Rostov-on-Don, Rostov-on-Don, Russian Federation
Rostov-on-Don, Rostov-on-Don, Russian Federation
UDC 621.9.042
The article is devoted to the creation of technological optimization bases for engineering products treatment using a granulated machining medium. The main representatives of the specified group of processing methods, their advantages, disadvantages and scope of application are described. The results of research conducted by the scientific school of Professor A.P. Babichev, formed on the basis of the Don State Technical University and the Department of «Technology of Mechanical Engineering» are described. The behavior of the medium under machining is described. A single trace having an elliptical shape is viewed and dependences are given for calculating the size of the interaction traces and the maximum depth of penetration of a medium particle. The characteristics of the contact surface during the interaction of both the abrasive medium with the workpiece and the media for finishing and hardening treatment (for example, polished steel balls) are viewed. Formulas are given for calculating the surface roughness and the main hardening parameters: the depth of the hardened layer and the degree of deformation. As a result of the research, the processing time was determined when solving technological design problems. The adequacy and possibility of carrying out theoretical calculations based on the obtained dependencies is confirmed by numerous studies of the authors of the scientific school. The discrepancies of the obtained results are within acceptable limits for multifactorial processes and do not exceed 20 % of the level. The optimization of the studied group of processing operations has been carried out. The results of years-long research have been systematized, which made it possible to identify from the entire state space the parameters that have the greatest impact on the quality parameters of the surface layer of the machined parts and the timing of achieving the required processing results. The objective function and the restrictive ones of the optimization parameters are defined. When optimizing the processing procedure of machining parts in granulated machining media, performed at the stage of technological design, the relationship between the achieved quality parameters of the surface layer of worked pieces and the possibility of increasing the reliability of manufactured machines and the duration of their life cycle, as well as increasing a number of operational properties (wear resistance, fatigue strength and durability, etc.) is taken into account.
treatment in granular abrasive media, surface layer quality, process flow optimization
Введение
Методы обработки в гранулированных средах впервые стали объектом научных исследований середине 1960-х гг. благодаря научной школе, созданной под руководством профессора Анатолия Прокофьевича Бабичева на базе кафедры «Технология машиностроения» Ростовского института сельхозмашиностроения (ныне Донской государственный технический университет (ДГТУ)) [1 – 10]. Ученики и последователи профессора
Бабичева А.П. активно внедряли методы обработки в гранулированных средах и нашли им применение в различных отраслях промышленности: приборостроении, авиа- и вертолетостроении, сельхозмашиностроении, пищевой промышленности, ювелирном деле и многих других отраслях.
Материалы и методы
Изучение методов обработки в гранулированных средах изначально начиналось с вибрационной обработки в среде абразива, а затем и в других гранулированных средах, таких как стальные полированные шарики, тела сложной формы, органические среды, бисер и другие. Технология получила широкое распространение благодаря своей универсальности и простоте используемого оборудования. Низкочастотные колебания, которые осуществляются с определенной частотой и амплитудой, позволяют получать заданное качество поверхностного слоя, необходимую топографию поверхности, благоприятные сжимающие остаточные напряжения, а в случае применения упрочняющей среды, еще и требуемые глубину упрочненного слоя и степень деформации. При этом режущим инструментом является совокупность частиц, находящихся в свободном состоянии [1 – 4, 7 – 10].
Центробежно-ротационная обработка в гранулированной среде (в современных условиях называется роторная галтовка) стала следующим объектом исследования представителей научной школы ДГТУ. Изначально данный метод был разработан в Пензенском политехническом университете под руководством проф. Трилисского В.О., однако там по большей части занимались усовершенствованием конструкции оборудования. При исследовании процесса центробежно-ротационной обработки была выявлена его высокая производительность, значительно превышающая производительность вибрационной обработки, а также широкие технологические возможности. Обработка осуществляется при формировании тороидально-винтового потока, который создается за счет конструкции оборудования: вращающегося с большой частотой дна в форме тарели и неподвижной камеры, покрытой изнутри полиуретаном. В настоящее время процесс находит широкое применение на операциях галтовки, удаления заусенцев, скругления кромок, шлифования, полирования и других. При этом могут подвергаться обработки детали различных размеров и конфигурации, в тои числе маложесткие и сложной формы, из материалов различных по химическому составу и свойствам. [2, 5]
Обработка дробью в различных средах, в том числе и с применением жидкости, также стала объектом изучения исследователей научной школы. Частицы дроби различной конфигурации широко используют в промышленности для зачистных операций, при подготовке поверхности к нанесению различных красок и покрытий. Дробь может как осуществлять процесс резания (например, колотая стальная дробь), так и упрочнять поверхность, формируя анизотропный микрорельеф. Разнообразные станки и установки для обработки дробью широко внедрены в машиностроительное производство, а теоретические исследования позволяют грамотно проектировать технологические процессы [2, 5].
