Влияние состава рабочей среды на технологические режимы абразивно-экструзионной обработки сложнопрофильных деталей

вышенной термостойкостью и могут эксплуатироваться при температурах до 600 °С.

Библиографический список

1. Николаев, И. В. Металлургия легких металлов /

И. В. Николаев, В. И. Москвитин, Б. А. Фомин. М. : Металлургия, 1997.

E.N. Levaya, A. A. Kuzovnikov

STRUCTURE AND ELECTRIC CHARACTERISTICS OF THE BIMETALLIC CONNECTIONS WITH RAISED THERMOSTABILITY RECEIVED BY WELDING BY EXPLOSION

Steel-aluminum electric transition connections are applied in electrolytic cells to manufacture of aluminum. Their application in aerospace branch is possible. The work is devoted to studying of electric characteristics and structure of bimetallic welded connections with use of intermediate layers of nickel, titan and stainless steel.

2. Разработка и совершенствование контактных соединений / А. 3. Богунов, О. А. Трескин, А. А. Кузовников и др.; ИТЦ «Русал». Красноярск, 2004. 61 с.

УДК 621.924.079

В. А. Левко, Е. Б. Пшенко

ВЛИЯНИЕ СОСТАВА РАБОЧЕЙ СРЕДЫ НА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕЖИМЫ АБРАЗИВНО-ЭКСТРУЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ СЛОЖНОПРОФИЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ

Приведена сравнительная характеристика контактных взаимодействий при различных методах финишной обработки, рассмотрены составы вязкоупругих рабочих сред для различных видов абразивно-экструзионной обработки и рекомендации по выбору состава.

Финишная обработка (ФО) сложнопрофильных криволинейных поверхностей и каналов деталей традиционными способами обработки практически не применяется из-за затрудненного доступа инструмента к обрабатываемой поверхности. Технически сложно реализовать перемещение и вращение абразивного инструмента с постоянной формой (круги, притиры, ленты) в профильном канале.

При ФО для использования профильного инструмента постоянной формы необходимо применять специальное оборудование, обеспечивающее сложное перемещение инструмента по обрабатываемой поверхности. Для каждой номенклатуры или типоразмера профильных деталей, как правило, приходится изготавливать специальный инструмент, что значительно увеличивает затраты на производство.

Более эффективным техническим решением является использование специальных технологий ФО, в которых в качестве режущего инструмента применяется поток рабочей среды, наполненный твердыми абразивными частицами и принимающий при течении через обрабатываемый канал его форму. При этом поток среды должен обеспечить равные условия контактирования активных зерен со всей обрабатываемой поверхностью.

Расходно-напорные характеристики потока определяют скорость и давление среды в обрабатываемом канале. Вязкие свойства среды влияют на ее текучесть (жесткость),

а также на степень закрепления и характер движения абразива в потоке и его контакта с обрабатываемой поверхностью. Выбор состава рабочей среды во многом определяет производительность и равномерность финишной обработки.

Для ФО, где в качестве основы применяется ньютоновская жидкость или псевдоожиженный слой, основное значение имеют расходно-напорные характеристики. Основной съем металла реализуется за счет соударений абразивных зерен. Основной технологической характеристикой является скорость потока, содержание и величина абразива в потоке, а также угол контакта зерна с поверхностью. Для интенсификации процесса абразивной обработки дополнительно накладывают воздействие поверхностно-активных сред, электромагнитных полей, вибраций с различной частотой и амплитудой. При этом механизм удаления материала при обработке принципиально не меняется. К таким видам ФО относится абразивножидкостная, магнитно-абразивная, виброабразивная и турбоабразивная обработки.

При использовании в качестве основы рабочей среды неньютоновской жидкости в процессе абразивной обработки возникает ряд особенностей, обусловленных их реологическими свойствами. Такой процесс получил название Abrasive Flow Machine Process [1]. До настоящего времени в нашей стране у данной технологии нет общепринятого названия. В научной литературе разные

авторы называют ее абразивно-экструзионной обработкой (АЭО), экструзионным хонингованием или экструзионным шлифованием.

