Luận án tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nâng cao hiệu quả gia công các chi tiết cơ khí trong môi trường mài mòn sử dụng công nghệ quay ly tâm

Однако определение сложных зависимостей влияния геометрических параметров абразивных частиц и механических свойств материала детали на качество и производительность процесса абразивной о

Ростов-на-Дону

2021

1.1 Технологические возможности центробежно-ротационной обработки

в абразивных средах 10 1.2 Обзор работ в области исследования центробежно-ротационной

обработки 22 1.3 Цель и задачи исследования 28 Глава 2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ЦРО В

АБРАЗИВНЫХ СРЕДАХ 30 2.1 Моделирование динамики гранулированный среды в камере ЦРО 30 2.1.1 Моделирование формы массы загрузки - гранулярного массива в

цилиндрической камере ЦРО под действием центробежной силы и силы тяжести 34 2.1.2 Моделирование поля скоростей и давлений в массе загрузки ЦРО

Гидродинамический подход 38 2.1.3 Оценка технологической эффективности процесса в различных зонах

контейнера ЦРО 43 2.2 АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ЕДИНИЧНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

ГРАНУЛЫ С ПОВЕРХНОСТЬЮ ДЕТАЛИ 46 2.2.1 Исследование процесса единичного взаимодействия с учетом

динамического состояния среды 46 2.2.2 Динамические характеристики процесса взаимодействия единичного

зерна с обрабатываемой поверхностью 56

2.2.3 Моделирование единичного взаимодействия абразивного зерна с

поверхностью детали 58

2.3 Конечно-элементное моделирование съёма металла в ANSYS в единичном акте взаимодействия 62

2.3.1 Моделирование съёма металла в ANSYS 62

2.3.2 Результаты исследования глубины внедрения гранулы по Ansys 63

2.3.3 Численные результаты исследования объема и массы удаляемого материала в результате одного акта взаимодействия с зерном абразивной гранулы в пакете ANSYS 75

2.4 Исследование процесса формирования шероховатости обрабатываемой поверхности детали 81

2.5 Определение времени обработки 87

2.5.1 Удаление дефектного слоя 88

2.5.2 Достижение установившейся шероховатости 89

2.5.3 Получение заданной шероховатости поверхности 89

Глава 3 ПРИБОРЫ, ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДЫ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 92

3.1 Технологическое оборудование 92

3.2 Оборудование и инструменты для экспериментальных исследований 95

3.3 Подбор материала для образов 96

3.4 Абразивные гранулы и технологическая жидкость 98

3.5 Методика определения съема металла 100

3.6 Методика определения шероховатости 100

3.7 Исследование скорости гранулы при ЦРO 101

Глава 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ЦЕНТРОБЕЖНО-РОТАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ 106

зернистости абразива 112

4.3 Исследование влияния зернистости абразива на формирование шероховатости поверхности и съем металла с детали 114

4.4 Исследование зависимости съема металла и формирования шероховатости поверхности детали от частоты вращения дна ротора ЦРО 123

Глава 5 ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ 129

5.1 Методика расчета оптимальных технологических параметров ЦРО в среде абразива 129

5.2 Параметрическая оптимизация технологических операций 131

5.3 Промышленная реализация результатов исследований 135

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 136

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 138

ВВЕДЕНИЕ

В современном машиностроении, в условиях технологической революции 4.0, научно-технический прогресс постоянно развивается с увеличением количества и сложности новых технологических продуктов Это изменило традиционное мышление производства, требуя новых оптимальных и более эффективных производственных технологий с точки зрения производительности, качества и цены продукции Чистовая обработка поверхности — это метод окончательной обработки, который оказывает решающее влияние на качество и механические свойства деталей Проблема в том, что необходимо улучшить качество деталей за счет улучшения изделий, имеющих сложный профиль конструкции, и повышения эффективности новых методов чистовой обработки Благодаря вышеуказанным преимуществам, методы абразивной обработки всегда играют важную роль в современной машиностроительной промышленности и постоянно оптимизируются, повышая эффективность обработки

Заготовки с простой формой поверхности, такой как плоская поверхность, обычно обрабатываются с использованием фиксированного абразива, для деталей со сложной формой поверхности, таких как фасонные изогнутые поверхности, обработка свободным абразивами является лучшим методом

Центробежно-ротационная обработка (ЦРО) является одним из широко используемых методов обработки свободными абразивами К настоящему времени технологические возможности ЦPO с использованием свободного абразива для чистовой обработки изучались многими авторами Однако определение сложных зависимостей влияния геометрических параметров абразивных частиц и механических свойств материала детали на качество и производительность процесса абразивной обработки конкретно не изучалось Проектирование процесса абразивной обработки ЦРО с учетом влияния

вышеуказанных научных проблем На основе современных исследований и анализа с использованием программного обеспечения Ansys построена и изучена единая модель взаимодействия абразивной частицы с поверхностью заготовки Теоретические и экспериментальные исследования динамики движения рабочей среды и детали при ЦРО Эта модель позволяет учесть сложную зависимость влияния механических свойств заготовки геометрических параметров абразива, определение максимальной глубины, количества съема металла и шероховатость поверхности при однократном взаимодействии абразивной частицы и заготовки