Устройство для шарикостержневого упрочнения, запатентованным профессором Бабичевым и его учениками, представляющее применение технологий обработки в гранулированных средах для локальных воздействий, позволяет успешно обрабатывать локальные области сложнопрофильных конструкций и также обеспечивать необходимое качество поверхностного слоя. Устройство используется с пневмопистолетами и позволяет осуществлять обработку вручную или с применением металлорежущих станков. Технология зачастую является единственным методом локальной обработки крупногабаритных деталей, обработать которые в полном объеме невозможно или экономически нецелесообразно [5, 6].
Аналогичным образом проводят исследования других методов обработки в гранулированных средах, создавая и дополняя обобщенную теорию.
В результате анализа теоретических построений при исследовании методов обработки в гранулированных рабочих средах возникла необходимость тщательного описания процессов ударного взаимодействия гранул различной природы с поверхностью обрабатываемой детали. Комплекс разработанных на кафедре моделей позволяет описывать такие взаимодействия универсальной зависимостью [1 – 5]
где vэф – скорость гранулы при ударе; R – характерный размер гранулы; ρч – плотность материала гранулы; с – коэффициент увеличения предела текучести в результате ударного взаимодействия; β – угол соударения гранулы с поверхностью обрабатываемой детали; σs – предел текучести материала детали; KR – коэффициент фактической площади контакта, который можно рассчитать как
где – коэффициент концентрации абразивных зерен в грануле;
– коэффициент режущих зерен при единичном взаимодействии; α – коэффициент конфигурации абразивных зерен; 
– табличная функция; ε3 – коэффициент, характеризующий прочность связки; σ – среднеквадратичное отклонение размера зерен;
– средний радиус описанной окружности абразивного зерна
(3)
где Nз – зернистость частиц среды.
При детальном рассмотрении единичных следов с использованием видеосъемки установлено, что единичный след имеет эллиптическую форму. Малая и большая полуоси:
где – коэффициент пропорциональности при микроцарапании.
В результате анализа теоретических зависимостей в области абразивной обработки получена зависимость для расчета шероховатости поверхности обрабатываемой детали, достигаемой при определенных значениях технологических режимов и воспроизводимой при дальнейшей обработке
где – единичная длина продольной составляющей перемещения гранулы;
– поверхностная концентрация абразивных зерен;
– коэффициент, учитывающий особенности конкретных методов обработки;
– коэффициент влияния СОТС.
При проведении многочисленных исследований влияния технологических параметров процесса обработки на формирование шероховатости поверхностного слоя было установлено, что закон изменения шероховатости носит экспоненциальный характер и может быть описан следующей зависимостью
(6)
где – среднее арифметическое отклонение профиля исходной шероховатости;
– коэффициент, характеризующий градиент изменения шероховатости; t – время обработки.
Большое внимание исследователей привлекают процессы отделочно-упрочняющей обработки ответственных деталей машин, поломка которых может привести к катастрофическим последствиям. При поверхностном упрочнении гранулами в форме шара, цилиндра либо тела произвольной формы, изготовленных из металлов или твердых сплавов, процесс единичного взаимодействия может быть описан следующими зависимостями [1 – 5]
где – коэффициент фактической площади контакта.
Среднее арифметическое отклонение профиля установившейся шероховатости поверхности можно рассчитать по следующей формуле
Для расчета общепринятых параметров упрочнения поверхностного слоя обработанных деталей получены зависимости:
– глубина упрочненного слоя
– степень деформации
где НВ – твердость по Бринеллю.
Формула для определения времени обработки была получена в следующем виде
где F – число взаимодействий с единичной площадью контакта [7 – 10]; 
– локальный объём деформации поверхностного слоя при ударе; fв – частота ударных взаимодействия.
