Технология механизированной отделочно-зачистной обработки деталей из хрупких материалов

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

УДК 621-2.002.2

А. В. Липов

ТЕХНОЛОГИЯ МЕХАНИЗИРОВАННОЙ ОТДЕЛОЧНО-ЗАЧИСТНОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ХРУПКИХ МАТЕРИАЛОВ

Аннотация. Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований вибрационной обработки деталей из хрупких материалов. Технологические параметры такой обработки в настоящее время определяются на основании предварительных экспериментальных исследований, что значительно повышает ее стоимость и время проведения. Обрабатываемые материалы разделены на две группы. К первой относятся те, которые являются хрупкими при обычных условиях (реактопласты, твердые сплавы и др.), ко второй -которые перед обработкой следует охлаждать до хрупкого состояния (термопласты и резины). Экспериментальные исследования проведены на вибрационном станке с объемом рабочей камеры 12 дм3, которая для возможности обработки деталей из термопластов и резин может быть теплоизолирована и герметично закрываться крышкой. Необходимые зависимости получены на основе теорий резания материалов и разрушения полимеров с использованием метода математического планирования. Разработка технологии проведена на примере округления режущих кромок сменных многогранных пластин инструмента, изготовленных из твердого сплава, и удаления грата на деталях из термопластов. Приведены зависимости и рекомендации, позволяющие расчетом определять технологические параметры вибрационной обработки деталей из хрупких материалов, что позволяет значительно сократить время ее проведения без трудоемких предварительных экспериментальных исследований. Ключевые слова: сменные многогранные пластины режущего инструмента, термопласты, грат, вибрационный станок, сколы, выкрашивания, режимы обработки.

A. V. Lipov

TECHNOLOGY OF POWER-OPERATED FTNTSHTNG-AND-SKINNING OF BRITTLE MATERIAL PARTS

Abstract. The article gives the results of theoretical and experimental research of vi-bromechanical treatment of brittle material parts. Technological parameters of such treatment are determined at the present time on the basis of preliminary experimental research, which considerably increases its cost and conduction time. The processed materials are divided into two groups. The first group includes the materials that are brittle in normal conditions (thermosetting plastics, hard alloys etc.), the second includes the materials that require to be cooled down to brittle state before treatment (thermoplasts and rubbers). Experimental research was conducted on a vi-

bration tool with working chamber volume of 12 dm3, which can be heat-insulated and sealed in order to process the parts made of thermoplasts and rubbers. The required dependencies are achieved on the basis of the theory of metal cutting and polymer destruction using mathematical planning. Development of the technology is conducted by the example of rounding the cutting edge of the replaceable multifaceted tool plates, produced from hard alloys, and by the example of burr removal from thermoplast parts. The article adduces the dependencies and recommendations, allowing through calculation to determine technological parameters of vibration treatment of brittle material parts, which significantly decreases the conduction time avoiding labour-consuming preliminary experimental research.

Key words: removable multifaceted plate (NSR) of the cutting tool, thermoplastics, burr, vibrating machine, chips and chipping, processing modes.

Введение

Детали из хрупких материалов благодаря их разнообразным свойствам широко применяются в различных отраслях промышленности и быту.

К хрупким относятся те материалы, которые при механическом воздействии на них разрушаются без видимых остаточных деформаций. Это различные твердые сплавы, чугуны, стекла, реактопласты, полупроводниковые материалы. Ввиду невозможности получения относительно точных размеров и форм деталей из хрупких материалов при литье, спекании, точении лезвийным инструментом, обработке абразивным инструментом и т.д. более 90 % их подвергают отделочно-зачистным операциям. При выполнении таких операций удаляют грат, облой, нагар после литья, зачищают заусенцы, доводят ответственные поверхности, режущие кромки и др.

Одним из современных методов механизированного выполнения отде-лочно-зачистных операций деталей из хрупких материалов является воздействие на их элементы наполнителем, например, в виде гранулированного абразива, фарфоровых, металлических шаров и др., обычно с использованием рабочей жидкости, в камерах различного оборудования для объемной обработки (галтовочных барабанов, центробежно-планетарных и центробежноротационных станков и др.). При этом в отдельную группу деталей следует выделить детали, изготовленные из термопластов и резин, которые при нормальных условиях являются высокоэластичными, а перед обработкой должны быть предварительно охлаждены до хрупкого состояния грата или облоя.

