Исследование характеристик полимерно-абразивных щеток

УДК 621. 923: 621.922

DOI: 10.21285/1814-3520-2016-4-19-24

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛИМЕРНО-АБРАЗИВНЫХ ЩЕТОК © Ю.В. Димов1, Д.Б. Подашев2

Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Полимерно-абразивные щетки очень эффективны при скруглении острых кромок особенно на длинномерных деталях. Для разработки теории взаимодействия щетки с обрабатываемой кромкой детали требуется знание ряда характеристик как инструмента, так и материала, из которого он изготовлен. В статье рассмотрены методики исследования геометрических размеров ворсин, плотности материала щетки, осевого момента инерции ворсин и модулей упругости первого рода при изгибе и смятии. Приведенные результаты исследования необходимы для аналитического определения сил, действующих в процессе обработки, показателей качества обработанной поверхности и производительности процесса.

Ключевые слова: полимерно-абразивная щетка; диск и ворсина щетки; плотность; момент инерции; модуль упругости.

STUDYING CHARACTERISTICS OF POLYMERIC AND ABRASIVE BRUSHES Yu.V. Dimov, D.B. Podashev

National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

Polymeric and abrasive brushes are very effective for rounding sharp edges especially on long parts. Development of the theory of brush and machined part edge interaction requires the knowledge of some characteristics of a tool and material it is made of. The article deals with the methods to research geometrical sizes of piles, density of brush material, axial inertia moment of piles and elastic modules at bend and crushing. Given research results are necessary for analytical determination of forces affecting machining, quality indicators of the machined surface, and process productivity. Keywords: polymeric and abrasive brush; brush disk and pile; density; inertia moment; elastic modulus

Полимерно-абразивные щетки, как отмечено в работе [1], являются весьма эффективными инструментами для округления острых кромок на деталях в самолетостроении, ракетостроении и других отраслях машиностроения. Для разработки теории взаимодействия щетки с обрабатываемой кромкой детали требуется знание ряда характеристик как инструмента, так и материала, из которого он изготовлен.

В настоящее время щетки выпускаются рядом фирм, например, компанией 3M (Minnesota Mining and Manufacturing Company), компанией C. Hilzinger-Thum, фирмой August Ruggeberg PFERDWerkzeuge, фирмой OSBORN International, компанией LlPPERT UNIPOL, компанией

HOFFMANN GROUP, фирмой JAZ, фирмой Hommel Hercules Werkzeughandel, компанией Eisenblatter и др.

При исследованиях использовались щетки компании 3М марок С BB-ZB c изогнутыми ворсинами (рис. 1) и А BB-ZB - с прямыми ворсинами (рис. 2). Щетки Scotch-Brite™ Bristle выпускаются в виде тонких дисков из полимерного материала с гибкими ворсинами по окружности. По всему объему полимера равномерно распределены зерна высокопроизводительного и износостойкого абразивного материала 3МТМ Cubitron™, который представляет собой кристаллы прецизионной пирамидальной формы с микрокристаллической структурой.

1

Димов Юрий Владимирович, доктор технических наук, профессор кафедры конструирования и стандартизации в машиностроении, e-mail: Dimov-Ura@yandex.ru

Dimov Yuriy, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Design and Standardization in Mechanical Engineering, e-mail: Dimov-Ura@yandex.ru

2Подашев Дмитрий Борисович, кандидат технических наук, доцент кафедры конструирования и стандартизации в машиностроении, e-mail: dbp90@mail.ru.

Podashev Dmitriy, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Design and Standardization in Mechanical Engineering, e-mail: dbp90@mail.ru

Рис. 1. Диск щетки С ББ-ИБ, 135 ворсин

21о30

Рис. 2. Диск щетки А ВВ-1Б, 90 ворсин

Из нескольких дисков, показанных на рис. 1 и 2, на оправке собирается щетка практически любой ширины.

Кроме приведенных геометрических размеров, при исследовании процесса об-

работки этим инструментом необходимо знать плотность материала щетки, осевой момент инерции и модули упругости первого рода при изгибе и смятии.

Плотность материала р находили путем взвешивания диска на аналитических весах ONAUS DV 214C с точностью 0,0001 г и определением объема вытесненной жидкости при размещении диска в свернутом состоянии в мензурку. Результаты вычисления плотности приведены в табл. 1.

Модуль упругости первого рода на изгиб определяли на установке, приведенной на рис. 3.

Диск закреплялся в тисках так, что одна из ворсин располагалась строго горизонтально, рейсмасом измерялось расстояние А1 от плиты до вершины ворсины, затем на конец ворсины подвешивался груз т и измерялся размер А2. Деформация определялась как W = А1 - А2. Измерения производились на двух ворсинах.

Модуль упругости рассчитывался по

формуле [2]

E =

P • l3

3 • Jxcp • W

где Лср - средний осевой момент инерции по сечениям в точке закрепления и на вершине ворсины.

