Моделирование процесса виброотделки деталей косточковыми органическими средами

УДК 621.9.048.6

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВИБРООТДЕЛКИ ДЕТАЛЕЙ КОСТОЧКОВЫМИ ОРГАНИЧЕСКИМИ СРЕДАМИ

А.П. Шишкина, В. А. Лебедев, М.М. Чаава

Проведен анализ подходов к моделированию процессов виброотделки гранулированными средами. Разработана модель процесса виброотделки деталей косточковыми органическими средами, в основу, которой положен подход, основанный на энергетическом воздействии потока гранул на обрабатываемую поверхность.

Ключевые слова: виброабразивная обработка, органические гранулированные среды, шероховатость поверхности, обработка свободным абразивом, микрорезание, металлосъем.

В числе первых основополагающих по раскрытию физической сущности технологических процессов виброабразивной обработки следует выделить работы А.П. Бабичева [1]. Проведённые им исследования механики взаимодействия абразивной среды и детали при вибрационном воздействии позволили ему сформулировать механо-физико-химическую модель процессов разрушения поверхности детали в среде вибрирующих абразивных гранул, которая явилась исходной предпосылкой для дальнейших исследований в этой области.

Для определения удельного съема металла в зависимости от различных параметров им предложено обобщенное эмпирическое уравнение в виде

ц = 3,8 • ^1,25 • НВ-0,91 • Кп • К3 • К0 • Ка • Ку, кг/с,

где А - амплитуда колебаний, мм; НВ - твёрдость обрабатываемого материала; Кп, Кз, К^, К^, Ку - коэффициенты, отражающие влияние частоты колебаний, зернистости абразивных гранул; массы детали; грануляции обрабатывающей среды; объёма загрузки рабочей камеры соответственно.

Дальнейшее развитие исследования в области виброабразивной обработки получили в работах М.А.Тамаркина [2]. На основе теоретических и экспериментальных исследований он доказал, что наиболее целесообразным, соответствующим реальному процессу удаления металла, представляется метод, заключающийся в определении съема металла при единичном взаимодействии абразивной частицы с поверхностью детали, с последующим умножением на количество таких взаимодействий за время обработки. Так зависимость для определения удельного съёма металла с поверхности при виброабразивной обработке преобразовалась к виду

УВО = Р^Щ^; кг/с,

4 Я 2

где Р1 - геометрическая вероятность события, заключающегося в том, что любая точка квадрата упаковки покрывается пятном контакта за один цикл воздействия массы абразивных гранул; Р2 - вероятность события, заключающегося в том, что взаимодействие абразивной частицы с поверхностью детали приведет к микрорезанию; ю - частота колебаний рабочей камеры, с-1; ц - съем металла при единичном взаимодействии абразивной гранулы с

поверхностью детали, кг; £дет - площадь поверхности обрабатываемой детали, мм2; Я - радиус абразивной гранулы, мм.

Этот подход нашёл достаточно широкое прикладное применение для исследования технологических возможностей методов финишной обработки деталей свободным абразивом [1, 2, 4].

По мнению С.Н. Шевцова [3] эффект удаления металла обусловлен интенсивностью воздействия потоков абразивных гранул, а объёмный удельный металлосъём пропорционален плотности потока энергии абразивной среды.

Для выяснения влияния интегральных характеристик потока технологических гранул на скорость абразивного съема материала с обрабатываемой поверхности в работе [3] Шевцовым С.Н. к задачам прогноза результатов отделочной обработки была применена разработанная им система компьютерного моделирования быстрых движений гранулированных сред.

Специфика органических гранулированных сред обусловлена растительным происхождением, в результате чего их физико-механические и биолого-химические свойства формируются в процессе созревания и последующей переработки и хранения [4]. В отличие от неорганических сред они обладают меньшей твёрдостью, массой, не имеют абразивной составляющей, в результате чего характеристики динамического состояния органической среды, формообразующие и энергетические свойства имеют более низкие показатели по сравнению с виброобработкой деталей природными и синтетическими средами при аналогичных амплитудно-частотных характеристиках процесса. В этой связи для оценки эффективности процесса обработки органическими гранулированными средами наиболее предпочтительно рассматривать с точки зрения интенсивности энергетического воздействия потока гранул на обрабатываемую поверхность без учёта явлений обусловленных деформационно-упрочняющим воздействием.

В качестве основной характеристики процесса обработки органическими средами используем удельный объёмный металлосъём ууд с размерностью м/ч., физический смысл которого заключается в скорости нарастания толщины удалённого с поверхности материала при заданной скорости и давлении среды. А в качестве основных факторов процесса: плотность среды - р (кг/м ); добавочное внешнее и внутреннее «гидростатическое давление» в среде -р (Па); средняя скорость потока среды - V ( м/ч).

Одной из характеристик движущихся сплошных сред является плотность потока энергии, представляющая собой количество энергии, «вытекающей» в единицу времени из единичного объема, выделенного в среде [1, 2]:

' .2 ^

+ Р  V,

г V

Е = р- V ---+е

2

V

где р - плотность; V = V - скорость; р - давление и е - внутренняя энергия

единицы объема среды.

Простейшим соотношением, выражающим зависимость объемного металлосъема от потока энергии среды, является:

7Уд =

где П- некоторый тензор второго ранга, смысл которого следует уточнить, а п- единичный вектор нормали к поверхности, подвергаемой обработке

При фиксированном направлении потока относительно поверхности выражение для металлосъема можно записать в скалярном виде:

7уд = Е  Пф ,

где индекс ф указывает на взаимную ориентацию поверхности и потока.