1. Общие подходы при отделочно-зачистных операциях деталей из хрупких материалов

Общеизвестным фактом при выполнении механизированных отделоч-

но-зачистных операций деталей из хрупких материалов является то, что при воздействии наполнителя на их элементы образование лунок в зоне контакта происходит по схеме скалывания, без образования буртов и навалов. При последующем воздействии наполнителя происходит зачистка острых граней. Удаление материала на таких деталях происходит из-за появления микротрещин на их элементах. Характерным браком деталей при такой обработке являются сколы и выкрашивания на их кромках, которые появляются либо из-за столкновения деталей между собой, либо вследствие значительного уменьшения площади контакта наполнителя с обрабатываемой поверхностью, при-

водящего к увеличению удельного давления на поверхности контакта и глубины внедрения наполнителя в обрабатываемый материал.

Из вышеизложенного следует, что избежать такого брака деталей можно двумя способами:

1) снижением усилий воздействия наполнителя на обрабатываемые детали. При этом необходимо назначать такие режимы работы оборудования, вид и размеры наполнителя, которые обеспечивали бы усилие, достаточное для качественной обработки деталей, но не вызывающее их дефектов.

2) исключением при обработке столкновения деталей между собой.

При выборе оборудования для отделочно-зачистной обработки деталей

из хрупких материалов следует учитывать, что вибрационные станки по сравнению с другим оборудованием для объемной обработки менее производительны из-за незначительных усилий воздействия наполнителя на детали в процессе обработки. Однако они обычно при доработке или использовании различной оснастки позволяют более точно задавать его величину, что особенно важно для деталей из хрупких материалов. Кроме того, конструкция вибрационных станков и характер движения их различных элементов позволяют предварительно охлаждать, затем обрабатывать детали из термопластов и резин в их теплоизолированных рабочих камерах, обеспечивая возможность, в случае необходимости, подавать хладагент непрерывно в процессе обработки. Все это определяет вибрационные станки как основное оборудование для механизированной отделочно-зачистной обработки деталей из хрупких материалов.

2. Технологические параметры отделочно-зачистной вибрационной обработки деталей из хрупких материалов

Технологические параметры отделочно-зачистной вибрационной обработки характеризуются условиями и режимами ее проведения. При этом к условиям обработки относятся вид и размеры наполнителя, соотношение деталей и обрабатывающей среды, степень заполнения рабочей камеры станка, состав компонентов и концентрация рабочей жидкости. К технологическим режимам относятся амплитуда, частота колебаний рабочей камеры станка и время обработки. К условиям обработки деталей из термопластов и резин дополнительно относятся температура и время предварительного охлаждения.

В настоящее время технологические параметры вибрационной обработки деталей из хрупких материалов в основном определяются экспериментально, что значительно увеличивает время подготовки производства и стоимость обработки. В связи с этим получение расчетных зависимостей для определения технологических параметров такой обработки является актуальной задачей.

Разработка технологии отделочно-зачистной обработки деталей из хрупких материалов с использованием расчетных зависимостей была проведена на примере изделий, которые не следует охлаждать перед обработкой -это сменные многогранные пластины (СМП) режущего инструмента, и деталей из термопластов, которые необходимо предварительно охлаждать перед обработкой до хрупкого состояния грата.

3. Отделочно-зачистная обработка СМП режущего инструмента

В соответствие с ГОСТ 19086-80 СМП могут подвергаться виброабра-зивной обработке для округления режущих кромок с целью повышения прочности режущего клина. Величина радиуса округления р зависит от марки твердого сплава и диаметра вписанной окружности пластины и находится в пределах от 0,02 до 0,1 мм.

Существуют различные схемы вибрационной обработки. Это схема «внавал» в рабочей камере станка деталей и наполнителя, при которой наиболее вероятны столкновения деталей друг с другом, и использование различных барабанов с отдельными приводами, на осях которых закрепляются через проставочные втулки СМП. При этом исключается столкновение деталей друг с другом, но затрачивается значительное вспомогательное время на установку и снятие СМП на неработающем оборудовании.

Предложена конструкция кассетного барабана, в котором также через проставочные втулки закрепляются СМП [1, 2]. Однако барабан не имеет отдельного привода и свободно размещается при обработке в и-образной рабочей камере станка, совершающей колебания. Данная конструкция обладает более высокой производительностью, поскольку при обработке деталей в одном барабане, «заряжается» второй. По окончании обработки кассетный барабан заменяется другим без остановки станка, что позволяет совместить вспомогательное время с основным.