Jxcp

¿2 • 4 + ь • h

24

где Ь2, Ь1, Ь2, - высота и ширина ворсины, приведенные на рис. 4. Для щеток C BB-ZB

Jxcp = 0,3098 мм4

а для щеток А BB-ZB

Jxср = 1,162 мм4. Результаты определения упругости приведены в табл. 1.

модуля

Рис. 3. Схема определения прогиба ворсины для расчета модуля упругости на изгиб Е

-ф

t

Рис. 4. Ворсина

Таблица 1

Значения плотности материала и модуля упругости ворсин щеток_

Марка Плотность г/см3 Зернистость Р, Н Wi, мм W2, мм Е1, Н/мм2 Е2, Н/мм2 Е1, 2 Н/мм2 Еср, Н/мм2

С ББ^Б белый 1,586 Р120 0,0196 2,4 2,5 274,6 263,6 269,1 268,1

0,049 6,0 7,5 274,6 263,6 269,1

0,098 10,2 13,0 321,1 353,2 288,1

С ББ-7Б красный 1,510 Р220 0,0098 2,0 1,0 164,8 329,6 247,2 252,2

0,0196 3,5 2,5 188,3 263,6 225,9

0,049 7,5 6,0 219,7 274,6 247,1

0,098 12,0 10,8 274,6 305,2 289,9

С ББ^Б синий 1,647 Р400 0,0098 1,5 2,2 219,7 149,8 184,7 235,6

0,0196 3,0 3,2 219,7 206,0 212,8

0,049 6,5 6,8 253,5 242,3 247,9

0,098 11,0 11,2 299,6 294,3 296,9

А ББ^Б серый 1,667 Р36 0,049 1,8 1,7 280,6 297,1 288,8 318,4

0,098 3,2 3,3 315,6 306,1 310,8

0,196 6,2 6,7 325,8 301,5 313,6

0,49 13,0 15,2 388,5 332,3 360,4

А ББ^Б зеленый 1,545 Р50 0,0196 0,8 0,8 252,5 252,5 252,5 311,3

0,049 1,5 1,8 336,7 280,6 308,6

0,098 3,2 3,2 315,6 315,6 315,6

0,196 6,2 6,0 325,8 336,7 331,2

0,49 15,0 14,0 336,7 360,7 348,7

Модуль упругости первого рода при смятии определяли на установке, приведенной на рис. 5.

При взаимодействии полимерно-абразивной ворсины с обрабатываемой кромкой, которая имеет радиус скругления г, материал ворсины деформируется на величину V под действием нормальной составляющей силы Р. В работе [3] рассмотрен случай вдавливания жесткого штампа в виде цилиндра в плоскую границу. В этом случае деформация материала ворсины может определиться по формуле

v =

2 • V • Е^т,.

где / - коэффициент Пуассона; Есм - модуль упругости первого рода при смятии из уравнения

на рис. 5.

Под действием нагрузки P (груз 1) стержень 5 вдавливался в материал образца 7 на глубину h, которая фиксировалась с помощью индикатора 2. Затем рассчитывалась площадь Э контакта стержня 5 с материалом образца 7 и определялось напряжение по формуле асм = Р.

В экспериментах стержень 5 был принят диаметром ф1,2 мм и длиной I = 14,5 мм.

Результаты измерения и расчета напряжений и модуля упругости для исследуемых щеток представлены в табл. 2.

При расчетах взаимодействия ворсин щетки с обрабатываемой кромкой площадь контакта при заданной силе Р может быть определена по формуле

Е =  Есм

P

,

2  г-V

Деформации материала ворсины определялись на приборе, показанном

Б = а-Рь,

где а и Ь - коэффициент и показатель степени, полученные по экспериментальным данным, приведеным в табл. 2.

Рис. 5. Схема установки для определения напряжения смятия: 1 - груз; 2 - индикатор; 3 - штатив; 4 - нагрузочная пята; 5 - стежень; 6 - рычаг; 7 - образец материала; 8 - механизм регулировки высоты; 9 - корпус

Таблица 2

Значения напряжений смятия_

Марка, зернистость Зернистость Р, Н h, мм S, мм2 Осм, Н/мм2 Есм, Н/мм2 Есм, Н/мм2 средн. a b