В работе осуществлено конечноэлементное моделирование процесса взаимодействия единичной частицы с поверхностью детали в конечноэлементном пакете ANSYS Проведена серия численных экспериментов для различных значений параметров На основе данных расчетов построена регрессионная модель процесса съема метала при единичном взаимодействии Схема общего съема металла может быть построена на основе вероятностного подхода, учитывающего случайный характер взаимодействия

Проведен натурный эксперимент, в котором использовались абразивные частицы различной формы Построены зависимости величины съема металла, высоты микронеровностей от частоты вращения днища станка

Полученные математические модели позволили уточнить методику расчета съема металла и шероховатости обработанной поверхности и внести изменения в расчетный блок САПР ТП для ЦРО В результате комплексной

экспериментальной проверки подтверждена адекватность предложенных теоретических моделей Разработаны технологические основы методики проектирования технологических процессов ЦРО и их оптимизации

Цель работы - повышение эффективности центробежно-ротационной

абразивной обработки (ЦРАО) на основе создания комплекса современных математических моделей динамики движения массы загрузки в рабочей камере, расчета производительности процесса и параметров шероховатости обработанной поверхности

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

1 Компьютерное моделирование динамики движения массы загрузки в рабочей камере станка

2 Теоретическое моделирование процесса соударения абразивной гранулы

с обрабатываемой поверхностью

3 Разработка теоретической и эмпирической модели процесса съема металла с поверхности обрабатываемой детали

4 Разработка теоретической и эмпирической модели процесса формирования шероховатости обрабатываемой поверхности

5 Уточнить методику расчета времени обработки при решении различных технологических задач

6 Разработать методические основы повышения эффективности ЦРАО и возможности оптимизации технологических процессов

Объектом исследований является технология центробежно-ротационной

обработке в абразивных средах

Предметом настоящего диссертационного исследования являются

параметры съёма металла и шероховатости обрабатываемой поверхности

снижение их себестоимости) и №5 (Методы проектирование и оптимизации технологических процессов)

Автор защищает:

1 Модель динамики гранулированного массива в камере ЦРО

2 Теоретическую модель процесса соударения абразивной гранулы с поверхностью обрабатываемой детали с учетом комплексного влияния свойств материала и абразивной среды

3 Методику расчета съема металла и параметров установившейся шероховатости с использованием конечно-элементного моделирования в Ansys

4 Методику и результаты экспериментальных и теоретических исследований по выявлению влияния физико-механических свойств обрабатываемого материала и характеристик абразивных сред на время обработки и качество обрабатываемой поверхности

5 Методику оптимизации технологических параметров ЦРО

Научная новизна На основании компьютерной обработки скоростной

киносъёмки и теоретических исследований динамики ЦРО установлены распределения давлений и скорости движения гранул в рабочей камере

Разработана уточненная модель процесса соударения абразивной гранулы с обрабатываемой поверхностью при (ЦРАО) на основе современных исследований и анализа с использованием программного обеспечения Ansys Предложена уточненная методика расчета удаления металла с обрабатываемой поверхности деталей Разработана уточненная методика расчета высотных

параметров шероховатости обработанной поверхности и производительности обработки Разработан алгоритм оптимизации ЦРАО

Практическая ценность работы Разработана уточненная методика

расчета параметров абразивной среды, производительности и качества обработки Предложены алгоритм и программа прогнозирования результатов ЦРАО Разработан усовершенствованный блок расчета и оптимизации технологических процессов для повышения эффективности и качества обработки

Реализация работы Результаты исследования внедрены в производство

Работа выполнена на кафедре «Технология машиностроения» Донского государственного технического университета

Публикации результатов работы

По материалам диссертационной работы опубликовано 23 научные работы,

в том числе 4 статьи в системе «Web of Science» и Scopus, 5 статьи в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК РФ

количества и сложности новых технологических продуктов Это изменило традиционное мышление производства, требуя новых оптимальных и более эффективных производственных технологий с точки зрения производительности, качества и цены продукции Современные требования к развитию машиностроительного производства обуславливаются повышением требований, улучшением производительности и повышением качества механической обработки

При выполнении финишных операций получили широкое распространение методы обработки свободными абразивами, что объясняется простотой применяемого оборудования, широкой универсальностью при решении различных технологических задач, высоким качеством обрабатываемых поверхностей и возможностью одновременной обработки значительного количества деталей

