Технология центробежной абразивной обработки сферических тел

Оригинальная статья / Original article УДК: 621.923.74

DOI: 10.21285/1814-3520-2016-10-63-70

ТЕХНОЛОГИЯ ЦЕНТРОБЕЖНОЙ АБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКИ СФЕРИЧЕСКИХ ТЕЛ

1 9

© Т.А. Ходжаев1, А.И. Мирзоалиев2

Таджикский технический университет им. академика М.С. Осими,

734042, Республика Таджикистан, г. Душанбе, пр-т академиков Раджабовых, 10.

РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. Исследование процесса изготовления сферических тел из самоцветных камней методом центробежной абразивной обработки и установление закономерностей процесса обработки. МЕТОДЫ. В данной работе проанализирован процесс изготовления сферических тел из самоцветных камней центробежной абразивной обработкой. Апробированы на практике различные схемы обработки и приведены результаты, полученные при исследовании. Для выявления возможности использования процессов центробежной абразивной обработки при изготовлении сферических тел из самоцветных камней использованы теоретические и экспериментальные методы исследований. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ. Исследования показали, что процесс центробежной абразивной обработки обеспечивает более высокую производительность и тем самым повышает эффективность процесса изготовления сферических тел из самоцветных камней. Превращение исходных заготовок кубической формы в окончательную сферическую форму производится в несколько этапов. Первый этап обработки проходит на галтовочном оборудовании с горизонтальной осью вращения или планетарно-центробежной обработкой. Процесс планетарно-центробежной обработки производительнее в 4-8 раз по сравнению с обработкой в галтовочных барабанах с горизонтальной осью вращения. Цикл изготовления продукции при использовании процессов центробежной обработкой сокращается примерно с 12-24 до 4-6 часов. ВЫВОДЫ. Полученные результаты подтвердили приемлемость использования процессов центробежной абразивной обработки при изготовлении сферических тел.

Ключевые слова: абразив, самоцветный камень, шарики, барабанная галтовка, центробежная галтовка, исправление формы, сферичность.

Формат цитирования: Ходжаев Т.А., Мирзоалиев А.И. Технология центробежной абразивной обработки сферических тел // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2016. Т. 20. № 10. С. 63-70. DOI: 10.21285/1814-3520-2016-10-63-70

TECHNOLOGY OF CENTRIFUGAL ABRASIVE MACHINING OF SPHERICAL BODIES T.A. Khodjaev, A.I. Mirzoaliev

M.S. Osimi Tajik Technical University,

10 akademikov Radjabovykh pr., Dushanbe, Republic of Tajikistan, 734042.

ABSTRACT. THE PURPOSE of the article is to study the manufacturing process of spherical bodies made of semiprecious stones by the method of centrifugal abrasive machining and establishing the patterns of processing. METHODS. The paper analyzes the process of spherical body production from semiprecious stones by centrifugal abrasion. Different machining patterns have been tested. The results obtained in the study are given. Theoretical and experimental research methods are used to identify the possibility of using centrifugal abrasive machining processes in manufacturing of spherical bodies of semi-precious stones. RESULTS AND THEIR DISCUSSION. Studies have shown that the centrifugal abrasive machining ensures better performance and, thus, improves the efficiency of the production process of spherical bodies of semi-precious stones. Transformation of initial workpieces of the cubic shape into the final spherical shape is performed in several stages. The first stage of machining is performed on a tumbling equipment with a horizontal rotation axis or planetary centrifugal processing. Planetary centrifugal machining is 4-8 times more efficient than processing in tumbling barrels with horizontal rotation axis. The manufacturing cycle is reduced from about 12-24 to 4-6 hours in the case of using centrifugal machining. CONCLUSIONS. The obtained results confirm the application feasibility of centrifugal abrasive machining in the manufacture of spherical bodies.

Keywords: abrasive, semi-precious stone, balls, tumbling barrel, centrifugal tumbling, shape correction, sphericity

1

Ходжаев Таджиддин Авгонович, соискатель, старший преподаватель кафедры технологии машиностроения, металлорежущих станков и инструментов, е-mail: tojiddin67@mail.ru

Khodjaev Tojiddin, Competitor for a scientific degree, Senior Lecturer of the Department of Technology of Mechanical Engineering and Metal-Cutting Equipment and Tools, е-mail: tojiddin67@mail.ru

2Мирзоалиев Азим Исроилович, ассистент кафедры технологии машиностроения, металлорежущих станков и инструментов, e-mail: Azimjon86_86@mail.ru

