ДЕРЖАВНИЙ ВИЩІЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД

«ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ»

Негруб Світлана Леонідівна

УДК 621.923

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ФІНІШНОЇ ОБРОБКИ

ЕЛАСТИЧНИМИ ПОЛІМЕР – АБРАЗИВНИМИ

ІНСТРУМЕНТАМИ

Спеціальність 05.02.08 – технологія машинобудування

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Донецьк - 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі «Технологія машинобудування» Національної металургійної академії України Міністерства освіти і науки України, м. Дніпропетровськ

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор,

Заслужений діяч науки і техніки України

Проволоцький Олександр Євдокимович,

Національна металургійна академія України,

м. Дніпропетровськ,

завідувач кафедри «Технологія машинобудування»

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Гусєв Володимир Владиленович,

двнз «Донецький національний технічний університет»,

професор кафедри «Металорізальні верстати та

інструменти»

кандидат технічних наук, доцент

Лубенська Людмила Михайлівна,

Східноукраїнський національний університет

імені Володимира Даля, м. Луганськ,

доцент кафедри «Технологія машинобудування»

Захист відбудеться "14" лютого 2008 р. о 14-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д11.052.04 у ДВНЗ «Донецький національний технічний університет», за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, ДВНЗ «Донецький національний технічний університет», 6-й учбовий корпус.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці ДВНЗ «Донецький національний технічний університет», за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, ДВНЗ «Донецький національний технічний університет», 2-й учбовий корпус.

Автореферат розісланий "10" січня 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Д11.052.04,

к.т.н., доцент Т.Г. Івченко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Безперервне зростання обсягів виробництва продукції характеризується підвищенням кількості фінішних операцій, на яких відбувається формування деяких якостей поверхонь, наприклад, шорсткості та мікрорельєфу поверхні. На цьому етапі велике значення набуває інструмент, за допомогою якого відбувається обробка поверхні. Одним з альтернативних методів абразивної обробки є обробка поверхонь деталей еластичними полімер-абразивними інструментами (ЕПАІ), які мають широкі технологічні можливості завдяки своїй конструкції. Загалом обробці ЕПАІ підлягають деталі з конструкційних матеріалів різної конфігурації та геометричних розмірів. Можлива обробка площин, зовнішніх, внутрішніх циліндрових та складнопрофільних поверхонь. У технологічних процесах цей інструмент використовується на слюсарних операціях, що недостатньо. Цим операціям властиві недоліки: низька продуктивність і високі витрати праці, висока собівартість робіт, значний розкид параметрів, підвищена загроза травм. Ефективного використовування інструмента можна досягти, встановивши взаємозв'язок між силовими параметрами процесу різання, режимами різання, характеристиками інструмента та поверхні, що обробляється. Практична реалізація такої пропозиції можлива при встановленні залежностей основних показників процесу обробку від технологічних параметрів - величини деформації інструмента, зернистості абразивних часток, швидкості різання, геометричних співвідношень між інструментом та поверхнею, що обробляється. Властивості мікрорельєфу, що утворюється на поверхні заготовки, залежать від особливостей інструмента. Матовий мікрорельєф забезпечує обробленій поверхні підвищену газо- та гідроємність, що важливо для деталей пар тертя. Відомі фінішні інструменти не забезпечують утворення матового мікрорельєфу на поверхні заготовки через направлені сліди обробки, що залишаються. ЕПАІ дозволяє отримати матовий мікрорельєф завдяки особливостям своєї конструкції, підвищити продуктивність процесу через застосування підвищених швидкостей різання та скорочення ручної праці. У зв'язку з цим актуальною є проблема вдосконалення методики визначення силових параметрів та підвищення ефективності фінішної обробки ЕПАІ шляхом створення технологічних схем обробки.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно науковому напряму кафедри «Технологія машинобудування» Національної металургійної академії України в рамках держбюджетних тем: «Розробка фізико-хімічних основ створення нових високотвердих ливарних сплавів з використанням нано - порошків і освоєння їх механічної обробки» (ДР №0103U003213, 2003-2005), «Дослідження інтегрованих процесів обробки деталей типу «тіла обертання» (ДР №0106U002220, 2005-2006) і науково-дослідних робіт Науково - дослідного інституту спеціальних технологій Національної металургійної академії України: «Розробка технології виготовлення спеціальних сплавів і заготовок деталей з них» (372060003, ДР № 54С), «Розробка технології формоутворення піддонів гільз методом ротаційного видавлювання» (ДР № 0302U0007206, 2001-2002), «Розробка технології відновлення стволів гармат калібром 30 мм» (ДР №0104U010740, 2004), «Розробка технології поверхневої обробки деталей» (372020005, 2005), «Розробка технології полірування дроту і конструкції спеціального верстата» (372020007, 2006), «Розробка технології і документація на верстат для полірування труб діаметром 18…50 мм» (372020007, 2007). Дисертація в повному обсязі розглянута та одержала позитивну оцінку на розширеному науковому семінарі механіко-машинобудівного факультету НМетАУ (протокол №3 від 13.09.2007).