Рис 1.0 Mодели для абразивной обработки

Применение шлифования было последним процессом механической обработки, который появился около 2 миллионов лет назад, когда шлифованием производились доисторические инструменты Природные абразивные зерна использовались до 1980-х годов, когда были обнаружены и добыты руды для производства Al2O3 и Sic Искусственные абразивы имеют много преимуществ перед естественными абразивами, поскольку можно контролировать количество примесей в них и можно контролировать качество абразива в процессе производства Абразивная промышленность имеет контролируемые параметры, такие как размер частиц и прочность зерна, подходящие для различных шлифовальных работ Во время Второй мировой войны периодические поставки природных алмазов для шлифовальных кругов стимулировали исследования по разработке материалов для их замены В 1955 году многие инновации в разработке абразивов привели к успешному производству искусственных алмазов Вскоре после этого был изготовлен кубический нитрит бора Алмазы и искусственные CBN известны под названием суперабразивы, потому что они обладают хорошими свойствами, подходящими по твердости, износостойкости, прочности на сжатие, теплопроводности и т д В настоящее время, с развитием науки и техники в целом и машиностроительной промышленности в частности, рождается все больше и больше новых материалов, отвечающих растущим требованиям к механическим свойствам С другой стороны, обрабатываемость этих материалов очень низкая (их трудно обрабатывать), и к деталям предъявляются все более высокие требования к качеству и точности В современном машиностроении шлифование составляет очень большую долю, шлифовальные станки составляют около 30% всех металлорежущих станков В частности, в производстве подшипников процесс шлифования составляет около 60% всего технологического процесса

требований

Сегодня в мире абразивные методы обработки подразделяются на 2 группы режущих инструментов:

Шлифование — это метод высокоскоростной обработки Абразивные частицы прочно удерживаются в шлифовальном круге с помощью связки, скорость резания при шлифовании очень высокая, обычно v = 30 ÷ 35 м/с или может быть более 100 м/с Процесс шлифования можно рассматривать как

непрерывное царапание обработанной поверхности Из-за высокой скорости резания геометрия лезвия нерациональна, температура резания при шлифовании очень высокая, до 1000 ÷ 1500 С Шлифовальные зерна имеют высокую твердость, хрупкость, высокую термическую стабильность Поэтому они могут обрабатывать материалы с высокой прочностью, такие как закаленная сталь, твердый сплав и жаропрочная сталь Процесс шлифования — это процесс царапания поверхности с образованием очень маленькой стружки, поэтому шлифование позволяет достичь очень высокой точности и гладкости поверхности При тонком шлифовании можно достичь точности 5 – 6 квалитет, шероховатость поверхности Ra = 0,1 - 0,2 мкм Таким образом, шлифование является завершающим процессом и часто является завершением технологического процесса Однако метод абразивной обработки с фиксированными абразивами также имеет недостатки, такие как: когда температура абразивной зоны увеличивается, это снижает механические свойства поверхности детали, отдельные абразивные частицы могут царапать обрабатываемую поверхность, поэтому точность низкая, шероховатость поверхности Rz большая [1,7,10,14,21,25,26,35,36,38,40,41, 53, 75,77,79,80,81,82,84]

Чтобы преодолеть вышеуказанные недостатки и повысить производительность обработки, снизить дополнительные затраты, требуется исследование новых методов обработки — это метод обработки с использованием свободных абразивных частиц, при котором свободно абразивные частицы не имеют жесткой кинетической связи со станком При взаимодействии абразивной среды и обрабатываемой детали обеспечивается равномерное распределение режущих кромок абразивных частиц в псевдожидкостной среде, одинаковой интенсивностью обработки всей партии

Рис 1.1 Методы обработки свободным абразивом

Во многих исследованиях доказано:

Методы абразивной обработки с использованием свободного абразива имеют простое оборудование, высокую надежность, но позволяют обрабатывать многие детали сложной геометрической формы из различных материалов и различных размеров

Доказано, что по сравнению с обычным методом шлифования скорость резания и температура в зоне микрорезания намного ниже, обрабатываемая поверхность не трескается, имеет высокое качество и не меняет структуру обработанной поверхности (нежелательные изменения текстуры поверхности) Эти преимущества достигаются благодаря тому, что во время обработки всегда

используется технологическая жидкость для промывки зоны микрорезания [44,48,68]

Метод центробежно-ротационной обработки с использованием свободных абразивных частиц всегда обеспечивает высокое качество обработки поверхности и производительность, в 2–3 раза превышающую производительность обработки другими методами Однако этот метод обработки не применялся широко, поскольку исследования по этому методу ограничены, производительность и качество поверхности деталей не были исследованы при применении для обработки деталей из разных материалов С

1983 г доктор технических наук, профессор Трилисский В.О и его коллеги из Пензенского политехнического института исследовали и разработали метод центробежно ротационной обработки [41,65,66,67]

технологическая жидкость

Рабочая камера состоит из неподвижной цилиндрической обечайки 1 (в состоянии покоя) и смежного вращающегося основания 2 (ротора), заготовки 4 вместе с абразивными частицами 3 подаются в рабочую камеру навалом, при вращении ротора 2 создается тороидальный винтовой поток Противоизносные покрытия состоят из листов резины или полимерной пластмассы, нанесенных на рабочие поверхности станка для уменьшения трения и противодействия износу