Неньютоновские среды способны проявлять как вязкие свойства, характерные для обычных ньютоновских жидкостей, так и упругие свойства, характерные для твердых тел. Причем эта способность сохраняется в достаточно широком диапазоне температур и давлений, которые можно эффективно реализовать в условиях современного промышленного производства. При течении таких сред возникает полный тензор деформаций [2].

В потоке рабочей среды 3 (рис. 1), основой которой является неньютоновская (вязкоупругая) жидкость, продавливаемой при помощи устройства 2 через обрабатываемый канал 1 возникают не только вязкие и пластические, но и упругие деформации. Упругое восстановление основы среды в потоке при обработке создает значительные дополнительные усилия на абразивное зерно, позволяющие обеспечить требуемые величины силы резания при меньших скоростях потока (скорости резания), чем при традиционной абразивно-жидкостной обработке. При этом реализуется широкий спектр типов контактирования, который и определяет характер обработки поверхности по всей ее длине.

2 13

т

Рис. 1. Схема процесса абразивно-экструзионной обработки

К настоящему времени выделилось четыре принципиальных схемы этого процесса:

- двунаправленная обработка сквозных каналов и наружных поверхностей в закрытых камерах (two-way abrasive flow machines);

- односторонняя обработка сквозных каналов и наружных поверхностей в закрытых камерах (one-way abrasive flow machines);

- обработка несквозных полостей с наложением вибрации (orbital abrasive flow machines);

- обработка микроотверстий (micro flow abrasive machines).

Двунаправленная АЭО сквозных каналов и наружных поверхностей в закрытых камерах, осуществляется по двум принципиальным схемам: 1 - продавливание абразивных рабочих сред через или вдоль неподвижной детали; 2 - перемещение обрабатываемой детали в уплотненной среде. Наиболее широкое применение в мире получило первое направление.

Практика показывает, что на производительность, качество и технологические возможности процесса АЭО влияет большое количество факторов, которые можно объединить в следующие группы:

- конструктивные особенности обрабатываемой детали;

- конструктивные особенности устройств, создающих течение РС;

- конструктивные особенности устройств, формирующих характер потока среды;

- состав рабочей среды и технология ее приготовления;

- особенности специальных способов обработки.

При создании технологии АЭО необходимо учитывать взаимное влияние вышеперечисленных факторов, но особое значение имеет выбор состава рабочей среды.

Этот выбор зависит от условий обработки: геометрических характеристик обрабатываемой детали, а также требуемого и исходного качества поверхностного слоя.

Рабочая среда для АЭО состоит из полимерной основы, рабочих элементов и компонентов, которые изменяют ее свойства (пластификаторов и модификаторов). Процентное содержание каждого компонента среды изменяется от условий обработки.

Впервые для двунаправленной АЭО в качестве основы рабочей среды, проявляющей вязкоупругие свойства, предложено использовать силиконовую мастику SS-91 или пластифицированный каучук, рабочими элементами являются зерна карбида кремния или окиси алюминия, модификатором является изотропиловый стеарат или пудра тетрафторэтиленовая, а в качестве пластификатора используют силиконовую смазку, силиконовую мастику или метилсилоксановую жидкость [1].

В другом техническом решении в качестве основы было предложено применение гуаровой смолы с добавлением борной кислоты и буры [3]. Однако данный состав широкого применения не нашел из-за вредного воздействия на оборудование персонал и окружающую среду.

Для обработки суженных каналов на высокой скорости и под большим давлением необходимо применять более текучую среду. Для этого в основу, содержащую боро-диалкил кремнекислородного полимера, добавляют гелевый модификатор, образованный из «металлического мыла» жирной карбоновой кислоты, имеющей от 8 до 22 атомов углерода и углеводородного масла [4].