Для определения режимов вибрационной обработки, необходимых для получения требуемого радиуса округления режущей кромки СМП, разработана модель взаимодействия частицы абразивной гранулы с поверхностью детали. Абразивная гранула представлялась как сфера, из которой выступают зерна в виде непересекающихся пирамид, при этом были приняты следующие допущения:

1) физико-механические свойства материала детали одинаковы во всех направлениях;

2) твердость абразивных зерен бесконечно большая по сравнению с твердостью материала детали;

3) в процессе обработки деформаций элементов гранулы не происходит, ее геометрия не изменяется.

Время (мин), необходимое для получения требуемого значения р (мм), определяется по формуле

p

2 f ..

tg

902

360

+ _ У_______________________________

'обр р & •

где врк - угол заострения режущего клина СМП; & - суммарный съем материала в единицу времени абразивными гранулами с сечения кромки пластины, м2/с.

Величина & определяется в зависимости от объема материала, удаленного при внедрении в поверхность одного абразивного зерна в виде пирамиды и от числа ударов абразивных гранул в кромки пластины.

4. Механизированная отделочно-зачистная обработка деталей из термопластов

При механизированных отделочно-зачистных операциях деталей из термопластов удаляют грат, который обычно образуется по линии разъема форм при их получении. Обработка проводится по схеме «внавал» деталей с наполнителем в рабочих камерах вибрационных станков, что не исключает столкновения деталей друг с другом. В связи с этим единственной возможностью избежания дефектов деталей является ограничение воздействия наполнителя на грат.

Охлаждение и обработку проводят в рабочих камерах, которые теплоизолируют и герметично закрывают крышками. Низкотемпературное охлаждение деталей вместе с наполнителем проводят обычно жидким азотом, позволяющим охрупчивать широкую номенклатуру термопластов.

Температуру, до которой следует охлаждать термопласты, предложено называть температурой охрупчивания Тохр и определять ее расчетом по формулам физико-химии полимеров либо экспериментально на специально спроектированном устройстве [3]. Необходимое время охлаждения определяется расчетом в деталях температурных полей с использованием программного пакета SolidWorks, с учетом теплоизоляционных свойств оборудования [4]. Грат считается хрупким и обработку можно начинать, если температура в его основании достигла величины Тохр. Дальнейшее охлаждение деталей повышает стоимость обработки из-за перерасхода жидкого азота и может привести к охрупчиванию их тонких элементов, которые при обработке могут разрушиться.

Качество удаления грата определяется его допустимой длиной, которая назначается исходя из условий эксплуатации деталей. Для сохранения внешнего вида деталей из термопластов их обрабатывают обычно стальными или фарфоровыми шарами.

Предложено для ограничения усилия воздействия наполнителя на охлажденные элементы деталей его величину определять расчетом по допустимой длине грата с учетом размеров используемого наполнителя [5].

На рис. 1 приведена схема к определению минимального усилия воздействия Pmm , необходимого для качественного удаления грата и действующего на него под углом а . Величина Pm\n определяется по формуле

$

p =—P-^-

*

где P - нормальная составляющая усилия Pmin, обеспечивающая возникновение в основании грата напряжения хрупкого разрушения термопласта детали ск ; Я - радиус наполнителя; Ь - допустимая длина грата.

При воздействии усилием Ртщ на грат одинаковой толщины, длиной более или равной Ь, он удалится по основанию, если его длина меньше Ь, то он останется на детали. Грат по контуру разъема форм имеет разные размеры

(толщину и длину), поэтому нормальную составляющую Р следует определять методом конечных элементов с использованием различных программных пакетов.

Рис. 1. Схема к определению минимального усилия воздействия наполнителя Р- , необходимого для качественного удаления грата

Разрушение полимеров происходит в результате разрыва химических связей между мономерными звеньями материала. В результате такого процесса вначале образуется микротрещина, которая становится очагом разрушения [6]. Для термопластов с некоторым запасом, при допущении отсутствия в них микротрещин в хрупком состоянии, величина 0к (в ГПа) определяется по формуле

°к = 7Г

УА ' '

где и0 - энергия, необходимая для разрыва химических связей между мономерными звеньями материала при температуре, близкой к абсолютному нулю, кДж/моль; Уд - флуктуационный объем, т.е. объем материала, участвующего в росте трещины, мм3; дэ - температурный коэффициент энергии активации, кДж/моль К; Тохр , К.