во время обработки [65,66,67]

В процессе работы в рабочей камере за счет контактного движения заготовки и абразивных частиц происходит съем металла Заготовка и абразивные частицы всегда омываются охлаждающей жидкостью, называемой технологической жидкостью (ТЖ) Технологическая жидкость оказывает очищающее действие на обрабатываемую поверхность, удаляет шлам стружки с абразивных частиц, снижает температуру во время обработки, охлаждает заготовку

Кроме того, метод обработки ЦРО также реализуется в двух следующих случаях: (Рисунок 1.3):

- Для деталей небольшого размера и низкой твердости заготовки и абразивные частицы одновременно помещаются в рабочую камеру ЦРO Во время одного цикла обработки, рабочая камера ЦРO содержит большое количество абразивных частиц и деталей (Рисунок 1.3 а)

Рис 1.3 Варианты выполнения центробежно-ротационной абразивной обработки: a) без закрепления деталей; b) с вращением закрепленной детали

С этим методом обработки частота вращения ротора рассчитана в диапазоне 6-40 рад/с, загрузка рабочей камеры при работе не превышает 0,5 - 0,7 объема Производительность обработки ЦРО по данным превосходит галтовочную обработку до 36 раз, и в 12,5 раз выше, чем у вибрационной обработки Среднее арифметическое отклонение профиля шероховатости обрабатываемой поверхности достигает Rа = 0,23- 0,35 мкм Профиль шероховатости обрабатываемой поверхности является изотропным

При обработке точных осесимметричных деталей эффективность процесса значительно повышается с использованием шпиндельной обработки (Рисунок 1.3b) для обеспечения равномерности обработки вращающейся детали необходимо придерживаться следующих технологических рекомендаций: диаметр рабочей камеры должен в 2 раза превышать диаметр обрабатываемой детали, угловая скорость вращения днища 80 – 100 рад/с, угловая скорость вращения шпинделя определяется следующей зависимостью:

Kv

d R

обеспечивается вращением днища (ротора) и неподвижностью цилиндрического корпуса камеры Постоянное перемешивание деталей в рабочей среде обеспечивает равномерность обработки всей их поверхности Удаление продуктов износа и смачивание зоны контакта абразивной среды с обрабатываемой поверхностью обеспечивается непрерывной подачей технологической жидкостью

Благодаря изучению литературы и анализу исследований М.А Тамаркина [57], можно использовать абразивные частицы разных размеров и геометрических форм, такие как конусы, фарфоровые шарики, призмы трехгранные ПТ Технологические возможности метода ЦРО доказаны и дают наилучшие результаты при заключительной обработке поверхностей малогабаритных деталей: обработка ювелирных изделий (полирование, обработка поверхностей); подготовка заготовок к следующей операции покрытия (резиновое покрытие, покрытие поверхности, клей, покраска .), зачистка, скругление острых кромок поверхности деталей

Анализ технологических возможностей метода обработки ЦРО дал следующие 5 преимуществ:

1) Это метод обработки, который решает практически все задачи обработки

2) По сравнению с известными методами обработки свободным абразивом, производительность обработки методом ЦРО увеличивается от 12 до

36 раз

3) Оборудование метода ЦРО спроектировано с учетом простоты, высокой надежности и удобства использования

4) В отличие от других методов обработки, метод ЦРО позволяет обрабатывать множество деталей одновременно

5) Это метод обработки с наивысшей интенсивностью обработки по сравнению с другими методами

Помимо обширных технологических возможностей и выдающихся преимуществ, у метода обработки ЦРО есть еще недостатки

1) В процессе обработки, создается высокое давление и скорость во вращающейся камере (тороидальный винтовый поток), детали большого размера, большого объема и малой жесткости не обрабатываются методом ЦРО

2) Отсутствует теоретическая модель для исследования динамики движения массы загрузки в рабочей камере

3) Заготовки с множеством различных поверхностей имеют неравномерное качество поверхности после обработки (качество обработки внешней поверхности цилиндра будет выше, чем качество внутренней поверхности цилиндра) При обработке происходит сильное скругление острых кромок

В методе ЦРО с использованием свободных абразивных частиц качество и производительность обработки зависят от следующих факторов:

1) От вариации технологических параметров обработки (время обработки, форма абразивныи частиц, угловая скорость обработки, форма и масса детали, масса загрузка рабочей камеры и др);

2) При использовании абразивных частиц разного характерного размера (описанной окружности) и различной зернистости;

3) От объема рабочей камеры и объема массы загрузки

имеет большое влияние на формирование потока, скорость ротора пропорциональна углу α, чем больше угол α, скорость вращения ротора рабочей камеры тем выше воздействие Кроме того, для образования тороидального потока во время обработки необходимо учитывать диаметр камеры и уровень заполнения загрузки (включая абразивные материалы и детали)

