8), (3), (9) и (11) в уравнение (10) и решая относительно g, получаем (12) где Pn - полная нормальная составляющая силы резания, по работе [13] (при этом Ру = Рn); Zтр - заданный по чертежу размер обработанной кромки. Определение величины g по формуле (12) возможно только при решении численным методом. На рис. 4 приведена зависимость g от А - правой части уравнения (12). Рис. 4. Графическое представление уравнения (12) Эта зависимость была аппроксимирована уравнением При заданных g = 2,9 и K = 300 Н/мм2 (для сплава В95пчТ2) и K = 450 Н/мм2 (для сплава ВТ20) экспериментально определены значения r1 в зависимости от режимов обработки (DY и V) и представлены уравнением r1 = g1DY2 + g2V 2+ g3DY + g4V + g5DYV + g6. (13) Значения коэффициентов g1 - g5 и свободного члена g6 для формулы (13) приведены в табл. 1. Скорости резания V - в м/с, деформации круга DY - в мм. Таблица 1 Значения коэффициентов и свободного члена в формуле (13) Коэффициент C BB-ZB Р120 C BB-ZB Р220 C BB-ZB Р400 А BB-ZB Р36 А BB-ZB Р50 В95пчТ2 g1 -4×10-5 -4×10-5 -4×10-5 -2×10-4 5×10-6 g2 4×10-6 4×10-6 5×10-6 0 6×10-7 g3 9×10-4 9×10-4 1,1×10-3 7,6×10-3 1,9×10-3 g4 2×10-4 2×10-4 2×10-4 2,4×10-3 8×10-4 g5 1,3×10-7 1×10-7 5×10-8 1,5×10-8 2,5×10-8 g6 -1,8×10-3 -1,95×10-3 -2,02×10-3 -0,023 -7,2×10-3 ВТ20 g1 -4×10-5 -4×10-5 -5×10-5 -2×10-4 -2,5×10-5 g2 5×10-6 4×10-6 7×10-6 7×10-6 -2×10-6 g3 1×10-3 9×10-4 1,1×10-3 5×10-3 2,1×10-3 g4 2×10-4 2×10-4 2×10-4 1,3×10-3 8×10-4 g5 1,3×10-7 1,0×10-7 5×10-8 1,5×10-8 2,5×10-8 g6 -2,22×10-3 -1,85×10-3 -2,04×10-3 -0,0145 -7×10-3 Таблица 2 Значения коэффициентов и свободного члена для щеток в формуле (14) Коэффициент C BB-ZB Р120 А BB-ZB Р50 C BB-ZB Р120 А BB-ZB Р50 Материал В95пчТ2 Материал ВТ20 d1 -1,051×10-6 -3,873×10-6 1,501×10-5 -2,5217×10-6 d2 -4,463×10-3 -3,204×10-3 -0,034 94 6,7906×10-4 d3 10,71 12,65 26,07 4,36 d4 -0,0192 -0,058 -0,0545 -0,04423 d5 0,389 0,581 0,6483 0,5182 d6 -0,249 -0,397 -0,7212 -0,3651 d7 -2,21196×10-7 -2,932×10-9 -2,6566×10-8 7,2106×10-8 d8 1,521 52×10-4 2,761 44×10-5 2,763×10-5 -6,072×10-6 d9 -0,02245 -3,9037×10-3 -1,5176×10-3 8,52×10-4 d10 1,833 11 1,04724 0,9533 0,9312 Обработка кромок полимерно-абразивными щетками - это удаление тонкого поверхностного слоя с острой кромки. Известно [17], что прочность приповерхностного слоя обрабатываемой поверхности существенно отличается от прочности остального материала обрабатываемой детали. Она зависит от конкретных условий деформации, типа среды, предыстории обрабатываемого материала и т.д. Ввиду этого принимаем K = KпKсд, где Kп - коэффициент, учитывающий глубину внедрения абразивных зерен в обрабатываемый материал; Kсд - предел текучести на сдвиг, полученный по формуле через предел текучести s0,2. В результате проведенных экспериментов получены значения коэффициента Kп для материалов В95пчТ2 и ВТ20 и представлены в виде уравнения Kп = (d1V2 + d2V + d3)(d4DY2 + d5DY + d6) × × (d7S3 + d8S2 + d9S + d10). (14) В уравнении (14) значения коэффициентов d1-10 определены по итогам комплекса экспериментов и приведены в табл. 2. В уравнении (14) DY - в мм, V - в м/мин, S - в мм/мин. Экспериментальное исследование формирования кромки радиальными щетками Одним из параметров, наиболее приемлемым для производственных условий, является размер кромки Zk. Таблица 3 Съем материала по параметру Zk Марка щетки DY, мм V, м/мин S, мм/мин Zk экс., мм Zk теор., мм Pn теор., Н [15] S, мм/мин Zk экс., мм Zk, теор., мм Pn теор., Н [15] В95пчТ2 K = 300 Н/мм2 ВТ20 K = 450 Н/мм2 C BB-ZB Р120 s = = 0,007 72 мм; m = 136 мм-1; n(0) = 42,5 мм-1 4 235,62 130 0,295 0,296 6,896 82 0,077 0,077 7,086 471,24 0,433 0,462 10,841 0,167 0,177 11,144 706,86 0,658 0,658 16,201 0,316 0,316 16,656 942,48 0,971 0,971 21,653 0,524 0,525 22,262 2 706,86 130 0,594 0,595 10,183 82 0,275 0,274 10,473 3 0,621 0,629 13,332 0,292 0,298 13,71 4 0,658 0,658 16.201 0,316 0,316 16,656 5 0,705 0,704 18,80 0,347 0,348 19,325 4 706,86 82 0,744 0,745 16.201 33 0,346 0,347 16,656 130 0,658 0,658 41 0,343 0,342 255 0,239 0,239 82 0,316 0,316 395 0,164 0,164 130 0,259 0,258 А BB-ZB Р50 s = = 0,005 74 мм; m = 133 мм-1; n(0) = 46,3 мм-1 4 235,62 130 0,235 0,235 18,406 82 0,465 0,466 18,969 471,24 0,32 0,373 34,702 0,6 0,67 35,829 706,86 0,461 0,462 51,034 0,824 0,825 52,725 942,48 0,657 0,658 67,404 1,136 1,135 69,659 2 706,86 130 0,421 0,421 29,553 82 0,762 0,763 30,55 3 0,438 0,436 40,89 0,788 0,748 42,256 4 0,461 0,462 51,034 0,824 0,825 52,725 5 0,49 0,49 60,307 0,87 0,871 62,289 4 706,86 82 0,515 0,515 51,034 33 0,869 0,868 52,725 130 0,461 0,462 41 0,865 0,868 255 0,199 0,2 82 0,824 0,825 395 0,05 0,049 130 0,738 0,738 Экспериментальные исследования производительности процесса скругления кромок в зависимости от режимных параметров обработки (деформации щетки ΔY, скорости ее вращения V и подачи S) проводились на образцах из высокопрочного алюминиевого сплава В95пчТ2 и титанового сплава ВТ20 на вертикальном обрабатывающем центре Deckel Maho DMC 635V щетками C BB-ZB Р120 и А BB-ZB Р50 (наиболее эффективными из всех исследованных). Размеры Х и Y измерялись на большом инструментальном микроскопе БМИ-1Ц с точностью 1 мкм. Результаты исследования приведены в табл. 3 по экспериментальным и теоретически рассчитанным данным [15]. Заключение На основании проведенных исследований можно констатировать, что теоретические положения по съему материала полностью подтверждаются экспериментальными данными. Установлено, что полимерно-абразивные щетки могут эффективно применять для обработки кромок деталей. Из всех исследованных щеток рекомендуются C BB-ZB Р120 и А BB-ZB Р50, как наиболее производительные.

Об авторах

Ю. В Димов

Иркутский национальный исследовательский технический университет

Д. Б Подашев

Иркутский национальный исследовательский технический университет

Список литературы

Статистика

Просмотры

Аннотация - 87

PDF (Russian) - 34

Ссылки

• Ссылки не определены.