5. Определение усилий воздействий наполнителя на элементы деталей и их количество

Из проведенных исследований видно, что для дальнейших расчетов технологических параметров необходимо уметь определять величины усилий воздействия наполнителя на элементы деталей Р и количество таких воздействий в единицу времени N при различных режимах и условиях обработки.

Предложено в программной среде SolidWorks для конкретного станка и загрузки его рабочей камеры разрабатывать компьютерные модели их движения, позволяющие анализировать поведение наполнителя и деталей в процессе обработки с последующим расчетом в приложении Cosmos Motion значений F и N [2, 7].

Данный подход требует значительного времени и не позволяет оперативно решать некоторые конструкторские и технологические задачи. В связи с этим предложено применять метод математического планирования экспериментов с использованием планов дробного факторного эксперимента вида

24 1 с преобразованием выходного параметра и варьируемых факторов.

Так, для СМП с центральными отверстиями при диапазонах варьируемых факторов (амплитуды колебаний рабочей камеры от 1 до 4 мм, частоты ее колебаний от 16 до 34 Гц, массы СМП от 20 до 50 г и массы абразивных гранул от

0,5 до 5 г) выражения для определения F (H) и N будут иметь вид

где А - амплитуда колебаний рабочей камеры, мм; / - частота ее колебаний, Гц; т и - соответственно масса детали и масса наполнителя, г.

Экспериментальные исследования отделочно-зачистной обработки СМП и деталей из термопластов проводились на вибрационном станке с объемом

камера и крышка были утеплены пенополистеролом. Охлаждение проводили жидким азотом.

Для проверки адекватности полученных зависимостей для разработки технологии отделочно-зачистной обработки СМП использовались пластины для токарных резцов из двухкарбидного сплава Т15К6, которые в количестве 48 штук закреплялись в кассетном барабане. В качестве наполнителя использовались гранулы ПТ 10 электрокорунда белого с зерном 40 мкм и массой 2,6 г. Рабочая жидкость представляла собой 3 % раствор кальцированной соды. Рабочая частота колебаний камеры станка составляла 25 Гц при амплитуде 2,5 мм. Первоначальный радиус округления режущих кромок составлял от

0,2 до 0,04 мкм при угле заострения режущего клина 90°. За время обработки принималось время достижения максимальной величины р в соответствии с ГОСТ 19086-80. Радиус округления режущих кромок измерялся инструментальным микроскопом мод. ММИ-2 с блоком цифровой индикации мод. УЦМ-1М.

На рис. 2 представлены графики изменения радиуса округления режущих кромок р от времени обработки. Экспериментальный график получен

A0, m0,83 /°,84 щр

0,57 0,83 у-0,84 0Дб

і ^4

A0,24 m0*3 m0083 ’

щгр

6. Экспериментальные исследования

рабочей камеры 12 дм3. Для обработки деталей из термопластов его рабочая

с доверительным интервалом 5 %. Расхождение между экспериментальными и расчетными значениями не превышает 13 %, что подтверждает адекватность полученных зависимостей.

0.1

0,08

<£

1 0,06 GJ Ё О.

-f

0,02 4-о

Время обработки 1, мин

Рис. 2. Графики зависимости радиуса округления р режущей кромки СМП от времени обработки г

Для проверки адекватности полученных зависимостей были проведены эксперименты по удалению грата на поплавке и разделительной тарелке сепаратора, изготовленных из полипропилена, заглушке - из пластифицированного полиэтилена и корпусе механизма - из стеклонаполненного полиамида.

Загрузка рабочей камеры станка составляла 80 % от ее объема, а количество одновременно обрабатываемых одинаковых деталей - от 20 до 33 штук, допустимая длина грата находилась в пределах от 0,3 до 0,5 мм, его толщина - от 0,06 до 0,2 мм. Обработка проводилась стальными шарами различного диаметра.

Используя полученные зависимости по отделочно-зачистной обработке деталей из термопластов, определили режимы предварительного охлаждения и вибрационной обработки, обеспечивающие качественное удаление грата (табл. 1) (Гохр - температура охрупчивания термопластов; гохл - время

охлаждения; А и ^ - амплитуда и частота колебаний рабочей камеры; гуд -

время обработки; й - диаметр стальных шаров).

Заключение

Зависимости и рекомендации, полученные в ходе проведенных исследований, позволяют разрабатывать технологии отделочно-зачистной обработки деталей из различных хрупких материалов. Предлагаемые технологии и конструкция специальной оснастки позволяют проводить такую обработку без сколов и выкрашиваний элементов деталей, которые являются в таких случаях наиболее распространенными дефектами.