Изучая опубликованные работы по ЦРО, автор обнаружил, что технологические параметры процесса обработки все еще ограничены, не полностью изучены, что привело к ограничению применения этого метода обработки В процессе обработки высокая скорость, нагрузка на заготовку и абразив сильно влияют на эффективность обработки В некоторых ранних исследованиях была заявлена цель метода ЦРО - это черновая, абразивная обработка Чтобы метод ЦРО обеспечивал все виды механической обработки, такие как очистка, чистовая обработка и полировка, необходимо изучить и разработать технологический процесс этого метода

Обработка ЦРО в абразивной среде значительно изменяет механические свойства поверхностного слоя материала и его топографию, обеспечивает стабильную шероховатость независимо от времени обработки процесса, сглаживание мелких заусенцев, полностью стираются следы предыдущих методов обработки, создавая новые изотропные поверхности

Благодаря преимуществам вышеуказанного процесса ЦРО необходимо исследовать параметры процесса обработки в зависимости от физических свойств материала и условий обработки Во время обработки ЦРО происходит

постоянное контактное взаимодействие между бесчисленными микроскопическими абразивными частицами в абразивной среде с поверхностью обрабатываемой детали это вызывает положительные изменения механических свойств поверхностного слоя заготовки При обработке деталей всегда ожидается, что поверхностный слой детали достигнет расчетного остаточного напряженного состояния, наряду с его микротвердостью и шероховатостью поверхности, которые являются тремя важными факторами, определяющими эффективность процесса обработки Многие исследования доказали, что процесс ЦРО происходит при низкой температуре, не превышающей 4500C, потому что в процессе обработки подача технологической жидкости постоянно поддерживается для охлаждения и промывки заготовки При механической обработке поверхностная пластическая деформация заготовок сопровожидается остаточными напряжениями, возникающими из-за воздействия абразивных частиц на поверхность заготовки Одним из ключевых элементов процесса проектирования и разработки процесса ЦРO является выбор абразивных частиц Используются абразивные частицы природного и искусственного происхождения Среда для обработки состоит из смеси микрочастиц разного размера, прикрепленных к разным субстратам Для черновой и чистовой обработки используются среды с различным размером частиц, с различной зернистостью и режущей способностью [52]

К настоящему времени было проведено множество исследований факторов, которые влияют на параметры технологического процесса ЦРO: на производительность и качество обработки поверхности

В известных работах исследователи сходятся во мнении, что наиболее важными являются следующие параметры техпроцесса ЦРO:

- скорость вращения ротора;

- размеры и режущие свойства абразивных гранул;

обработки

На данный момент исследования существующих технологий ЦРО и информационных процессов остаются неполными, разрозненными, отсутствуют экспериментальные исследования зависимостей для определения основных параметров технологического процесса ЦРО, связанных с качеством обработки этим методом Следовательно, применение метода ЦРО для обработки поверхности деталей не является широко доступным, хотя это метод обработки

с высокой производительностью Важной проблемой является определение степени влияния перечисленных выше параметров на качество и производительность процесса механической обработки, которые до сих пор не изучены и не реализованы

К настоящему времени было проведено множество исследований, посвященных основным принципам, природе и технологическим возможностям метода ЦРО В которых наиболее примечательны исследования Тамаркина М.А., Трилисского В.О., Тищенко Э.Э., Панчурина В.В., Королькова Ю В., Кузаконь В.М., Давыдовой И.В., [16,28,41,52,60,61,63,64,66,67]

Проведены теоретические и экспериментальные исследования по влиянию технологических параметров ЦРО на производительность и шероховатость поверхности детали и съем металла на разных режимах обработки

Изучение работ [65,66,67] Трилисского В.О показало, что при изменении технологических параметров процесса ЦРО были получены следующие

результаты: при обработке деталей абразивными гранулами съем металла плавно возрастает с течением времени, шероховатость поверхности уменьшается при чем в течении первых 30 минут интенсивность изменения шероховатости максимальна, затем она постепенно уменьшается, микротвердость поверхности увеличивается примерно в течении 30 минут, а затем остается неизменной, что свидетельствует о наличии упрочнения поверхностного слоя обрабатываемой детали несмотря на наличие микрорезания при ЦРАО

Под руководством В.О Трилисского спроектированы и внедрены в производство станки для ЦРО малого и среднего объема

Однако при проведении исследований не ставилась цель оптимизации технологического процесса Так же не было произведено изучение влияния таких технологических факторов, как исходная шероховатость поверхности, физико-механические свойства материала обрабатываемой детали, комплексные характеристики абразивных гранул

Отмечена высокая производительность нового метода обработки Существенным недостатком в ряде случаев является повышенный износ абразивных гранул Для его расчета Трилисский предлагает следующую зависимость:

7 6 5 4 3 2

1 b b b

W

b V

b b p

использовать гранулы, имеющие высокую твердость

Работа Давыдовой И.В [16] посвящена разработке теоретических моделей съема металла с обрабатываемой поверхности, формирования ее шероховатости при изменении режимов обработки