Mirzoaliev Azim, Assistant Professor of the Department of Technology of Mechanical Engineering and Metal-Cutting Equipment and Tools, e-mail: Azimjon86_86@mail.ru

For citation: Khodjaev T.A., Mirzoaliev A.I. Technology of centrifugal abrasive machining of spherical bodies. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2016, vol. 20, no. 10, pp. 63-70. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-201610-63-70

Введение

Большинство изделий из самоцветных камней (бусы, четки, ожерелье и др.) состоят из шариков. Изготовление сферических тел из самоцветных камней является одной из трудоемких задач. Кроме того, существующие способы не обеспечивают правильность формы сферических тел. В

процессе изготовления из-за больших сил давления нередки случаи поломки продукции. В статье рассмотрены вопросы изготовления шариков из самоцветных камней. В отличие от традиционной обработки в нашем случае используется процесс центробежной абразивной обработки.

Анализ исследования

В настоящее время наиболее широко применяемый способ обработки сферических элементов, например, шариков -обработка их в канавках между верхним и нижним дисками. Таким способом можно обработать шарики из различных материалов, в том числе из самоцветных камней [1, 2]. Однако этот способ малопроизводителен. Кроме того, он не обеспечивает правильность формы сферических тел. В процессе изготовления из-за больших сил давления нередки случаи поломки сферических элементов.

Существуют также способы центробежной абразивной обработки шариков, при которых под действием центробежных сил инерции происходит смешивание абразивной массы и шариков и их обработка [3, 4]. Однако в настоящее время способы центробежной абразивной обработки при изготовлении шариков из самоцветных камней практически не применяются. Использованные нами способы центробежной абразивной обработки при изготовлении самоцветных камней дали положительные результаты.

Исследования показали, что получение сферических тел целесообразно вести в несколько этапов. На первом этапе заготовки в виде кубиков галтуются в барабане с горизонтальной осью вращения [5, 6] или на планетарно-центробежной установке [7]. В зависимости от твердости заготовок продолжительность барабанной галтовки может составлять от 4 до 12 ч, а планетарно-центробежной галтовки - от 0,3

до 1 часа. При этом происходит притупление граней и ребер кубиков. После обработки отношение большого размера (в направление диагонали) к малому (в направление ребра) примерно составляет от 1,2 до 1,4. Дальнейшая обработка на этих станках не приводит к исправлению формы. Следующим этапом является использование процесса центробежной абразивной обработки, согласно схеме, показанной на рис. 1 [8]. Эксперимент ведется в установках для центробежной абразивной обработки с вращающимся дном. Исследованы различные варианты обработки шариков. Установлено, что наиболее приемлемым является схема, показанная на рис. 1. Вращающееся дно 1 изготовлено из абразивного материала. В качестве этого элемента могут служить планшайбы или шлифовальные круги. Материалы в виде галтованных кубов из самоцветных камней при обработке трутся по поверхности абразивного круга. Линейная скорость вращения круга при этом составляет не менее 15 м/сек.

Заготовки нижнего слоя, соприкасаясь с вращающимся инструментом, трутся по его поверхности, одновременно перемещаются и вращаются вокруг своих осей. Когда количество обрабатываемых заготовок составляет не менее половины объема чаши, верхние слои давят на нижние и соответственно показатели обработки улучшаются. Заготовки получают тороидальное движение - одновременное вращение

Рис. 1. Схема центробежной обработки шариков: 1 - вращающееся дно, служащее инструментом для обработки; 2 - обрабатываемые изделия; 3 - чаша Fig. 1. Diagram of balls centrifugal machining: 1 - rotating bottom serving as a machining tool;

2 - processed products; 3 - bowl

\Au

-i-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-

Ю 20 30 iO 50 60 70 SO 90 Ю0 W t20 00 110 8) 160 t70 W ПО 2002V 220 230 2i0 f

I.чин

Рис. 2. График исправления формы по схеме рис. 1 при центробежной абразивной обработке:

1 - график зависимости AU^f (t); 1 - фактическое распределение размеров AU от t Fig. 2. Graph of shape correction by the diagram of the fig. 1 under the centrifugal abrasive machining: 1 - dependence graph AU^f (t); 1 - actual AU size distribution depending on t

вокруг оси чаши и в вертикальной плоскости. График исправления формы от продолжительности обработки приведен на рис. 2.

дU=^í-^Ч00%,

где ии - исходное значение отклонения формы; ио - отклонение формы после обработки.

По оси абсциссы показана продолжительность обработки в минутах, а по оси ординаты - процент исправления исходной погрешности. Процент исправления погрешности определяется как отношение величины погрешности после обработки к исходной погрешности в процентах. Как видно из графика, в начале обработки интенсивность исправления формы высокая.