Мета та завдання дослідження. Мета дисертаційної роботи - підвищення ефективності абразивної обробки еластичними полімер-абразивними інструментами за рахунок визначення взаємозв'язку геометричних показників інструмента та заготовки, силових параметрів обробки з величиною початкової деформації інструмента, а також вплив цих показників на якість обробленої поверхні та продуктивність абразивної обробки.

Для досягнення відміченої мети в роботі поставлені наступні задачі:

1. Вивчити технологічні особливості обробки ЕПАІ, що забезпечують необхідну якість обробленої поверхні та продуктивність абразивної обробки.

2. Розробити модель контакту ЕПАІ з поверхнями різного типу.

3. Розробити математичні моделі для визначення силових параметрів процесу обробки, таких як сила, момент та потужність різання, в залежності від величини початкової деформації інструмента та типу поверхні, що обробляється.

4. Встановити зв'язок величини шорсткості обробленої поверхні, площі контакту інструмента та поверхні, що обробляється, від вибору величини початкової деформації інструмента.

5. Провести експериментальні дослідження для визначення впливу технологічних параметрів абразивної обробки, насамперед, величини початкової деформації інструмента, зернистості та концентрації абразивних часток, швидкості різання на величину шорсткості обробленої поверхні.

6. Розробити ефективні технологічні схеми абразивної обробки ЕПАІ.

Об'єкт дослідження. Технологічний процес абразивної обробки поверхонь деталей різного типу (на прикладі плоских, зовнішніх і внутрішніх циліндрових поверхонь) ЕПАІ.

Предмет дослідження. Вплив величини початкової деформації інструмента на якість обробленої поверхні та продуктивність абразивної обробки.

Методи дослідження. Результати роботи одержані на основі комплексних теоретико-експериментальних досліджень з урахуванням основних положень вчень про технологічну спадковість, технологічне управління якістю та експлуатаційними властивостями деталей машин, фундаментальних положень технології машинобудування, опору матеріалів та вищої математики. Технологічний процес абразивної обробки розроблявся на основі результатів дослідження особливостей полірування поверхонь різного типу ЕПАІ. Це дозволило визначити раціональні параметри обробки поверхонь різного типу. Ефективність процесу абразивної обробки оцінювалася за показником продуктивності. Стан мікрорельєфу поверхні оцінювався методами аналізу металографії і профілометрування. При проведенні досліджень застосовувався профілометр мод.107622 з електроннообчислювальним комплексом заводу «Калібр» (Росія), використовувалися пакети програм: MathCad 11, Microsoft Excel 97. Результати, висновки та рекомендації підтверджені натурними експериментами. Вірогідність теоретичних досліджень підтверджена практичним застосуванням відповідних результатів.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Вперше розглянутий технологічний процес абразивної обробки ЕПАІ з урахуванням його деформації як в радіальному, так і в тангенціальному напрямках. Встановлено, що найбільше впливає на якість обробленої поверхні та продуктивність абразивної обробки величина початкової деформації інструмента h.

2. Теоретично обгрунтовано та експериментально доведено підвищення продуктивності абразивної обробки поверхні ЕПАІ в залежності від величини початкової деформації інструмента. Визначена можливість підвищення продуктивності обробки за рахунок розміщення інструмента під кутом до його осі обертання.

3. Розроблена модель контакту ЕПАІ з поверхнями різного типу з урахуванням величини початкової деформації інструмента h.

4. Створена методика визначення площі контакту інструмента з поверхнею, що обробляється, в залежності від рівня його деформації.

5. Вперше розглянута можливість використання ЕПАІ в комбінованих процесах обробки, насамперед при процесі електроерозійного зміцнення.

Практичне значення одержаних результатів.

1.

2.

3.

4.

Особистий внесок автора. У представленій роботі особистий внесок автора полягає в постановці задач, розробці методу рішення й дослідженню процесів абразивної обробки поверхонь різного типу; в обробці отриманих результатів і їх аналізі відповідно до одержаних теоретичних уявлень; формулюванні висновків по розділах та всій дисертаційній роботі. Автором запропоновані схеми абразивної обробки поверхонь різного типу на різних технологічних операціях.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати доповідалися на таких конференціях і семінарах: VIII міжнародній науково-технічній конференції «Машинобудування і техносфера на рубежі ХХІ століття» (10-16.09.2001), 5-тій міжнародній науково-технічній конференції «Фізичні і комп'ютерні технології в народному господарстві» (28-29.05.2002, ХНПК «ФЕД», Харків), Міжнародній науково-технічній конференції «Науково-технічні проблеми верстатобудування, виробництва технологічного оснащення і інструмента» (4-6.06.2002, АТМ Україна, Одеса), 8-мій міжнародній науково-технічній конференції «Фізичні і комп'ютерні технології» (9-10.12.2003, ХНПК «ФЕД», Харків), ХІІ міжнародній науково - практичній конференції «Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров'я» (20-21.05.2004, НТУ «ХПІ», Харків), науково-технічній конференції «Нові і нетрадиційні технології в ресурсо- і енергозбереженні» (2-4.06.2004, АТМ Україна, Одеса), 11-тій міжнародній науково-технічній конференції «Фізичні і комп'ютерні технології» (2-3.06.2005, ХНПК «ФЕД», Харків), ХІІІ міжнародній науково-практичній конференції «Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров'я» (19-20.05.2005, НТУ «ХПІ», Харків), XIV міжнародному науково-технічному семінарі «Високі технології: тенденції розвитку» (Харків-Алушта 12-17.09.2005), П'ятій Всеукраїнській молодіжній науково-технічній конференції «Машинобудування України очима молодих: прогресивні ідеї – наука - виробництво» (26-29.10.2005, СумДУ, Суми), 12-тій міжнародній науково-технічній конференції «Фізичні і комп'ютерні технології» (7-8.06.2006, ХНПК «ФЕД», Харків), Міжнародній науково-технічній конференції «Машинобудування і техносфера ХХІ століття» (11-16.09.2006, ДонНТУ, Севастополь), Шостій Всеукраїнській молодіжній науково-технічній конференції «Машинобудування України очима молодих: прогресивні ідеї – наука - виробництво» (25-28.10.2006, ХНУ, Хмельницький), XVI міжнародному науково-технічному семінарі «Високі технології в машинобудуванні INTERPARTNER - 2007» (Харків-Алушта 23-29.09.2007) та наукових семінарах кафедри «Технологія машинобудування» НМетАУ.