Автор рассматривает поведение рабочей среды как вязкой несжатой жидкости, к которой применимо уравнение Навье-Стокса и уравнение неразрывности потока Бернулли Предложены зависимости для расчета параметров тороидально-винтового потока в рабочей камере, например

Рис 1.4 Уравнение неразрывности потока Бернулли Разработана модель съема металла с обрабатываемой поверхности, описывающая скольжение твердой абразивной гранулы по поверхности меньшей твердости Автор исследовал и предложил формулу для расчета объёма удаления металла с поверхности мягкого материала в процессе абразивной обработки следующим образом:

n T

2

4

S RQ

r R r R tn

k k q

T

з П з

В исследовании М.А.Тамаркина [52] для изучения теоретических основ оптимизации обработки поверхности деталей с использованием свободных абразивных частиц были получены общие теоретические зависимости, которые были предложены в качестве основы для расчета основных технологических параметров метода ЦРО свободными абразивными частицами Рассмотрено и исследовано однократное контактное взаимодействие абразивной частицы с поверхностью заготовки

Получена зависимость для расчета среднеарифметического отклонения профиля шероховатости обработанной поверхности, имеющая зависимость экспоненциальный характер:

 u уст k t и уст

R  R R e R , (1.6) где u

a

R - среднее арифметическое отклонение исходного профиля шероховатости;

kи- коэффициент снижения интенсивности

Работа Тищенко Э.Э [63] посвящена исследованию влияния технологических параметров на результаты ЦРО в стальных шарах Автор сделал вывод, что «масса груза имеет большое влияние на формирование потока среды в рабочей камере», предложил зависимости для расчета режимов отделочно-упрочняющей ЦРО

Анализируя вышеуказанные работы, можно сделать вывод, что исследователи не изучили достаточно параметров для определения производительности и качества ЦРО, не полностью описали процесс

Изучив опубликованные работы по методам обработки ЦРО, мы обнаружили, что нет исследований, которые полностью освещают следующие вопросы:

Теоретические исследования модели однократного взаимодействия абразивной частицы с поверхностью заготовки в абразивной обрабатывающей среде

- Исследование максимальной глубины проникновения абразивного зерна

в поверхность заготовки

- Исследование удаления металла с поверхности заготовки при однократном контактном взаимодействии абразивного зерна с заготовкой

- Максимальное перемещение гранулы

большой эффект для более широкого применения метода ЦРО

При проведении экспериментальных исследований необходимо учитывать влияние технологических параметров, таких как скорость вращения ротора, время обработки, размер зерна абразивных частиц на удаление металла и шероховатость поверхности заготовки

Что касается вышеперечисленных факторов, дальнейшее экстенсивное развитие ЦРО и его промышленное развитие сталкивается с серьезными трудностями и не может быть реализовано без аналитического описания механизма съема металла с обрабатываемой поверхности, что позволит предложить уточненную методику оптимизации технологических процессов ЦРАО

1.3 Цель и задачи исследования Цель работы - повышение эффективности центробежно-ротационной

абразивной обработки (ЦРАО) на основе создания комплекса современных математических моделей динамики движения массы загрузки в рабочей камере, расчета производительности процесса и параметров шероховатости обработанной поверхности

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

1 Компьютерное моделирование динамики движения массы загрузки в рабочей камере станка

2 Теоретическое моделирование процесса соударения абразивной гранулы

с обрабатываемой поверхностью

3 Разработка теоретической и эмпирической модели процесса съема металла с поверхности обрабатываемой детали

4 Разработка теоретической и эмпирической модели процесса формирования шероховатости обрабатываемой поверхности

5 Уточнить методику расчета времени обработки при решении различных технологических задач

6 Разработать методические основы повышения эффективности ЦРАО и возможности оптимизации технологических процессов

последующего использования полученных результатов в моделях единичного взаимодействия абразивных гранул с поверхностью обрабатываемой детали и получения количественных оценок интенсивности съема материала и параметров шероховатости обрабатываемой поверхности детали Как следует из обстоятельного обзора, приведенного в монографии [71], построение математических моделей динамики гранулированных сред в наиболее общей постановке представляет собой исключительно сложную задачу, не решенную

до настоящего времени Основная трудность состоит в том, что при различных условиях динамика гранулированной среды, обладающей способностью к течению, может быть удовлетворительно описана уравнениями гидродинамики

Та же среда, подвергнутая интенсивным сжимающим напряжениям, ведет себя аналогично твердому телу

Динамика движения такой среды исследована в работах Юнг Чака [84] Сложность моделирования динамики процесса вызвана тем, что масса загрузки при ЦРО является трехмерной системой (сложность или принципиальная невозможность размещения датчиков скоростей и давлений в гранулированной среде)

В современных условиях эмпирические исследования подтверждают возможность моделирования гранулированной среды как силовой решетки, состоящей из цепочек гранул, в которых наблюдается максимальное контактное

напряжение [82,93] В частности, перечисленные работы решали следующие задачи:

- установления зависимостей влияния макроскопических деформаций от макроскопических напряжений (а также обратной зависимости);