Достигая определенного значения, в дальнейшем исправление практически прекращается, и заготовки равномерно обрабатываются по всей поверхности. Например, для заготовки из офиокальцита средний исходный размер составлял: наименьший 18 мм и наибольший - 20,4 мм. Отклонение от сферичности - 2,4 мм. После 180 мин обработки средний размер партии составлял 17 мм наименьший и 18,2 мм наибольший. После 240 мин обработки средний размер составлял: наименьший - 16 мм и наибольший - 17,2 мм. Таким образом, исправление формы практически прекращается. Следующая стадия обработки осуществлялась по схеме, показанной на рис. 3 [9].

I1

б

Рис. 3. Схема центробежной обработки шаров: а - общий вид установки в разрезе;

б - вид сепаратора сверху Fig. 3. Diagram of centrifugal machining of balls: a - general cross-sectional view of the apparatus;

b - top view of the separator

При обработке шарики 4 устанавливаются в сепараторе 2. При вращении сепаратора под действием центробежных сил шарики прижимаются к поверхности абразивной ленты 1, установленной в барабане 5. Для равномерного износа инструмента и обеспечения обработки шариков по всей рабочей поверхности барабану сообщается возвратно-поступательное движение в вертикальной плоскости.

Рассмотрим более подробно схему обработки шариков, показанную на рис. 3, 4. При этом шарики помещаются в цилиндрические отверстия сепаратора, имеющие наклон в двух плоскостях. Наклон с углом а в вертикальной плоскости и р в горизонтальной плоскости. Инструмент 5 (рис. 3), совершая возвратно-поступательное движение в вертикальной плоскости, одновременно связан с реверсивным приводом вращения. Сепаратор 2 также имеет привод вращения. При вращении сепаратора 3 центробежная сила Fцc., прижимая шарик к поверхности рабочего инструмента, создает силу трения Fтp, кото-

рая обеспечивает качение вокруг одной из

его осей. Наклон отверстий сепаратора 2 изменяет направление силы Nсeп, совместное действие которой с силой трения Fтp, создает момент пары сил, приводящих во вращение шарик вокруг двух других его осей. На обрабатываемое изделие действуют следующие силы: центробежная - Fц,c, трение с поверхностью притира - Fтp, N<1. - нормальная сила прижима к стенке сепаратора, Fceп, - трение о сепаратор, в - сила тяжести. Независимо от количества деталей в больших пределах можно регулировать силу прижима шарика к поверхности инструмента и частоту его вращения. Например, когда сепаратор и инструмент вращаются в одну сторону с отличающимися частотами вращения, угловая скорость вращения шарика определяется разностью частот вращения инструмента и сепаратора, радиусом рабочей поверхности инструмента и радиусом шарика. При этом можно обеспечить значительные силы прижима шарика при минимальных скоростях. Если инструмент и сепаратор вращаются в противоположных

Рис. 4. Схема действия сил на шарик при центробежной абразивной обработке: F«.c. - центробежная сила, действующая на шарик при вращении сепаратора; Fтр.сеп. - сила трения шарика с сепаратором; Fmp^m^ - сила трения шарика при обработке инструментом Fig. 4. Diagram of the effect of forces on a ball under centrifugal abrasive machining: - centrifugal force acting on the ball under separator rotation; F^^. - ball and separator friction force; Fmp^mp. - ball friction force under its processing by a tool

направлениях, то угловая скорость вращения шарика определяется суммой частот вращения сепаратора и инструмента. При этом можно создавать условие, когда при небольшой, заранее рассчитанной силе прижима имеют место значительные угловые скорости. Одним из условий задания -придание заготовкам правильной геометрической формы - является обеспечение их равномерным трехосным вращением.

Эксперименты показали, что наиболее целесообразно при обработке по схеме рис. 3 шарики помещать в цилиндрические отверстия, имеющие наклон в двух плоскостях. Наклон с углом а в вертикальной плоскости и (в горизонтальной плоскости.

Возможность равномерного вращения шариков вокруг своих осей создается при условии:

V/,

Jy-l=My

>,-Ф, V/

M, = Ы„ = M,

где Jx = = Jz - моменты инерции шарика I относительно осей X, У, 2\ фх,ф ,фг - угловые ускорения вращения вокруг осей; Мх,

Му, Мг - моменты сил, действующих на шарик.

Равноосное вращение обеспечивается при условии:

Мх = Му = Мг

Мх = ^тр.инстр/1"шар. — Тр.сеп/1"шар

)/cosa;

Му = Ftp .сеп.^шар. •sinß^cos2ß + sin2a; (3) Mz = Ftp .сеп.^шар. -cosß-^cos2a + sin2ß.