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в 42 наукових роботах, серед яких – 1 монографія, 34 статті у фахових виданнях, що входять до переліку ВАК України, 2 патенти України.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація загальним обсягом 210 сторінок, складається зі вступу, 6 розділів, загальних висновків, списку використаних джерел з 103 найменувань, 7 додатків. Обсяг основного тексту дисертації становить 170 сторінок, включаючи 66 ілюстрацій і 2 таблиці.

ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі «Аналіз фінішних методів абразивної обробки» проаналізовані фінішні методи обробки поверхонь деталей зв’язаним, вільним абразивним зерном та інструментом на пружньо- еластичній основі, виявлені їх недоліки та переваги. Проведено аналіз умов роботи ЕПАІ та виконане порівняння їх з умовами обробки іншими методами, великий внесок у вивчення яких зробили вчені: Маслов Е.Н., Ящеріцин П.І., Якимов А.В., Попов С.А., Малевський Н.П., Терещенко Л.М., Новоселов Ю.К., Грабченко А.І., Гусєв В.В., Бабічев А.П., Щеголев В.А., Уланова М.Е., Абрашкевич Ю.Д., Гавриш О.А., Проволоцький О.Є., Шальнов В.А., Лубенська Л.М., Федорович В.А., Доброськок В.Л., Новіков Ф.В., Калафатова Л.П., Мельникова О.П., Карташов І.М., Цигановський А.Б., Білик Ш.М., Девкин М.М., Струтинський В.Б., Ульяненко Н.В., Бердник П.С., Гончаревич І.Ф., Копилов Ю.Р., Барон Ю. М., Коновалов Е.Р., Майборода В.З., Скворчевський М.Я., Верезуб В.Н. Найбільший внесок серед вітчизняних учених у вивчення ЕПАІ вніс Абрашкевич Ю.Д, але в своїх останніх публікаціях він заперечує необхідність надання деформації інструменту. Нами зроблено висновок, що жоден традиційний метод обробки поверхні зв’язаним зерном не відображає повністю тих особливостей, що властиві абразивній обробці ЕПАІ. Під час аналізу методу шліфування пелюстковими кругами було відмічено деяку подібність в умовах обробки, що має місце й під час використання ЕПАІ, а саме: 1) еластичність інструмента, 2) можливість його притиснення до поверхні, що обробляється, з метою надання початкових умов обробки, 3) утворення робочого сектору контакту інструмента та деталі шляхом зсуву робочих елементів у певному напрямі. Але були відмічені й відмінності, що характеризують абразивну обробку ЕПАІ: 1) робочі елементи еластичного інструмента це волокна, що складаються з основи – полімера та абразивних часток, що знаходяться на зовнішній циліндровій поверхні волокна, а не лише з одного боку, як у пелюсткових кругів. 2) робочі волокна мають можливість зсуватися під впливом технологічного навантаження одразу у двох напрямках, а не в одному, як у пелюсткових кругів. Системно проаналізований зміст науково-технічної літератури з питань фінішної обробки дозволив зробити висновок, що хоча раніше й проводилися певні роботи щодо вивчення обробки ЕПАІ, але вони носили недостатній характер, так як містять лише результати експериментальних досліджень.

У другому розділі «Методика досліджень. Особливості конструкції полімер-абразивного волокна» наведений план теоретичних та експериментальних досліджень (рис.1) та методика їх проведення, а також результати досліджень, присвячені вивченню особливостей конструкції ЕПАІ. Було з’ясовано, що конструкція дискового ЕПАІ складається з полімер-абразивних волокон, що утримується разом двома дисками (рис.2,а). Працездатність ЕПАІ залежить від стійкості робочих елементів та міцності затискання двома дисками. Відомі конструкції волокна мають абразивні частки лише на його зовнішній циліндровій поверхні. Ця обставина значно зменшує можливості інструмента під час обробки. Перш за все таке розташування абразивних часток робить не можливим обробку з застосування початкової деформації інструмента, так як призводить до швидкого зносу часток і їх викришування. Так як часток у середині волокна немає, відбувається лише тертя полімеру по металевій поверхні, що викликає нагрів полімеру та його розплав, що небажано.