Для увеличения вязкости и жесткости среды на основе боро-диалкил кремнекислородного полимера, ее модифицируют гелем «металлического мыла» и полибутилена, образованным до смешивания с полимером [5]. Эту среду по своим реологическим свойствам уже можно отнести к высокомолекулярным соединениям, при деформации которых, в отличие от предыдущих составов, возникают значительные нормальные напряжения.

В нашей стране в основу рабочей среды синтетический каучук термостойкий (СКТ), добавляют рабочие элементы - любые твердые частицы. Чаще всего это абразивные зерна различных марок. Силоксановые каучуки относятся к классу кремнийорганических полимеров, причем благодаря высокой прочности связей Si-O (более 420 кДж/моль) и Si-C (около 415 кДж/моль) они имеют высокую стойкость к тепловому старению. Силокса-новые цепи обладают значительной гибкостью и малыми силами межмолекулярного взаимодействия (плотность энергии когезии 210 Дж/см3). В качестве пластификатора для уменьшения трения потока применяют мелкодисперсный фторопласт-4 [6], в качестве модификаторов крем-нийорганическую жидкость ПЭС-5 и молотую слюду

СММ-125 [7]. При обработке с использованием уплотненной среды, в которой перемещается обрабатываемая деталь, используют состав: глина бентонитовая - 22 %; гидрооксид калия КОН - до 3 %; абразивные зерна (500 мкм) - 53 %; вода - 22 %. Такой состав отличается значительной химической агрессивностью и требует значительных затрат на дополнительную защиту. Уровень возникающих упругих напряжений в такой среде гораздо ниже, чем в среде на основе кремнийорганического каучука. В ходе длительного использования такой среды происходит испарение воды, что ведет к уменьшению способности удерживать абразивное зерно. Такие же недостатки характерны для сред, в основе которых предложено использовать водный раствор нейтрализованного нитролигнина.

Глубина резания (оттеснения при контакте абразивного зерна) неровность обрабатываемой поверхности зависит от режущих свойств наиболее твердого из контактирующих тел и пластических свойств более мягкого контактирующего тела.

При АЭО возникает массовый контакт неровностей обрабатываемой поверхности и более твердых абразивных зерен, перемещаемых полимерной основой, которая является более пластичной по сравнению с материалом обрабатываемой детали. Таким образом, в локальных пятнах контакта неровность поверхностного слоя -абразивное зерно, рабочая среда имеет большую твердость и, одновременно, более пластична, чем обрабатываемый материал.

Абразивное зерно при контакте с вершиной микровыступа совершает не только поступательное движение в направлении потока среды, но и колебательные движения, перпендикулярные обрабатываемой поверхности. Частота колебания зерна зависит от шага шероховатости, а амплитуда определяется величиной касательных и нормальных напряжений среды в точке контакта, а также от соотношения твердости микровыступов абразивного зерна и обрабатываемого поверхностного слоя.

Варьируя величиной и содержанием абразивного зерна в рассмотренных выше составах сред, можно успешно обрабатывать детали из различных материалов - цветных металлов и сплавов, чугунов и различных сталей, в том числе и после операций термообработки.

Проблемой является АЭО каналов сразу же после операций литья или электроэрозионной обработки. Такая поверхность имеет значительный дефектный слой, характеризующийся высоким уровнем остаточных деформаций и значительной шероховатостью Иг > 40 мкм. Для обработки таких поверхностей необходимы более жесткие среды, способные сохранить текучесть с заданными расходно-напорными характеристиками.

Для создания таких сред предложено несколько технических решений. Так, не нашел широкого применения метод полировки поверхности обрабатываемой детали средой, способной к упругому сжимающему абразивному контакту. Эта среда содержит массу дискретных, способных упруго деформироваться частей, каждая из которых состоит из матрицы упругого материала, наполненной мелкодисперсными абразивными зернами [8]. В этом случае основа среды состоит из отдельных вязко-

эластичных гранул, продавливаемых через обрабатываемую деталь.