Условия Мх = Му и Мг = Му выполняются при ртр.инстр. = 1,707 ртр.сеп.

Условие Мх=Му выполняется при а= в = 450.

Таким образом, трехосное вращение при центробежной обработке создается при равных углах наклона отверстий, т.е. а = в = 450 и оптимальным соотношением сил трения шарика в сепараторе и инстру-

мен-та - F

тр.инстр.

= 1,707 Fi

тр.сеп

. Данное

соотношение сил трения можно обеспечить подбором материалов сепаратора и инструмента. Экспериментальное исследование процесса обработки показало следующие результаты:

- Зависимость исправления формы (приближение к сферичности) от продолжительности обработки показано на рис. 5.

Рис. 5. График исправления формы при центробежной абразивной обработке по схеме рис. 3. Fig. 5. Graph of shape correction under centrifugal abrasive machining by the diagram of the fig. 3.

- Исправление формы от исходной некруглости при данном методе обработки достигает до 80%. Например, при исходной некруглости заготовки, равной 1,6 мм, остаточная некруглость после обработки составляла 0,32 мм.

Данную схему можно использовать для обработки шариков из самоцветных камней при выполнении операции формообразования, причем для процесса полировки абразивную ленту 1 требуется заменить на полировальную вкладку.

Заключение

Исследования показали, что процесс центробежной абразивной обработки обеспечивает более высокую производительность и улучшает качество обработки. Превращение исходных заготовок, имеющих кубическую форму, в сферическую форму происходит в несколько этапов. Первый этап обработки производится на галтовочном оборудовании с горизонтальной осью вращения. После обработки отношение большего размера (в направление диагонали) к малому (в направление ребра) примерно составляет от 1,2 до 1,4. Дальнейшая обработка на этих станках не привела к исправлению формы. Второй этап обработки осуществляется с использованием центробежного станка с вращающимся дном. Особенностью данного станка является наличие абразивного инструмента, выполняющего роль вращающегося дна. Съем излишнего материала при данном способе обработки - значительный. Как видно из графика на рис. 2,

исправление формы происходит также интенсивно и для партии заготовок. За 120 мин обработки исправление формы достигает 56% по сравнению с исходной погрешностью. Третий этап исправления формы осуществляется с использованием устройства для центробежной абразивной обработки (см. рис. 3). При этом заготовки под действием центробежных сил прижимаются к поверхности абразивной ленты и обрабатываются. Обеспечивается упругий прижим заготовок к поверхности абразивной ленты, что обеспечивает более качественную обработку и устраняет поломку заготовок при обработке. Выведено условие трехосного вращения шариков при обработке. Результаты экспериментов, приведенные на графике рис. 5, показывают, что исправление формы достигает 80%. Например, в партии заготовок при исходной усредненной некруглости, равной 1,6 мм, остаточная некруглость после обработки составляет 0,32 мм.

Библиографический список

1. Пат. № 841925, СССР, МПК В24В11/02. Станок для обработки шариков / И.П. Филонов, И.И. Дъяков; заявитель и патентообладатель Белорусский ордена Трудового Красного Знамени политехнический институт. № 2752128/25-08; заявл. 13.04.79; опубл. 30.06.81. Бюл. № 24.

2. Пат. № 532510, СССР, МПК В24В11/02. Устройство для обработки шариков / П.И. Ящерицин, Л.А. Олендер, И.П. Филонов, Ю.А. Добрынин, В.М. Климович; заявитель и патентообладатель Белорусский ордена Трудового Красного Знамени политехнический институт. № 2167572/08; заявл. 18.08.75; опубл.15.12.76. Бюл. № 39.

3. Пат. № 891356, СССР, МПК В24В11/02. Способ центробежной обработки шариков / И.П. Филонов, В.В. Бабук; заявитель и патентообладатель Белорусский ордена Трудового Красного Знамени политехнический институт. № 2440680/25-08; заявл. 04.01.77; опубл. 15.08.79. Бюл. № 30._

4. Пат. № 679380, СССР, МПК В24В11/02. Устройство для абразивной центробежной обработки / П.И. Ящерицин, Л.А. Олендер, И.П. Филонов, О.С. Мурков, Ю.А. Добрынин, В.П. Соболевский; заявитель и патентообладатель Белорусский ордена Трудового Красного Знамени политехнический институт. № 2167572/08; заявл. 18.08.75; опубл. 15.12.76. Бюл. № 39.