Проведені дослідження дозволили запропонувати конструкцію полімер-абразивного волокна, в якому абразивні частки розташовані по всьому перерізу. Крім того, було з’ясовано, що для підвищення міцності волокна у перерізі треба обирати розмір абразивних часток у межах від 0,01 dвол. до 0,45dвол.. Таке волокно розширює технологічні можливості ЕПАІ завдяки створенню умов роботи під час деформації інструмента на певну величину. Представляє інтерес формування мікрорельєфу обробленої поверхні при обробці деталей ЕПАІ. Як і при обробці вільними абразивами, в роботу вступають окремі зерна, закріплені в полімерній масі по аналогії з шліфувальними кругами на в'язкій зв'язці. Експериментально встановлено, що якнайкращі експлуатаційні показники має мікрорельєф поверхні, нерівності якого розташовані під кутом до напряму переміщення поверхні та один до одного. При цьому знос поверхонь тертя й коефіцієнт тертя мінімальні. Висота нерівностей і частотні параметри шорсткості в даних експериментах були однаковими. Враховуючи, що зміна розташування нерівностей не впливає на форму та розміри нерівностей, а позитивні властивості мікрорельєфу з різноорієнтованими нерівностями виявляються головним чином за наявності змащення, то представляється доцільним пояснювати явища, що відбуваються при терті, за допомогою теорії змащення мікронерівностей. Позитивна роль мікроканавок полягає у тому, що вони є додатковими місткостями для мастила. Введення мікроканавок значно підвищує маслоємність поверхні. При обробці поверхні ЕПАІ утворюється мікрорельєф, що характеризується особливою властивістю - субмікропрофілем – окремої риски, яка залишається після обробки (рис.3). Окремі абразивні частки, знімаючи мікростружку, залишають мікролунки та мікровиступи з субмікрорельєфом, що є на їх гранях (рис.4). При подвійній обробці ЕПАІ із зміною напряму контакту інструмента з деталлю виходить підсумковий мікрорельєф подібний до того, що утворюється після обробки вільними абразивами.

Рис.1. План досліджень фінішної обробки ЕПАІ

Рис.2. Розташування робочих волокон щодо оброблюваної поверхні залежно від наявності початкової деформації h

а) зовнішній вигляд ЕПАІ;

б) волокна торкаються поверхні, h =0;

в) волокна сдеформовані на деяку величину h.

Рис.3. Мікровиступ (а) та мікровпадина (б) з субмікрорельєфом після обробки ЕПАІ

Рис.4. Мікрорельєф обробленої поверхні з вираженим субмікрорельєфом після обробки ЕПАІ

Рис.5. Профілограма поверхонь після поодиноких іскрових розрядів

Рис.6. Мікрорельєф поверхні після електроіскрової обробки з наступною абразивною доводкою

в результаті електроіскрового легування і зниження шорсткості запропоновано після кожного проходу електродом застосовувати обробку ЕПАІ. Шорсткість після абразивної обробки ЕПАІ зменшується в два рази (рис.6), лунки мікрорельєфу мають плавні, без гострих виступів переходи, що нагадує матовий мікрорельєф.

При цьому профіль однієї лунки має розвинений субмікрорельєф, де на довжині 0,4 мм є десятки виступів і западин. З приведених досліджень виходить, що в технології машинобудування можуть бути використані різні процеси формоутворення розвинених мікрорельєфів у широкому діапазоні регулювання величини мікровиступів і мікровпадин без їх спрямованості за слідами обробки. Технологічні можливості ЕПАІ досліджені при застосуванні їх на попередній обробці поверхонь, які підлягають електроіскровому легуванню та міжопераційній обробці при багаторазовому легуванні. Розглянута фінішна обробка різноманітних деталей.

У третьому розділі «Теоретичне дослідження впливу початкової деформації інструмента на силові параметри абразивної обробки» було виконано дослідження контактної взаємодії ЕПАІ та поверхні, що обробляється. За основу була взята методика обробки поверхонь вчених Щеголева В.А. і Уланової М.Е. еластичними шліфувальними кругами, до яких можна віднести і ЕПАІ, з властивими їм особливостями (волокна зсуваються у двох напрямках порівняно з первинним положенням). Прийняте допущення робить можливим застосування вказаної методики для визначення силових показників процесу різання, таких як сила різання, момент різання і потужність різання. В той же час пелюстка, що була розрізана на нескінченне число рівних частин, придбала додаткову еластичність в площині торця інструмента, тобто може зміщатися не тільки у радіальному, але й тангенціальному напрямку. Для враховування цієї особливості інструмента необхідно вирішити додаткову задачу з визначення величини розширення інструмента. Було розглянуто визначення залежностей основних силових параметрів для основних схем: плоского, зовнішнього і внутрішнього циліндрового шліфування з урахуванням початкової деформації інструмента h. Спочатку були визначені залежності жорсткості інструмента для трьох видів поверхні, що обробляється – площини, зовнішньої та внутрішньої циліндрової поверхонь. Для цього розглядалися схеми контакту інструмента з поверхнею, що обробляється, у статиці (рис.7 - 9). Під час обробки круг може знаходитися в декількох положеннях: 1) круг торкається поверхні, що обробляється, 2) круг знаходиться у контакті з поверхнею таким чином, що його робочі елементи (волокна) зігнуті й відхилюються від первинного положення на деякий кут.