Такая среда обладает высокой жесткостью, низкой текучестью и применяется только для обработки коротких каналов с постоянной формой поперечного сечения. Короткими принято называть такие каналы, у которых отношение площади поверхности Бк к площади поперечного сечения 5 , 5 /Б < 1.

сеч к сеч

При обработке каналов с входными отверстиями, расположенными под углом к основному потоку, а также каналов с переменной формой сечения, среды такого состава теряют способность к течению.

Более широко применяется рабочая среда на основе кремнийорганического полимера с добавлением резиновых частиц термопластических полимеров - силикона, полистирола, полиуретана, этилена, поливинила, полиамида, полипропилена и поликапролактана [9]. Причем размер гранул должен быть соизмерим с размерами абразивных зерен. В зависимости от условий обработки массовое содержание гранул термопластичных полимеров варьируется за счет увеличения или уменьшения содержания абразивного зерна. В качестве пластификатора предлагается использование минерального масла или керосина.

Данное решение позволяет увеличить эластичность, сопротивление сжатия и время релаксации среды по сравнению с традиционным составом. Такие среды способны к вязкопластическому течению в каналах с соотношением 5 /Б > 1.

к сеч

Существенным недостатком этого решения является уменьшение содержания абразива в среде, где жесткость среды такого состава возрастает, а ее режущие свойства уменьшаются.

На основании проведенных исследований нами предложен новый состав рабочей среды для АЭО, получившей название комплексной или полидисперсной среды. Известно, что содержание абразивных зерен в единице массы в зависимости от их размера (дисперсности) имеет экспоненциальную зависимость. Расширяя диапазон размеров Ба1 одновременно используемых зерен как в большую, так и в меньшую стороны от средней дисперсности Ба , можно увеличить содержание зерна в среде. При этом средние значения дисперсности Ба и процентного содержания абразива Ка останутся неизменными. Процентное содержание каждого используемого размера абразивных зерен Ка1 во всем объеме рабочих элементов, рассчитывается по новой формуле

Ка. =

£ Ба[ т £ £=1____/

Ба «Ба,

100, %,

где Ба1 - величина ¿-го размера, мкм; т - количество размеров, входящих в рабочую среду.

Полидисперсная среда была использована для финишной обработки пресс-матриц, имеющих сложнопрофильный канал. Время обработки одной детали составляло

600...620 мин. Применялась среда, состав которой был определен по рекомендациям [5]. Использование рабочей среды, наполненной абразивными зернами различной дисперсности, уменьшило операционное время на

обработку до 6 мин. Содержание каждой фракции было рассчитано по приведенной выше зависимости, позволившей получить более упакованную структуру рабочей среды, повысив ее упругие свойства и жесткость закрепления зерна в основе (рис. 2).

Рис. 2. Схемы абразивно-экструзионной обработки: а - однонаправленная; б - орбитальная

Для однонаправленной АЭО (рис. 2, а) применяют те же среды, вследствие подобия механизма контактирования среды с обрабатываемой поверхностью. Поршень 1, совершающий возвратно-поступательное движение, продавливает рабочую среду 2 в одном направлении через обрабатываемую деталь. На выходе из детали среда попадает в накопительный бункер 3, из которого она под действием силы тяжести перемещается в рабочий цилиндр.

При орбитальной АЭО на вязкоупругую абразивную среду 2, помимо сдвигового течения дополнительно накладывается вибрация притира 1. В первоначальных технических решениях применялись вязкопластические среды [10], при течении которых эффект накопления и релаксации упругих напряжений не проявляется или выражен очень слабо (рис. 2, б). Поэтому, чтобы создать дополнительное воздействие на рабочую среду, при котором возникают необходимые условия резания, притиру в закрытой камере необходимо сообщать колебания с большой частотой и амплитудой

Чтобы рабочая среда была способна проявлять при обработке не только вязкопластические, но и упругие деформации, в ее состав добавлен боросилоксан [11]. Это позволило вести обработку в открытой камере, создавая режимы деформации абразивной среды, при которых

80...95 % деформации осуществляются упруго, а 5...20% приходится на вязкопластическое течение.