- влияние величины приложенных напряжений на изменение упругих модулей среды

Специфика процесса ЦРО, заключающаяся в особенностях поведения гранулярного массива, находящегося во вращающейся рабочей камере, и значительно осложняющая анализ его динамического поведения состоит в следующем Под действием значительных центробежных сил вращающийся массив технологических гранул прижимается к неподвижной цилиндрической стенке, резко замедляющей круговое движение гранул Таким образом, пристеночный слой гранул ведет себя аналогично твердому телу Однако, гранулы, выталкиваемые на поверхность потоком, движущимся радиально по вращающемуся дну камеры, свободно сбегают вниз к центру камеры, где гранулярный массив весьма разрежен, и его поведение сходно с поведением жидкости В настоящее время разработаны три класса моделей динамики быстрого движения гранулированных сред Это локальные модели частных явлений в конкретных процессах (чаще всего обыкновенные дифференциальные уравнения) Ко второму классу следует отнести феноменологические модели сплошной среды, получаемые на основе тех или иных гипотез относительно возникновения напряжений в среде с помощью процедур усреднения по пространству и (или) по времени Третий класс, приобретший значительную популярность в связи резким ростом производительности современной вычислительной техники, - прямые компьютерные модели, основывающиеся только на законах взаимодействия гранул в среде

слоя металла, удаления литейных дефектов, улучшения шероховатости поверхности, важнейшими характеристиками гранулярного массива являются некоторое среднее давление в среде и плотность потока энергии, переносимого

этой средой [71, 82] Плотность потока энергии Е, представляющая собой

количество энергии, «вытекающей» в единицу времени из единичного объема, выделенного в движущейся сплошной среде, выражается известным соотношением [29]

в единицу времени S  L3 L 2 T 1 LT 1 размерность величины , характеризующей свойство обрабатываемой поверхности согласно соотношению [71]

обрабатываемой поверхности на величину съема металла Зависимость (2.2) позволяет описать эмпирическую закономерность увеличения удельного металлосъема при повышении скорости движения и давления среды Использование этой зависимости возможно после расчета полей скоростей и давлений гранулированной среды в различных зонах рабочей камеры и расчета параметра , характеризующего сопротивление металла воздействию конкретным абразивным частицам

Как отмечено выше, поведение массива абразивных гранул в камере ЦРО носит весьма сложный характер, и зависит от конкретной зоны камеры А именно, в пристеночной зоне цилиндрической камеры гранулы испытывают максимальное сжимающее воздействие, а по мере приближения к оси вращения ведут себя сходно с жидкостью При этом гранулярный массив в состоянии покоя под действием силы тяжести принимает форму диска с практически плоской горизонтальной верхней свободной поверхностью, которая при рабочей частоте вращения искажается, опускаясь вблизи оси вращения и поднимаясь по мере приближения к неподвижным боковым стенкам цилиндрической камеры Прижимаемый к неподвижной боковой стенке массив гранул движется вверх и в окружном направлении, испытывая силу трения, за счет которой скорость окружного движения этих гранул снижается Тем самым,

в пристеночной зоне имеет место сдвиговая деформация гранулярного массива, сжимаемого центробежной силой Эти соображения были использованы при выборе классов моделей для описания динамики рабочей среды в камере ЦРО

Моделирование формы массы загрузки под действием центробежной силы, соответствующей скорости вращения камеры при экспериментальных исследованиях - 12 об/сек, выполнялось с использованием ее модели как гиперэластичного изотропного материала Отказ от модели вязкой жидкости со свободной границей был продиктован необходимостью исключения режима

вращения Свойства материалов обеих моделей были подобраны таким образом, чтобы результат моделирования был максимально приближен к характеристикам натурной системы, доступным для наблюдения и регистрации

в эксперименте, а именно, форме свободной границы среды и средним скоростям частиц на поверхности

2.1.1 Моделирование формы массы загрузки - гранулярного массива в цилиндрической камере ЦРО под действием центробежной силы и силы

тяжести

В связи с необходимостью учета явления изменения реологических свойств гранулированной среды при действии сжимающего давления в качестве модели материала была принята обобщенная модель Мурнагана 2-го порядка [96]

     

1

0 0 0

0

1

1 2

V V K K

K V

где K0- модуль всестороннего сжатия при нулевом давлении, когда тело занимает объем V0, V - объем тела после его всестороннего сжатия давлением

0

0 , K

K - константы, определяющие увеличение объемного модуля при сжатии, так что он квадратично зависит от приложенного давления

0 0

0  10

p Па, преобразуем его к виду

0 0

0 0

С целью снижения вычислительной трудоемкости задачи в качестве геометрии конечноэлементной модели, реализованной в пакете Comsol Multiphysics, был принят сектор с углом раскрытия 60 радиусом 0,25 м (см рис 2.1)

Рисунок 2.1 Геометрия конечноэлементной модели для определения

деформации гранулярного массива в камере ЦРО

постоянная времени В объеме тела действует массовая сила, обусловленная вращательным движением контейнера и силой тяжести