Рис. 7. Схема зони контакту ЕПАІ з площиною

Рис. 8. Схема контакту ЕПАІ з зовнішньою циліндровою поверхнею

Рис. 9. Схема контакту ЕПАІ з внутрішньою циліндровою поверхнею

Працездатність інструмента в обох випадках зберігається. Відмінність установок полягає в продуктивності, з якою інструмент здійснює обробку поверхні. При наданні інструменту початкової деформації h шляхом прикладання до нього вертикальної сили навантаження Рк, робочі елементи деформуються й відхиляються від первинного положення в радіальному напрямку на деякий кут ц0, а у тангенціальному напрямку – на кут z0. Крутний момент визначається умовами контакту ЕПАІ з поверхнею. В більшості випадків радіальна жорсткість Сr одиничного сектора, обмеженого малим кутом Дц, є величиною, що приведена до радіуса, й постійна для даного ЕПАІ

(1)

де у – пружне переміщення у напрямку осі Y,

- пружна реакція інструмента в межах одиничного сектора на радіальну складову сили різання.

Проте для даного інструмента дана умова нездійснена, оскільки вигин робочих елементів відбувається в двох площинах. Так як робочі елементи розташовані у вільному стані щодо точки закріплення, вони можуть зміщуватися внаслідок вигину в будь-якому напрямі щодо початкового положення. Основними напрямами розподілу волокон щодо початкового положення є площини - YOZ і YOX. Вважаючи, що сили, діючі в будь-якій точці лінії різання АВС, пропорційні деформаціям, одержуємо

(2)

де - жорсткість ЕПАІ у двох напрямках – радіальному та тангенціальному,

- половина опорного кута в площині YOZ, змінюється в межах ,

- половина опорного кута в площині YOX, змінюється в межах,

- поточне значення радіусу в площині YOZ,

- поточне значення радіусу в площині YOX,

Дr і Дс – деформація круга в поздовжньому й поперечному перетинах одночасно,

Дц і Дz – кути, що обмежують одиничні сектори в поздовжньому й поперечному перетинах.

Перетворивши вираз (2), можна обчислити наведений добуток радіальної і тангенціальної жорсткостей ЕПАІ для різних випадків обробки

(3)

де Рк – сила попереднього навантаження інструмента для додання йому початкової деформації інструмента h.

Для випадку обробки зовнішньої циліндрової поверхні вираз (3) набуде остаточного вигляду

(4)

Для випадку обробки площини вираз (3) набуде остаточного вигляду

(5)

Для випадку обробки внутрішньої циліндрової поверхні вираз (3) набуде остаточного вигляду

(6)

Для визначення величини половини опорного кута 0 скористаємося залежністю

(7)

Була поставлена задача отримання кінцевих виразів для величин силових показників та визначення граничних умов, які одержані методом інтегрування. Остаточний вираз для визначення сили різання для випадку обробки площини має вигляд

(8)

де f– коефіцієнт абразивного різання.

Вираз для визначення моменту сил різання має вигляд

(9)

Вираз для визначення величини потужності різання має вигляд

(10)

де щ – швидкість обертання ЕПАІ.

Виходячи з геометрії зони контакту круга із зовнішньою циліндровою поверхнею, отримано вираз для визначення sinц0

(11)

Змінюючи деформацію круга та геометричні характеристики, можна регулювати режим обробки. Вираз для визначення тангенціальної складової сили різання при обробці зовнішньої циліндрової поверхні має вигляд

(12)

Вираз для визначення моменту різання М(x) для зовнішньої циліндрової поверхні

(13)

Тому було запропоновано визначати потужність різання в конкретних випадках Rd>>r0, 0 і Rdro і 0.

Рівняння для знаходження потужності різання для випадку обробки Rd>>r0, 0

(14)

Рівняння для знаходження потужності різання для випадку обробки Rd ro, 0

(15)

Виходячи з геометрії зони контакту круга із зовнішньою циліндровою поверхнею, отримано вираз для визначення sinц0

(16)

Врахувавши всі залежності між основними параметрами обробки і зробивши необхідні перетворення, одержали кінцевий вираз для розрахунку тангенціальної складової сили різання

(17)

Для визначення моменту різання при обробці внутрішньої циліндрової поверхні отримано вираз

(18)

При обробці внутрішньої циліндрової поверхні ЕПАІ можливі два випадки обробки: Rd>>ro, 0, другий Rdro, 00.

Для знаходження потужності різання у випадку, коли Rd>>ro, 0

(19)

Для випадку обробки, коли Rdro, 00 вираз потужності різання має вигляд:

. (20)

Для практичного використання виразів для різних випадків обробки необхідно визначитися величинами, які входять до них. Одним з параметрів є коефіцієнт абразивного різання f. Коефіцієнт абразивного різання визначається за формулою:

(21)

де Мmax. – максимальний момент, що діє на ЕПАІ, Нм; Мх – момент різання Нм; r0 – радіус ЕПАІ, м; Рк – сила навантаження, Н; cosг – опорний кут заготовки.