В зависимости от степени наполнения абразивными зернами и гранулами полимера динамическая вязкость среды П изменяется в интервале 500.. .500 000 Па • с [12]. Такой

широкий диапазон вязкостных свойств можно объяснить различными условиями обработки различных деталей.

В таком диапазоне изменяется вязкость сред не только для орбитальной АЭО, но и для однонаправленной и двунаправленной АЭО. Рабочие среды для обработки микроотверстий имеют гораздо меньшую вязкость, обусловленную необходимостью создания потока среды через отверстия такого типа.

Выбор среды для АЭО микроотверстия зависит от размеров отверстия. При этом особое внимание уделяется вязкости среды, а также размеру и составу абразивных зерен, которыми данная среда наполнена. Вязкость среды должна быть такой, чтобы возможно реализовать сдвиговое течение в микроотверстии.

При изменении профиля потока на входе в канал возникают значительные нормальные напряжения, создающие дополнительные усилия резания. При большой вязкости потери потока на входе и в самом микроотверстии будут такими, что может произойти заклинивание рабочей среды или существенное увеличение размеров входного отверстия. Если микроотверстие выполнено в тонкостенном изделии, например в фильере, в этом случае возможна деформация самого изделия.

Если вязкость среды будет невелика, то возникающие при ее течении через микроотверстия нормальные напряжения не будут влиять на процесс резания, так как их величина будет несоизмеримо меньше, чем касательных напряжений.

При АЭО микроотверстий рабочая среда прокачивается под давлением 0,1.2 МПа при помощи специальных насосов [13], а скорость вязкоупругой абразивной среды в микроотверстии определится из отношения Уд = кБр /1, где Бр / / - расход среды через цилиндр установки; к = Ар / Ад - коэффициент соотношения площадей поперечного сечения поршня цилиндра установки Ар и поперечного сечения микроотверстия Ад.

Основой среды является машинное масло с добавлением абразивных зерен и реологической тиксотропной присадки. Варьируя содержание присадки, обеспечивается необходимая вязкость среды и скорость ее течения через микроотверстие.

В настоящее время при выборе рабочей среды для всех видов АЭО учитываются ее расходно-напорные характеристики и вязкостные свойства. Влияние упругих деформаций на режимы обработки обычно не рассматривается, что ведет к значительному упрощению реальной картины процесса АЭО.

Возникающие при течении установившегося движения в канале нормальные напряжения, вызванные упругими деформациями среды, имеют величины, соизмеримые с касательными напряжениями. Появление упругой деформации обусловлено градиентом скорости слоев потока среды. В процессе перестройки профиля потока при изменении профиля канала величина нормальных напряжений о будет значительно выше, чем касательных напряжений Т . Предельным случаем является универсальное для целого ряда полимеров соотношение между напряжениями о ~ Т2 [14].

Создание новых составов рабочих сред является актуальной задачей и основным методом повышения каче-

ства и производительности АЭО труднообрабатываемых материалов с низким исходным качеством поверхностного слоя и каналов большой длины, а также сложнопрофильных каналов с переменной формой поперечного сечения. Выбор состава должен осуществляться с учетом влияния полного тензора напряжений на условия обработки - жесткость, текучесть и режущую способность среды. Оптимальное сочетание этих параметров достигаются при использовании в качестве основы крем-нийорганического полимера. При наполнении такой основы абразивным зерном, в соотношении массовых долей 1/4, получается плотноупакованная тиксотропная структура с максимальными режущими свойствами. Дисперсность абразива определяется по приведенной формуле. Средняя величина дисперсности абразива зависит от шероховатости и микротвердости поверхностного слоя. Для медных и алюминиевых сплавов Bai - 125...250 мкм, для сталей Bai - 250.320 мкм. Вязкость полидисперсной среды приведенного состава 25 000.50 000 Па • с обеспечивает требуемые расходнонапорные характеристики потока, а упругие свойства позволяют реализовывать процесс резания с высокой производительностью. Полидисперсная среда имеет повышенную жесткость и степень закрепления абразивного зерна, по сравнению с рабочими средами обычного состава. При этом ее режущая способность не уменьшается. Среда данного состава была опробована ОАО «КраМЗ» для финишной обработки пресс-матриц, имеющих сложнопрофильный канал.