Учитывая размерность потока энергии: Е (кг/ч3) и объемного металлосъема, размерность величины Пф должна быть: м-ч2/кг. Отсюда следует, что величина, обратная Пф: £ (кг/м-ч2), имеет размерность механического напряжения. Тогда выражение для металлосъема будет иметь вид:

Е 1р-V2/2 + р) V 7 уд = -у ' ,

из которого следует, что объемный удельный металлосъем пропорционален плотности потока энергии органической гранулированной среды. Для практического использования этого соотношения необходимо чтобы были известны скорость среды в рабочей камере и параметр £.

Подтверждением связи, выраженной соотношением (6) являются исследования, приведённые в работах [1, 2], которые убедительно показали, что металлосъём зависит от скорости потока среды, высоты столба загрузки гранулированной среды. Условиями образования стационарного циркуляционного движения среды по слабо эксцентричным (близким к окружности) эллипсам являются:

Н @ 1; Н > 6; ^<0,5,

Ь g  Н

где Н- высота загрузки среды; Ь- ширина сечения камеры; йч- средний диаметр частиц среды.

Величина £, названная в [3] модулем абразивного изнашивания зависит только от природы абразива и свойств материала. Модуль являющийся константой, не зависящей от динамического состояния среды, может быть выражен в функции от физико-механических свойств обрабатываемого материала £= £(НВ), а давление через высоту загрузки.

280

Полагая, что рабочая камера не является сильно вытянутой или сплюснутой вдоль оси, можно выразить высоту загрузки Н через рабочий объем V камеры. Откуда:

р = = (8) Для определения скорости потока среды учтем данные [1, 2] о том, что в состоянии установившегося движения потока по вибрирующей поверхности скорость потока пропорциональна виброскорости самой поверхности. Согласно [1,2] максимальная скорость циркуляционного движения среды внутри и-образной камеры определяется соотношением:

А со А-2л-/ *тах= — =-2

справедливость которого доказана независимыми экспериментальными результатами [4].

Подставляя (9), (8) в (6), получим:

рА/

( А2 Г2 ^

В полученном выражении р, X характеризует свойства обрабатывающей среды, а А, л/у , л/^д - динамический режим и размеры камеры.

Анализ достаточно большого числа экспериментальных данных показывает, что пороговая амплитуда зависит от частоты вибрации.

Как следует из [4], величина А0 зависит от трения частиц о несущую поверхность, толщины слоя частиц и их плотности, однако при отсутствии уплотняющих факторов А0 может с достаточной степенью точности (ошибка до 15%) составлять 0,4мм.

Более корректно будет ввести аналогично амплитуде пороговую частоту, начиная с которой абразивная среда может прийти в движение. Естественно, эта пороговая частота /о будет зависеть от амплитуды возбуждаемых колебаний, однако, как показывают экспериментальные данные работ [1, 2, 4] величина /о находится в интервале 10—15 Гц для большинства вибростанков с циркуляционным характером движения.

Таким образом, совокупность зависимостей, описывающих процесс обработки поверхности деталей органическими гранулированными средами, состоящими из дроблённых косточек фруктов, может быть представлена в следующем виде:

р-(А-А0)-(/-/0) [(А-А0)2 -(/-/о)2^

Ууд

2

А>Ао,/>/о

А0=—

4 • л • /о

— = 1; —>6; -^-^—<0,5. I С/ ч

В связи с тем, что соотношения (11) получены с привлечением экспериментальных данных, позволяет предполагать об обоснованности полученной модели.

Список литературы

1. А.П. Бабичев, И. А. Бабичев Основы вибрационной технологии. Ростов-н/Д. Изд-во ДГГУ. 1999. 620 с.

2. Тамаркин М.А. Технологические основы оптимизации процессов обработки деталей свободными абразивами: автореф. дис. ... д-ра техн. наук. Ростов-на-Дону, 1995. 32 с.

3. Шевцов С.Н. Компьютерное моделирование динамики гранулированных сред в вибрационных технологических машинах. Ростов н/Д. Издательство СКНЦ ВШ. 194 с.

4. Лебедев В.А., Крупеня Е.Ю., Шишкина А.П., Филипчук О.С. Применение гранулированных сред органического происхождения для отделки деталей в условиях вибрационных технологических систем. //Наукоемкие технологии в машиностроении. №2. 2015. С. 30-37.

Шишкина Антонина Павловна, ст. преподаватель, shishkina56646@yandex.ru, Россия, Ростов-на-Дону, Донской государственный технический университет,

Лебедев Валерий Александрович, канд. техн. нау^, проф., va.lebidev@ yandex.ru, Россия, Ростов-на-Дону, Донской государственный технический университет,

Чаава Михаил Мегонович, канд. техн. наук, доц., vibrotech@,mail.ru, Россия, Ростов-на-Дону, Донской государственный технический университет

MODELING OF THE PROCESS OF WEBROOTDIR PARTS SEEDED ORGANIC MEDIA

A.P. Shishkinа, V.A. Lebedev, M.M. Chaаva

The analysis of approaches to the modeling of webrootdir pellet-fixed environments. The developed model of the process of webrootdir parts Kostochka new organic environments, which is based on an approach based on energy-energy impact of the stream of pellets on the surface.

Key words: vibroabrasive processing, organic granular medium, the surface roughness, machining loose abrasive, microcutting, metallosis.

Shishkinа Antonina Pavlovna, senior teacher, shishkina56646@yandex. ru, Russia, Rostov-don, Don State Technical University,

Lebedev Valeriy Aleksandrovich, candidate of technical science, professor, va.lebidev@ yandex.ru, Russia, Rostov-don, Don State Technical University,

Chaаva Michael Egonovich, candidate of technical science, docent, vibro-tech@,mail.ru, Russia, Rostov-don, Don State Technical University