У четвертому розділі «Аналітичне дослідження міцності полімер –абразивного волокна та площі плями контакту інструмента та поверхні, що обробляється» викладені аналітичні дослідження міцності волокна та визначення площі контакту інструмента та поверхні, що обробляється, залежно від початкової величини деформації h та навантаження на інструмент. Оскільки коефіцієнт запасу міцності волокна призначається певної величини й зменшений бути не може, виникає необхідність визначення величини граничного навантаження. При роботі ЕПАІ виділили 3 етапи надання навантаження: 1) 1 етап – попередній етап навантаження одиничного волокна в статиці; 2) 2 етап – робочий стан, в якому одиничне волокно відчуває вплив всіх зусиль, що виникають при обробці; 3) 3 етап – робочий стан, при якому виникає необхідність врахування навантаження від дії на одиничне волокно сусідніх волокон. Для кожного етапу проведені теоретичні дослідження величин прогину та кута повороту окремого волокна. З’ясувалося, що напруження у місці защемлення волокна зростає швидше за навантаження. Тому розрахунок на міцність при поздовжньо-поперечному прогині не можна вести за напруженнями, що допускаються – n - дійсний коефіцієнт запасу міцності, n>0.

(22)

де т - межа плинності матеріалу волокна, А – площа поздовжнього перерізу волокна, - момент опору перетину відносно осі z.

При розгляді площі контакту ми маємо справу з плямою, що складається з масиву слідів контакту окремих волокон, які мають вигляд кіл при початковій деформації інструмента h=0 і розташованих на деякій відстані один від одного. Максимальне напруження визначається за виразом

, (23)

В дисертаційній роботі розглянуто два випадки обробки інструментом: h=0 і h>0. Для кожного випадку розглянуто розташування плями контакту на площині в залежності від розташування системи координат та запропоновані формули для визначення моментів інерції та опору для кожного випадку. З цих виразів визначається

Рис. 10. Випадки розташування плями контакту у загальному вигляді у системі координат ХУ при h>0.

а) пляма контакту симетрична відносно осей Х і У (m- непарна, n- непарна);

б) пляма контакту симетрична відносно осей Х і У (m- непарна, n-парна)

кількість волокон, що приймають участь у обробці. На рис. 10 наданий приклад плями контакту інструмента й поверхні, що обробляється для випадку, коли h>0.

Момент опору фігури визначають за формулою:

, (24)

де - момент інерції фігури відносно осі z,

- найбільша відстань від центру ваги площі фігури по осі Y.

У випадку, коли h>0 момент опору визначається в загальному вигляді за виразами: Випадок а):

Випадок б): (25)

де ,- моменти інерції одиничного еліпса відносно його осей Х та У відповідно,

а, b – напівосі еліпсу,

А – площа одиничного еліпсу.

Представлені вирази дозволяють зменшити напруження, що виникають у робочих волокнах при навантаженні, і тим самим підвищити довговічність інструмента в цілому. Знання величини площі плями контакту дозволяє визначити кількість волокон, що безпосередньо беруть участь в процесі різання у даний момент часу. Площа контакту визначалася для кожного виду поверхні окремо з урахуванням їх особливостей (рис. 11). На схемі добре видно сектор контакту 2ц0. Експериментально встановлено, що пляма контакту приймає вид фігури, яку умовно можна

Рис. 11. Схема контакту плоскої поверхні з ЕПАІ:

- початкове положення волокон інструменту,

- межа контакту інструменту і площини після деформації.

а) Схема контакту ЕПАІ з площиною, б) Знімок контакту ЕПАІ з площиною.

з достатньою точністю вважати еліпсом з осями АВ і В*, де В* - ширина круга після надання йому навантаження. Визначення величини В* геометричними залежностями неможливе, оскільки не зрозуміло, на яку саме величину змінюється первинна ширина круга В. Визначення величини В* ( х-відповідає максимальній величині прогину робочого елемента) велося з урахуванням всіх технологічних навантажень. Площа плями контакту при обробці площини визначається

(26)

Аналогічно плоскій поверхні утворюється площа контакту з зовнішньою та внутрішньою поверхнями. Площа плями контакту при обробці зовнішньої циліндрової поверхні визначається за виразом

(27)

Площа плями контакту при обробці внутрішньої циліндрової поверхні визначається за виразом

(28)

Розглянуті схеми для визначення величини площі плями контакту при обробці плоскої і внутрішньої циліндрової поверхні інструментом, волокна якого розташовані під кутом в до осі обертання інструмента (Y) або закріплені по гвинтовій лінії на його поверхні. При розрахунку площі контакту необхідно врахувати величину кута в (рис.12)

Рис. 12. Схема контакту ЕПАІ з поворотом робочої частини на кут в і площини

. (29)

З виразу (29) видно взаємозв'язок між двома важливими технологічними показниками: половиною кута контакту ц0 і кутом розвороту в. Керуючи значеннями цих кутів, можна добитися максимальної величини площі контакту і максимальної продуктивності процесу обробки. Площу контакту визначимо за виразом

. (30)

Площа плями контакту при обробці ЕПАІ внутрішньої циліндрової поверхні, розташованому під кутом в, дорівнює:

(31)

