АБРАЗИВНАЯ ГРАНУЛА
ABRASIVE GRANULE

Изобретение относится к объемной обработке деталей гранулированными абразивными средами и может быть использовано для полирования поверхностей деталей сложной формы в машиностроении, приборостроении и других отраслях промышленности.
Известны формы и конструкции гранул для объемной обработки, которые применяют для повышения эффективности шлифования и полирования:
а.с. №319454 (СССР). Абразивные гранулы для галтовки / Ю.Г.Сергиев, А.Г.Варыгин. - Опубл. в БИ №33 - 1971;
а.с. №804396 (СССР). Гранула для вибрационной обработки / Л.Г.Одинцов. - Опубл. в БИ №6 - 1981;
пат. №2100175 (РФ). Абразивная гранула / З.М.Сегал, В.Н.Бабахин, В.В.Трибрат, Г.М.Митюшкин, Л.Л.Кузнецов // 1997.
В процессе движения детали в гранулированной абразивной среде при вибрационной объемной обработке вследствие многочисленных ударных воздействий гранул на поверхности детали образуются кратеры с навалами вытесненного при микрорезании металла, а также происходит диспергирование частиц металла и удаление навалов, что приводит к нивелированию обрабатываемой поверхности.
Недостатком применения для объемной обработки выпускаемых промышленностью абразивных гранул является быстрое изменение формы гранул, обусловленное износом кромок вследствие взаимодействия гранул как друг с другом, так и с обрабатываемой поверхностью. Кроме того, существенным недостатком таких гранул является недостаточная проникающая способность при обработке труднодоступных участков сложного профиля детали.
5
Наиболее близким заявляемому изобретению является а.с. СССР №1675069, МКИ В24В 31/14. Гранула наполнителя для объемной обработки деталей / А.Н.Мартынов, А.Е.Зверовщиков // Опубл. в БИ №33 - 1991, в соответствии с которым абразивная гранула выполнена в виде пластиковой оболочки с сердечником. В момент контакта с деталью такая гранула будет воспроизводить форму обрабатываемой поверхности, что позволит полировать детали сложной формы без локальных повреждений поверхности с образованием глубоких рисок и кратеров, в связи с отсутствием у гранулы острых вершин и граней.
Недостатком прототипа является необходимость увеличения давления до величины, достаточной для микрорезания, так как вследствие возрастания площади контакта гранулы с поверхностью детали существенно снижается эффективность обработки.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение производительности обработки труднодоступных участков сложнопрофильных поверхностей детали.
Технический результат достигается тем, что оболочка выполнена в форме двояковыпуклого тела, образованного двумя шаровыми сегментами с общим основанием, при этом соотношение объемной плотности обрабатываемых деталей и абразивных гранул определяется по формуле
г
3
где ρ - объемная плотность абразивных гранул, кг/дм,
д
3
ρ - объемная плотность деталей, кг/дм,
а диаметр общего основания шаровых сегментов D определяется соотношением 1,8H<D<2,4H (Н - высота гранулы, мм).
На чертеже представлены параметры абразивной гранулы, выполненной в форме двояковыпуклой линзы.
д
г
Если соотношение объемной плотности деталей ρ и гранул ρ составляет меньше указанной в формуле величины, то при обработке происходит вытеснение деталей на поверхность потока обрабатывающей среды, то есть проявляется эффект «всплытия», что приводит к резкому снижению производительности и неоднородности качественных характеристик на различных участках детали.
Превышение указанного соотношения плотностей приводит к погружению и группированию деталей в застойной зоне (зоне относительного покоя), которая формируется вблизи центра масс загрузки, совершающей циркуляционное движение, где резко снижается интенсивность обработки.
Получение необходимого соотношения объемной плотности деталей и гранул может быть достигнуто изменением плотности лишь абразивных гранул. В тех случаях, когда замена материала связки абразивных гранул не представляется возможной по технологическим причинам, предлагается вмонтировать в гранулу инородное тело из материала с отличной плотностью для изменения инерционных характеристик абразивных гранул (рабочих тел).
В качестве инородного тела предлагается использовать стальной шар, радиус которого определяется расчетом в следующей последовательности.
д
г
нг
Объемные плотности деталей ρ и гранул ρ находим методом взвешивания с использованием мерной емкости объемом, например, один кубический дециметр. В соответствии с соотношением (1) необходимая объемная плотность абразивных гранул ρ составит
нг
д
ρ=ρ/0,75.
нг
Необходимую для обеспечения требуемого соотношения (1) массу совокупности абразивных гранул М определим по соотношению
нг
нг
М=V·ρ.
нг
г
г
ш
Разность между необходимой М и действительной М массами (М - масса абразивных гранул в мерной емкости) составит совокупную массу стальных шаров М, достаточную для достижения требуемой объемной плотности
ш
нг
г
М=М-М.
3
Полагая, что количество шаров n совпадает с количеством абразивных гранул в 1 дм (в каждую гранулу монтируется стальной шар), получим
г
ш
где m - масса одиночной абразивной гранулы, кг. Таким образом, масса одного шара m составит
ш
Зная массу шара m, найдем радиус шара R из соотношения
м
м
3
3
где ρ - плотность материала, кг/дм (для стали ρ=7,8 кг/дм).
Тогда радиус стального шара составит
Объемная обработка деталей гранулированными рабочими средами сопровождается не только деформированием и удалением металла с обрабатываемой поверхности, но и износом рабочих тел. При длительном использовании происходит скругление ребер, вершин и износ поверхностей гранулы, что приводит к изменению ее геометрической формы, размеров и массы.