5. Пат. № 1797563А3, СССР, МПК В24В31/02. Галтовочное устройство / Г.В. Серга, А.Н. Куцериб; заявитель и патентообладатель Г.В. Серга, А.Н. Куцериб. № 4928726; заявл. 18.04.91; опубл. 23.02.93. Бюл. № 7.

6. Пат. № 566714, СССР, МПК В24В31/02. Галтовочный барабан / Д.Х. Аюкасов, В.П. Озеров, А.Н. Фокин; заявитель и патентообладатель Д.Х. Аюкасов, В.П. Озеров, А.Н. Фокин. № 2141863; заявл. 06.06.75; опубл. 30.07.77. Бюл. № 28.

7. Пат. № 573326, СССР, МПК В24В31/08. Установка для центробежной абразивной обработки деталей в контейнерах / С.Г. Кандаян, К.А. Миджоян, Э.К. Ако-пян; заявитель и патентообладатель Филиал экспериментального научно-исследовательского института металлорежущих станков. № 2388325; заявл. 12.07.76; опубл. 25.09.77. Бюл. № 35.

8. Пат. № 683888, СССР, МПК В24В31/08. Устройство для центробежной отделки изделий / П.П. Мерзляков, В.Н. Глебов, В.М. Кузаконь; заяви-

тель и патентообладатель П.П. Мерзляков, В.Н. Глебов, В.М. Кузаконь. № 2534653; заявл. 18.10.77; опубл. 05.09.79. Бюл. № 33. 9. Пат. №и355, Республика Таджикистан, МПК 7В24В31/02, 31/10. Способ центробежной абразивной обработки деталей тел вращения / И.М. Мирзо-алиев, А.Н. Убайдуллоев; заявитель и патентообладатель И.М. Мирзоалиев, А.Н. Убайдуллоев. № 01000691; заявл. 31.07.2001; опубл. 20.11.2002. Бюл. № 2.

References

1. Filonov I.P., D"yakov I.I. Stanok dlya obrabotki sharikov [Machine tool for balls machining]. Patent RF, no. 841925, 1981.

2. Yashcheritsin P.I., Olender L.A., Filonov I.P., Dobryn-in Yu.A., Klimovich V.M. Ustroistvo dlya obrabotki sharikov [A device for balls machining]. Patent RF, no. 532510, 1976.

3. Filonov I.P., Babuk V.V. Sposob tsentrobezhnoi obrabotki sharikov [A method of balls centrifugal machining]. Patent RF, no. 891356, 1979.

4. Yashcheritsin P.I., Olender L.A., Filonov I.P., Murkov O.S., Dobrynin Yu.A., Sobolevskii V.P. Ustroistvo dlya abrazivnoi tsentrobezhnoi obrabotki [A device for centrifugal abrasive treatment]. Patent RF, no. 679380, 1976.

5. Serga G.V., Kutserib A.N. Galtovochnoe ustroistvo [A tumbling device]. Patent RF, no. 1797563A3, 1993.

Критерии авторства

Ходжаев Т.А., Мирзоалиев А.И. проанализировали процесс изготовления сферических тел из самоцветных камней центробежной абразивной обработкой, провели обобщение и написали рукопись. Ходжаев Т.А. несет ответственность за плагиат.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

6. Ayukasov D.Kh., Ozerov V.P., Fokin A.N. Galtovochnyi baraban [A tumbling barrel]. Patent RF, no. 566714, 1977.

7. Kandayan S.G., Midzhoyan K.A., Akopyan E.K. Ustanovka dlya tsentrobezhnoi abrazivnoi obrabotki detalei v konteinerakh [An installation for centrifugal abrasive blasting of parts in containers]. Patent RF, no. 573326, 1977.

8. Merzlyakov P.P., Glebov V.N., Kuzakon' V.M. Ustroistvo dlya tsentrobezhnoi otdelki izdelii [A device for centrifugal finishing of products]. Patent RF, no. 683888, 1979.

9. Mirzoaliev I.M., Ubaidulloev A.N. Sposob tsen-trobezhnoi abrazivnoi obrabotki detalei tel vrashcheniya [The method of centrifugal abrasive blasting of rotation body parts]. Patent Respublika Tadgikistan, no. TJ355, 2002.

Authorship criteria

Khodjaev T.A., Mirzoaliev A.I. have analyzed the production process of spherical bodies from semiprecious stones by centrifugal abrasive blasting, summarized the material and wrote the manuscript. Khodjaev T.A. bears the responsibility for plagiarism.

Conflict of interests

The authors declare that there is no conflict of interest regarding the publication of this article.

Статья поступила 24.08.2016 г. The article was received 24 August 2016