Таблица 1

Режимы предварительного охлаждения и обработки деталей из термопластов

Деталь Режимы d, мм

предварительного охлаждения вибрационной обработки

Т К охр ’ ^хл,мин А, мм f, Гц tyd, мин

Поплавок сепаратора 214 7,8 3 45 7,5 5

Разделительная тарелка сепаратора 214 7,8 2,5 45 9 4

Заглушка 143 11,6 3 45 7 5

Корпус механизма 133 12,3 3 45 15 9

Список литературы

1. Пат. 2286239 (РФ) С1В24В31/06. Устройство для вибрационной обработки деталей / Трилисский В. О., Панчурин В. В., Большаков Г. С. - 2005126278 ; Заявл. 18.07.2005 ; Опубл. 27.10.06, Бюл. № 30.

2. Трилисский, В. О. Финишная обработка сменных многогранных пластин с центральными отверстиями / В. О. Трилисский, Г. С. Большаков, А. В. Липов, Е. Н. Ярмоленко // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2010. - № 2. - С. 131-137.

3. Трилисский, В. О. К вопросу охрупчивания термопластов при низкотемпературном охлаждении / В. О. Трилисский, А. В. Липов, М. Н. Быков, Р. Ш. Мусаев // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. -2006. - № 6. - С. 27-33.

4. Трилисский, В. О. Расчет времени охлаждения деталей из термопластов до хрупкого состоянии облоя / В. О. Трилисский, А. В. Липов, Р. Ш. Мусаев // Машиностроитель. - 2009. - № 3. - С. 12-14.

5. Липов, А. В. К вопросу выбора оборудования для удаления облоя на деталях из термопластов / А. В. Липов, Г. С. Большаков, Р. Ш. Мусаев // Машиностроитель. - 2010. - № 10. - С. 41-44.

6. Бартенев, Г. М. Прочность и механизм разрушения полимеров / Г. М. Бартенев. - М. : Химия, 1984. - 280 с.

7. Липов, А. В. Наукоемкая технология удаления облоя на деталях из термопластов / А. В. Липов, Г. С. Большаков, Р. Ш. Мусаев // Наукоемкие технологии в машиностроении. - 2011. - № 4. - С. 27-32.

Список литературы

1. Pat. 2286239 (RF) S1V24V31/06. Ustroystvo dlya vibratsionnoy obrabotki detaley [Device for parts vibration treatment]. Trilisskiy V. O., Panchurin V. V., Bol'shakov G. S. 27.10.06, no. 30.

2. Trilisskiy V. O., Bol'shakov G. S., Lipov A. V., Yarmolenko E. N. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Povolzhskiy region. Tekhnicheskie nauki [University proceedings. Volga region. Engineering sciences]. 2010, no. 2, pp. 131-137.

3. Trilisskiy V. O., Lipov A. V., Bykov M. N., Musaev R. Sh. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Povolzhskiy region. Tekhnicheskie nauki [University proceedings. Volga region. Engineering sciences]. 2006, no. 6, pp. 27-33.

4. Trilisskiy V. O., Lipov A. V., Musaev R. Sh. Mashinostroitel’ [Mechanical engineer].

2009, no. 3, pp. 12-14.

5. Lipov A. V., Bol'shakov G. S., Musaev R. Sh. Mashinostroitel’ [Mechanical engineer].

2010, no. 10, pp. 41-44.

6. Bartenev G. M. Prochnost’ i mekhanizm razrusheniya polimerov [Strength and destruction mechanism of polymers]. Moscow: Khimiya, 1984, 280 p.

7. Lipov A. V., Bol'shakov G. S., Musaev R. Sh. Naukoemkie tekhnologii v mashi-nostroenii [Science intensive technologies in mechanical engineering]. 2011, no. 4. pp. 27-32.

Липов Александр Викторович

кандидат технических наук, профессор, декан факультета машиностроения и транспорта, Пензенский государственный университет

E-mail: dit@pnzgu.ru

Lipov Aleksandr Viktorovich Candidate of engineering sciences, professor, dean of the faculty of mechanical engineering and transport, Penza State University

УДК 621-2.002.2 Липов, А. В.

Технология механизированной отделочно-зачистной обработки деталей из хрупких материалов / А. В. Липов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2013. - № 1 (25). -С.81-90.