Библиографический список

1. Pat. 3634973 United States. Apparatus for abrading by extrusion and abrading medium / R. W. McCarty. 27.08.1969 ; 18.01.1972. №3. T. 894.

2. Левко, В. А. Особенности реологии рабочей среды при абразивно-экструзионной обработке / В. А. Левко // Вестн. Сиб. гос. аэрокосмич. ун-та им. акад. М. Ф. Решет-нева : сб. науч. тр. / под ред. Г. П. Белякова ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2006. Вып. 7. С. 96-100.

3. Pat. 3819343 United States. ISC B24B 7/00. Medium for process for honing by extruding / R. W. McCarty. 01.11.1971 ; 25.06.1974. №2. T. 921.

4. Pat. 3909217 United States. ISC C08J 5/14. Abrasive composition containing a gel and a boron-dialkyl silicon-oxygen polymer / Perry; Kenneth E. 13.12.1973 ; 30.09.1975.

5. Pat. 5203883 United States. ISC B24D 17/00. Honing media / Perry; Winfield B. 12.08.1991 ; 20.04.1993.

6. A.c. 1379063 СССР. МКИ B24B 39/02. Способ чистовой обработки сквозных отверстий деталей / С.К. Сысоев. Заявл. 30.10.85 ; опубл. 07.03.88, Бюл. N° 9. 3 с. : ил.

7. А.с. 1673420 СССР. МКИ B24D 3/34. Масса для абразивной обработки / Г. И. Фомин, B. П. Лозицкий, Н. М. Мазур, Б. И. Иоктон. Заявл. 18.04.89 ; опубл.

30.08.1991, Бюл. №32. 4 с. : ил.

8. Pat. 4512859 United States. ISC B24B 7/00. Abrasive polishing method / Inoue; Kiyoshi (Tokyo, JP). 27.12.1982 ; 23.04.1985.

9. Pat. W02006007554. United States. Abrasive machining media containing thermoplastic polymer / Lunn Michael F; Troup Daniel P; Miller Robert A; Delo David P. 01.07.2004 ; 19.01.2006.

10. Pat. 5125191 United States. ISC B24B 31/00. Abrasive flow machining with an in situ viscous plastic medium / Rhoades, Lawrence J. 06.03.1990 ; 30.06.1992.

11. Pat. 6273787 United States. ISC B24B 31/00. Abrasive polishing method, apparatus and composition / Gilmore, James Randall, Rhoades, Lawrence J. 18.08.1999 ; 14.08.2001.

12. Pat. 6918937 United States. ISC B24B 31/00. Abrasive polishing composition / Gilmore, James Randall (Ligonier, PA), Rhoades, LawrenceJ. (Pittsburgh, PA). 14.08.2001 ; 19.07.2005.

13. Pat. 5054247 United States. ISC B24B 57/02. Method of controlling flow resistance in fluid orifice manufacture / Rhoades, Lawrence J., Nokovich, Nicholas P. etc 19.07.1990 ;

08.10.1991.

14. Виноградов, Г. B. Реология полимеров / Г. B. Виноградов, А. Я. Малкин. М. : Химия, 1977, 438 с.

V. A. Levko, E. B. Pshenko

INFLUENCE OF THE WORKING MEDIUM STRUCTURE ON THE TECHNOLOGICAL MODES OF ABRASIVE FLOW MACHINING PROCESS OF PROFILE DETAILS

It is given the comparative characteristic of contact interactions at various methods offinishing processing, structures of viscoelastic abrasive media for various kinds of abrasive flow machining process and recommendations of the structure choice are considered.