F F F

z y x

где g - ускорение свободного падения и   1500 кг/м3 - насыпная плотность неуплотненной среды Предполагается, что в процессе уплотнения плотность среды меняется незначительно Начальные значения компонентов скорости и давления нулевые

Граничные условия (см рисунок 2.2):

Верхняя граница массива (1) - свободна от действующих сил

Цилиндрическая поверхность (2), ограничивающая объем среды - смещения по радиусу равны нулю R r  0; реакции Т х и Т у определяются в процессе симуляции, реакция в вертикальном направлении T z  k frT r

пропорциональна нормальной реакции в радиальном направлении, и коэффициент трения принят равнымk fr 0 , 3

Нижняя поверхность (3) ограничена в вертикальном направлении R z  0

На узкой поверхности (4), примыкающей к оси вращения, запрещено радиальное смещение, но вертикальное, вдоль оси свободно

Рисунок 2.2 Граничные условия в задаче моделирования деформации

гранулярного массива Конечноэлементное разбиение геометрии представлено на рисунке 2.3

Рисунок 2.3 Конечноэлементное разбиение в задаче моделирования

деформации гранулярного массива Решение нестационарной задачи производилось с шагом 1 сек до 120 сек, когда угловая скорость вращательного движения, вызывающего действие центробежной силы на объем материала, и ускорение силы тяжести стабилизируются Для большей информативности постпроцессинг результата расчета представлен на плоскости радиального среза распределением давления

в объеме среды, подверженной совместному действию центробежных и гравитационных сил (см рис.2.4)

Рисунок 2.4 Распределение гранулярного материала, подверженного действию

центробежных и гравитационных сил, в его радиальном сечении

Необходимо отметить, что полученный результат наиболее надежен в части реконструкции формы вращающегося гранулярного массива в камере ЦРО вдали от оси вращения, где модель Мурнагана адекватно описывает увеличение модуля упругости гранулированного материала при сжатии Однако, реальный гранулированный материал обладает пренебрежимо малой жесткостью при действии растягивающих напряжений, причем эта жесткость обусловлена только наличием технологической жидкости Тем не менее, с учетом того что объем материала в окрестности оси вращения достаточно мал, а давления в нем минимальны, влияние абразивных гранул в этом объеме на характеристики съема металла в процессе ЦРО можно считать незначительным Этот вывод позволяет использовать полученный результат для оценки влияния различных зон контейнера на производительность процесса

2.1.2 Моделирование поля скоростей и давлений в массе загрузки ЦРО

Гидродинамический подход

Как указывалось выше, интенсивность съема металла при массовом воздействии потока абразивных частиц пропорциональна плотности потока энергии этих частиц (см соотношения (2.1), (2.2)), зависящей от давления и скорости в среде относительно поверхности обрабатываемого материала Целью

настоящего раздела являлось определение этих величин и их распределения в объеме массы загрузки Для решения поставленной задачи использовалась гидродинамическая модель материала Поскольку моделируемая система аксиально симметрична, построение модели осуществлялось для двумерного радиального сечения контейнера Модуль Swirl Flow (Вихревое течение) системы Comsol Multiphysics позволяет для 2D сечения определять также угловые скорости Определяющими уравнениями задачи являются уравнение Навье- Стокса и неразрывности

u u

w r

w r r r z

p z

w w r

w u

F z

v r

v r

v r r r z

v w r

uv r

v u

F z

u r

u r

u r r r r

p z

u w r

v r

u u

2 2 2 2

2

2 2

2 2

1 1 1

Рисунок 2.5 Нумерация границ модели гидродинамики осесимметричного

потока в камере ЦРО

На оси вращения (1) условие "Аксиальная симметрия" обеспечивает возможность течения только в тангенциальном направлении: r 0 ;u 0 На границе (2) "Sliding wall" (Скользящая стенка) заданы условия на скорость

стенки в плоскости rz: U w  0 и на скорость стенки в плоскости rφ в направлении

φ: w  r Передача касательных напряжений объему жидкости осуществляется

посредством введения фиктивного пристеночного слоя жидкости бесконечно малой толщины с вязкостью   100

w

 Па*с На границе (4) "Неподвижная стенка" радиальная составляющая скорости равна нулю, а касательные компоненты вызывают возникновение сил взаимодействия жидкости за счет наличия фиктивного пристеночного слоя высокой вязкости аналогично границе (2) Для исключения необходимости использования режима движущейся сетки при описании свободной поверхности, что могло бы значительно увеличить вычислительную трудоемкость задачи и снизить численную устойчивость решения на границе (3) введено условие симметрии, что означает равенство нулю z-компоненты скорости и отсутствие тангенциальных сил, действующих в радиальном и окружном направлениях Следствием такого упрощения является искажение реального уровня вращающейся "псевдо-жидкости" по радиусу Однако, с учетом того, что энергетическая характеристика течения в области,