8, 370 0,023 4,771 1,754 296,44

0 BB-ZB белый 23,586 0,0645 7,848 3,005 297,87

Р120 28,540 0,073 8,318 3,431 318,47 299,31 1,822 0,453

44,432 0,123 10,555 4,209 294,26

54,379 0,153 11,601 4,685 289,52

8, 370 0,022 4,668 1,793 309,91

0 ВВ^В красный 23,586 0,072 8,264 2,854 266,84

Р220 28,540 0,0845 8,903 3,205 275,13 282,56 1,526 0,526

44,432 0,132 10,888 4,080 274,19

54,379 0,1545 11,655 4,665 286,71

8, 370 0,024 4,872 1,718 284,08

0 ВВ^В синий 23,586 0,058 7,463 3,160 331,25

Р400 28,540 0,073 8,318 3,431 318,47 305,12 1,929 0,436

44,432 0,1205 10,459 4,248 300,36

54,379 0,152 11,574 4,698 291,42

8, 370 0,0215 4,616 1,813 317,12

А ВВ^В серый 23,586 0,064 7,819 3,016 300,20

Р36 28,540 0,0765 8,502 3,357 303,90 300,79 1,581 0,504

44,432 0,119 10,401 4,272 304,15

54,379 0,159 11,798 4,609 378,59

8, 370 0,0235 4,822 1,736 290,13

А ВВ^В зеленый 23,586 0,0635 7,790 3,027 302,56

Р50 28,540 0,0825 8,805 3,241 281,80 284,90 1,669 0,491

44,432 0,1325 10,907 4,074 273,16

54,379 0,160 11,830 4,597 276,85

По результатам исследования, приведенным в табл. 1 и табл. 2, видно, что для исследованных щеток плотность материала, модули упругости первого рода при изгибе и смятии несколько отличаются. Это связано с различием зернистости абразива и структуры материала щеток. Для инженерных расчетов полученные параметры

могут использовать средними для щеток типа С и средними для типа А.

Полученные материалы необходимы для аналитического определения сил, действующих в процессе обработки, показателей качества обработанной поверхности и производительности процесса.

Статья поступила 29.02.2016 г.

Библиографический список

1. Димов Ю.В., Подашев Д.Б. Скругление острых кромок деталей машин полимерно-абразивными щетками // Вестник ИрГТУ. 2012. № 11. С.48-52.

2. Справочник металлиста. Т. 2 / Под редакцией С.А. Чернавского. М.: Государственноеи научно-техническое издательство машино-

строительной литературы. 1958-975 с. 3. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости: пер. с английского / под ред. Г.С. Шапиро. 2-е изд. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1979. 560 с.

References

1. Dimov Iu.V., Podashev D.B. Skruglenie ostrykh kromok detalei mashin polimerno-abrazivnymi shchet-kami [Rounding sharp machine part edges by polymer-abrasive brushes]. Vestnik IrGTU - Proceedings of Irkutsk State Technical University, 2012, no. pp. 48-52.

2. Spravochnik metallista [Metalworker's Guide]. Vol. 2, Moscow, 1958, 975 p.

3. Timoshenko S.P., Goodier J.N. Teoriia uprugosti [Theory of Elasticity]. Moscow, 1979, 560 p.

УДК 534-16; 531.8;62.752; 621.01; 621.8.02 DOI: 10.21285/1814-3520-2016-4-24-39

РАБОЧИЙ ОРГАН ВИБРАЦИОННЫХ МАШИН КАК ДИНАМИЧЕСКИЙ ГАСИТЕЛЬ КОЛЕБАНИЙ

© С.В. Елисеев1, Н.К. Кузнецов2, Е.В. Каимов3, Х.Д. Нгуен4

13,4Иркутский государственный университет путей сообщения, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15. 2Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Предлагается методологическая основа для построения математических моделей вибрационных технологических машин. Развивается подход, в рамках которого вибростенд в виде твердого тела на упругих опорах имеет инерционный вибровозбудитель, установленный на одном конце рабочего стола. Силовое возмущение совпадает с местом расположения упругой опоры. На втором конце рабочего стола размещается рабочая площадка стенда. Центр размещения рабочей площадки совпадает с линией действия второй упругой опоры. Показано, что при определенном выборе массоинерционных параметров стенда инерционное возмущение вибровозбудителя регламентируется параметрами динамического гасителя колебаний. В качестве динамического гасителя колеба-

1

Елисеев Сергей Викторович, доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник Научно-образовательного центра современных технологий, системного анализа и моделирования, e-mail: eliseev_s@inbox.ru

Eliseev Sergey, Doctor of technical sciences, Professor, Chief Researcher of the Scientific-Educational Center of Modern Technologies, System Analysis and Modeling, e-mail: eliseev_s@inbox.ru

2Кузнецов Николай Константинович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой конструирования и стандартизации в машиностроении, e-mail: knik@istu.edu

Kuznetsov Nikolay, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the Department of Design and Standardization in Mechanical Engineering, e-mail: knik@istu.edu

3Каимов Евгений Витальевич, младший научный сотрудник, e-mail: Eugen-aimov@yandex.ru Kaimov Evgeniy, Junior Researcher, e-mail: Eugen-Kaimov@yandex.ru

4Нгуен Хуинь Дык, аспирант, e-mail: huynhnd1987@gmail.com Nguyen Huynh Duc, Postgraduate, e-mail: huynhnd1987@gmail.com