У п’ятому розділі «Експериментальне дослідження процесу абразивної обробки представленим інструментом» проведені експериментальні дослідження з виявлення зв’язків між технологічними параметрами та величиною початкової деформації інструмента. Дані показують, що при установці інструмента з різною величиною деформації, виникають кути ц0, відмінні від даних, що одержані теоретично в межах 5%. Дані були одержані при обробці зразків з конструкційних матеріалів на плоскошліфувальному верстаті мод. 3Г71. Залежність ц0 від h носить лінійний характер. При збільшенні радіуса інструмента залежність пологіша, а при зменшенні – швидко зростає. Досягши певної величини h при малих r0, формування зони контакту припиняється унаслідок того, що при подальшому навантаженні інструмента відбудеться його руйнування. При зростанні радіусу інструмента такий момент відсувається в зону великих значень початкової деформації. Для інструментів малого радіуса при обробці заготовок з великим радіусом не рекомендується перевищувати величину 0,35r0. Рекомендовані значення величини кута ц0 не перевищують 45°. При збільшенні швидкості різання збільшується об'єм знятого матеріалу, при чому зернистість інструмента впливає найбільше. Виявилося, що при обробці матеріалу інструментом з меншою зернистістю, можна досягти рівнозначного об’єму знятого матеріалу шляхом збільшення швидкості різання за інших рівних умов. Для виявлення характеру залежності об'єму знятого матеріалу від площі плями контакту інструмента і заготовки (рис.13) проводилася обробка сталі 45 ЕПАІ абразивом із карбіду кремнію 63/40 при різних швидкостях різання.

Рис. 13. Залежність величини об'єму знятого матеріалу від величини площі контакту

Із збільшенням швидкості різання за інших рівних умов об'єм знятого матеріалу росте. При концентрації абразиву від 36% до 50% об'єм знятого матеріалу збільшується на незначну величину в порівнянні з обробкою при концентрації абразиву від 10% до 36%. При збільшенні концентрації абразиву у волокні, збільшується об'єм знятого матеріалу. Це пояснюється підвищеним числом абразивних зерен, що одночасно вступають в роботу при однаковій величині деформації робочих елементів. При однаковій величині площі контакту об'єм знятого матеріалу Qм буде різним для обробки з різними швидкостями різання, причому, для більшої швидкості - більший. При збільшенні площі контакту об'єм знятого матеріалу росте. Збільшення площі контакту виникає завдяки збільшенню деформації інструмента (рис.14) шляхом зближення його й заготовки або зменшенням жорсткості інструмента.

Рис. 14. Залежність площі контакту від деформації інструмента

При збільшенні деформації інструмента шорсткість обробленої поверхні знижується. Зниження шорсткості відбувається завдяки більшому числу абразивних зерен, що одночасно вступають в обробку. Параметр оцінювався за допомогою профілометра моделі 170622 з інформаційно – обчислювальним комплексом моделі 170623, який дозволяє оцінити стан обробленої поверхні за 15 параметрами. Значення шорсткості обробленої поверхні досягало за параметром Ra 0,03 мкм після обробки сталі 45 ЕПАІ з зернистістю 40 мкм зі швидкістю 35 м/с з охолодженням 1% розчином кальцинованої соди. Зменшити шорсткість поверхні можна також використанням комбінації інструментів з різною зернистістю абразиву, здійснюючи обробку за декілька переходів. При обробці протягом меншого періоду часу зафіксована величина шорсткості була нижчою. Проте коли проаналізували величини шорсткості поверхні в різні моменти обробки, то виявилося, що в перші 30% часу відбувається процес інтенсивного зменшення шорсткості, після чого процес сповільнюється й такого різкого зменшення не відбувається. З часом продуктивність обробки збільшується. Проте, наступає момент, коли подальше збільшення часу обробки не приводить до збільшення продуктивності. Це пояснюється тим, що з часом відбувається отримання необхідних параметрів, що відповідають нашим вимогам, але при подальшій обробці абразивні частинки, занурюючись в поверхню, знову створюють усунену шорсткість і обробку слід продовжувати. Це забезпечує перевитрату абразиву, тобто зношує інструмент без віддачі. Вибір параметрів ЕПАІ і режимів обробки багато в чому визначається тепловими процесами, що протікають при обробці. Нагрів волокна відбувається в результаті виділення тепла у момент удару зерна по поверхні і значно інтенсифікується в зоні мікрорізання. Проведені дослідження дозволили зробити висновок, що ЕПАІ зберігає працездатність в межі зони 1 (температура не досягає 140?С, швидкість різання до 30 м/с). У проміжку швидкостей від 0 … 30 м/с інструмент не втрачає працездатність, оскільки температури Т1(на торці волокна) і Т2 (у точці защемлення волокон) не досягли критичних значень (140?С). При збільшенні швидкості обертання до 35 м/с температури наближаються до критичних значень, волокно може втратити міцність в точці закріплення, а в зоні різання втрачається міцність полімерної зв'язки, як наслідок, відбувається швидше викришування абразивних часток, але процес абразивної обробки відбувається. При підвищенні швидкості понад 35 м/с температури знаходяться в зоні температур, вищих за 140?С. Досягши швидкості в 50 м/с значення температур наближається до величини 240°С, при якій міцність полімеру втрачається повністю, полімер розплавляється й покриває собою поверхню, вводячи необхідність подальшого її очищення. Виявилося, що найбільший вплив на величину площі контакту мають розміри інструмента (його радіус і ширина), величина початкової деформації h і величини кутів ц0, в. У разі використання гвинтового інструмента має значення довжина оброблюваної поверхні, що знаходиться у контакті з інструментом в одиницю часу, а не ширина одиничного витка. Повинна дотримуватися рівність . Переважними є значення, що знаходяться в діапазоні від 15 до 30 градусів для кута в і від 0 до 60 градусів для кута ц0 . Розворот робочої частини інструмента щодо осі його обертання досягався підбором косих шайб так, щоб чітко фіксувався необхідний кут. Продуктивність обробки існує при величині кута в, рівній 0 градусів. Це пояснюється тим, що обробка за відсутності розвороту робочої частини на вказаний кут ведеться за рахунок наявності кута контакту. Розворіт робочої частини інструмента навіть на декілька градусів приводить до зростання продуктивності обробки (рис. 15).