Для оценки проникающей способности гранул рабочей среды различной формы и повышения стойкости гранул при абразивном изнашивании (сравниваются гранулы одинакового объема или массы) можно использовать количественные критерии.
п
Коэффициент проникающей способности K гранулированных сред можно определить по соотношению
ЗОД
где β - угол между поверхностями детали, образующими зону ограниченного доступа, град;
i
β - угол между гранями (поверхностями), образующими ребро абразивной гранулы (см. фиг.), град.
п
п
Из формулы (4) следует, что при K≤1 обработка зоны ограниченного доступа не происходит. Установлено, что надежный доступ режущих элементов рабочего тела в такую зону обеспечивается при K>1,3…1,7.
Вследствие износа гранул при объемной обработке деталей неизбежно происходит изменение формы рабочих тел. Износ рабочих тел при объемной обработке приводит к округлению и постепенному превращению любой формы рабочих тел (гранул) в сферы.
и
Для количественной оценки износа гранул предлагается использовать коэффициент износа гранулы K, который определяется по соотношению
г
3
где V - объем гранулы, м;
г
2
S - площадь поверхности гранулы, м.
Результаты расчета параметров для количественной оценки формы гранул, приведенные в таблице, показывают, что при равном объеме (массе) рабочего тела гранула в форме двояковыпуклой линзы имеет наибольшую рабочую поверхность при меньшей протяженности граней.
Результаты вычислений, приведенных в таблице, показывают, что при высокой проникающей способности хорошей износостойкостью будут обладать гранулы в форме двояковыпуклой линзы.
Расчет количественных критериев для гранул различной формы
Форма рабочего тела
Исходные геометрические данные
Значение параметра, мм
Объем, мм<sup>3</sup> V<sub>г</sub>
Площадь, мм<sup>2</sup> S<sub>г</sub>
Длина ребер, мм l
Угол β, град
Угол β<sub>ЗОД</sub>, град
Коэф-нт проникающей способности, K<sub>п</sub>
Коэф-нт износа гранулы, K<sub>и</sub>
Куб
Длина стороны <i>а</i>
15,9
4019,68
1516,86
190,8
90
90
1
2,65
Тетраэдр
Длина грани <i>а</i>
33
42373
1886,3
198
60
1,5
2,24
Конус
Радиус R
12
3995,98
1549,025
75,396
65,4
1,376
2,58
Длина образующей L
29,090
Высота Н
26,5
Цилиндр
Радиус R
8
3920,6
1382,26
100,528
90
1
2,836
Высота H
19,5
Двояковыпуклая линза
Диаметр диска D
32
3714
1734
101
58
1,55
2,14
Высота Н
9
i
Поэтому для объемной центробежной обработки в контейнерах с планетарным вращением следует рекомендовать гранулы в форме двояковыпуклой линзы с углом β между гранями, достаточным для проникновения в зону ограниченного доступа обрабатываемых поверхностей деталей сложной конфигурации.
Установлено, что соотношение диаметра D основания линзы к ее высоте H должно находиться в диапазоне - 1,8…2,4. Уменьшение отношения D/H ниже значения 1,8 приводит к снижению проникающей способности до уровня, недостаточного для обработки зон ограниченного доступа на поверхности детали, а при увеличении отношения диаметра D основания линзы к высоте Н свыше величины 2,4 происходит быстрое изменение формы гранулы при износе и снижение ее первоначальной проникающей способности.
ПРИМЕР
г
г
3
Были изготовлены два типа гранул в форме двояковыпуклой линзы, отличающиеся между собой тем, что у первого типа объемная плотность (ρ=0,75…1 кг/дм) сопоставима с плотностью полимерных гранул фирмы «Rösler», а у гранул второго типа объемная плотность ρ изменена за счет внедрения в тело гранулы стального шара.
3
3
г
В качестве обрабатываемых деталей использовались кольца, изготовленные из стали 45 диаметром от 30 до 60 мм со сложным профилем наружной поверхности, насыпная плотность массива которых составляет 0,8…1,5 кг/дм. Обработка производилась гранулами на полимерной связке фирмы «Rösler», объемная плотность которых составляет ρ=0,9…1,0 кг/дм, и гранулами первого и второго типов.
3
3
3
г
д
Масса 1 дм абразивных гранул составил 0,8 кг, а деталей - 1,3 кг. Соответственно, объемная плотность гранул ρ равна 0,8 кг/дм, а объемная плотность деталей ρ - 1,3 кг/дм.
Тогда, в соответствии с расчетом по формуле (3) радиус стального шара R составит: R=3,8 мм.
Экспериментально установлено, что стойкость гранул фирмы «Rösler» существенно меньше по сравнению с предлагаемыми гранулами в форме двояковыпуклой линзы. При обработке зон ограниченного доступа гранулами фирмы «Rösler» после 30…35 циклов появился брак по шероховатости на впадинах профиля детали. При использовании гранул в форме двояковыпуклой линзы первого типа брак проявляется через 45…50 циклов, то есть стойкость увеличилась в 1,5 раза. При обработке вышеуказанных зон гранулами второго типа стойкость рабочих тел возрастает в 2 раза (брак появился через 60…65 циклов) по сравнению с использованием гранул фирмы «Rösler».
Таким образом, можно сделать вывод, что использование гранул с внедренным в ее тело стальным шаром позволяет сократить время обработки в 1,5…2 раза по сравнению с обработкой гранулами такой же формы из сплошного материала.