Рис. 15. Пляма контакту до і після розвороту ЕПАІ на кут в=15є

Проте, такий ефект триває лише на ділянці значень до 30 градусів. Потім продуктивність обробки поволі починає зменшуватися (на ділянці 30 – 45 градусів), після чого наближається до початкового значення. Це відбувається через геометричне розташування плями контакту на оброблюваній площині.

У шостому розділі «Технологічне застосування полімер-абразивного інструмента» запропоновані технологічні схеми по використанню ЕПАІ. Можливе використання еластичного інструмента: 1) на фінішній обробці деталей машин (у тому числі складнопрофільні поверхні), 2) на операціях перед електроіскровою та електроерозійною обробкою, а також між операціями цих процесів для видалення оксидів і шламу, що утворюються на поверхні, 3) з метою виключення хімічного кислотного травлення й деформаційного видалення окалини перед волочінням і нанесенням покриттів на метизну і металургійну продукцію, 4) на обробці відповідальних поверхонь, так як інструмент не залишає на поверхні припіків і не провокує появу шліфувальних тріщин, 5) при створенні розвиненого мікрорельєфу на поверхні виробів, що сприяє кращому зчепленню поверхні з покриттями або забезпечує підвищену гідроємність поверхні, 6) при очищенні деталей літальних апаратів. На рис. 16-17 наведений результати обробки поверхні заготовок.

Рис. 16. Труба після обробки ЕПАІ

Рис. 17. Лопатки авіадвигуна після обробки ЕПАІ

Обробка деталей гідромашин ЕПАІ дозволить підвищити гідроємність поверхонь тертя та підвищити їх ресурс, при обробці прокату за допомогою ЕПАІ можна скоротити час слюсарних операцій, пов’язаних з підготовкою заготовок до виробництва або спростити підготовку до операцій з нанесення покриттів чи відновлення стану поверхні.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

Дисертація присвячена рішенню актуальної науково-практичної задачі, яка полягає в підвищенні якості обробленої поверхні та продуктивності абразивної обробки ЕПАІ. Результатом роботи є наукові та методичні положення по призначенню та визначенню параметрів абразивної обробки ЕПАІ, а також підвищення його ефективності.

Висновки та результати досліджень сформульовані в наступних положеннях:

1. Виконаний аналіз фінішних методів обробки з виділенням переваг використання ЕПАІ.

2. Розроблені математичні моделі для визначення тангенціальної складової сили, потужності та моменту різання для випадків обробки плоскої, зовнішньої та внутрішньої циліндрової поверхні ЕПАІ з урахуванням початкової деформації інструмента h і розподілу робочих елементів в радіальному та тангенціальному напрямках.

3. Вперше розроблена модель контакту ЕПАІ з плоскою, зовнішньою та внутрішньою циліндровою поверхнею в залежності від величини початкової деформації інструмента h.

4. Визначені аналітичні залежності для підрахунку величин опорних кутів 2ц0 та z0, що виникають при контакті інструмента та заготовки для випадків обробки плоскої, зовнішньої та внутрішньої циліндрової поверхні.

5. Вперше представлені аналітичні залежності для визначення величини прогину та кута повороту волокна у момент обробки під впливом технологічних зусиль. Це дозволило оцінити дійсний запас міцності інструмента та врахувати межу міцності волокна при призначенні технологічних зусиль.

6. Вперше встановлений зв'язок між зернистістю абразивних зерен і діаметром волокна інструмента, до якого вони внесені, як 0,01dвол.…0,45dвол.

7. Експериментально доведена подібність характеру мікрорельєфа обробленої поверхні після обробки ЕПАІ з матовим мікрорельєфом через наявність розвиненого субмікрорельєфу, забезпечуючого підвищену газо- та гідроємність.

8. Експериментальні дослідження дозволили встановити залежність величини об'єму знятого матеріалу від швидкості різання, концентрації абразивних часток у волокні та площі контакту; залежність площі контакту та шорсткості обробленої поверхні від величини початкової деформації інструмента, зернистості абразивних часток і тривалості обробки, а також продуктивності абразивної обробки від його тривалості.

9. Запропонований метод підвищення продуктивності обробки ЕПАІ без зміни його конструктивних параметрів за рахунок збільшення площі контакту, що доведено експериментально.

10. Розроблені та впроваджені технологічні схеми фінішної