Результаты исследований
Полученная система моделей процессов обработки в гранулированных рабочих средах прошла комплексную экспериментальную проверку. Результаты сравнения теоретических зависимостей с экспериментальными данными представлены на рис. 1 – 4. На рис. 1 приведена зависимость шероховатости поверхности от амплитуды колебаний камеры при вибрационной обработке в среде абразива; режимы обработки: частота колебаний 26 Гц; диаметр частиц среды (шариков) 4 мм; обрабатываемый материал – сталь 45. На рис. 2. приведена зависимость глубины упрочненного слоя от размера частиц среды при вибрационной обработке в среде стальных шариков; режимы обработки: частота колебаний 30 Гц; амплитуда 0,002 м; материал детали – сталь ХВГ. На рис. 3. Приведена зависимость шероховатости поверхности от частоты вращения дна камеры: абразивная среда – призмы трехгранные белые (зернистость 12); объем загрузки 35 л; материал детали – АМг5П. На рис. 4. приведена зависимость степени деформации от диаметра заточки стержня при обработке шарико-стержневым упрочнителем; режимы обработки: число стержней 40; натяг 1,5 мм; материал детали – алюминиевый сплав В95.
Аналогичные зависимости имеются и для других методов обработки в гранулированных средах. Установлена высокая сходимость результатов теоретических и экспериментальных данных. Расхождение не превышает 20 %, что свидетельствует об адекватности полученных зависимостей и возможности осуществления правильных расчетов по ним.
Обсуждение результатов
Полученный комплекс математических моделей, позволяющих рассчитывать результаты обработки деталей в гранулированных рабочих средах, и содержащий банки данных некоторых эмпирических коэффициентов, может быть положен в основу методики оптимизации технологических процессов в условиях цифрового производства. Полученные сотрудниками кафедры «Технология машиностроения» ДГТУ результаты исследований обработки деталей, имеющих фасонные поверхности, не подчиняющиеся закономерностям алгебраических и геометрических построений, позволяют учесть многочисленные варианты сочетания режимов обработки и параметров гранулированной среды и выбрать из них оптимальные значения по критериям трудоемкости и себестоимости. Представленные результаты являются итогом научных исследований, проводимых сотрудниками кафедры, в течение более 50-летнего периода и охватывают значительное разнообразие формы и размеров деталей, их материалов, в различных типах производства [1 – 10].
Систематизация итогов многолетних исследований позволила из всего пространства состояний выделить такие параметры, которые оказывают наибольшее влияние на параметры качества поверхностного слоя обработанных деталей и сроки достижения требуемых результатов.
Кроме того, при проведении технологической подготовки производства следует учитывать значительные ограничения, обусловленные спецификой производства конкретных предприятий и имеющийся парк технологического оборудования для обработки деталей в гранулированных рабочих средах. В качестве необходимых параметров, к достижению которых можно стремиться при различных видах обработки, используются шероховатость обработанной поверхности, глубина упрочненного слоя и степень упрочнения, форма микронеровностей профиля шероховатости и некоторые специфические условия обработки, обеспечивающие в ряде случаев интенсивность деформации упрочняемого поверхностного слоя, что, в свою очередь, обеспечивает максимальную реализацию достигнутых резервов. Вышеуказанные обстоятельства позволяют считать, что разработанная методика оптимизации имеет универсальный характер и может в ряде случаев серьезно увеличить производительность и качество обработки.
Поскольку практически каждый метод обработки в гранулированных рабочих средах является многофакторным, с точки зрения использования режимов и характеристик рабочих сред, предлагаемая методика оптимизации позволяет также учесть эксплуатационные свойства гранулированных сред и способствует значительному уменьшению их износа. Следует также учитывать, что характеристики гранулированных сред для отделочно-зачистной абразивной обработки и отделочно-упрочняющей обработки имеют принципиально разные обрабатывающие и эксплуатационные свойства.
Оптимизацию технологических параметров вышеперечисленных методов обработки можно проводить перебором вариантов при помощи линейного программирования, при помощи движения по градиенту для поверхностей отклика различной степени и с использование пакета прикладных программ, например, Rocky Dem. При проведении оптимизации технологических процессов обработки деталей в гранулированных рабочих средах следует учитывать связь достигнутых параметров качества поверхностного слоя обработанных деталей с возможностью повышения надежности изготавливаемых машин и длительности их жизненного цикла, а также повышения ряда эксплуатационных свойств (износостойкости, усталостной прочности и долговечности и т.п.).
Практически все параметры, характеризующие качество поверхностного слоя обработанных деталей, в процессе проведения оптимизации могут выступать в качестве ограничительных функций, что позволяет также повысить эксплуатационные свойства особо ответственных деталей машин. Полученный комплекс теоретических моделей позволяет производить оптимизацию по нескольким критериям, в большинстве случаев с их ранжированием, для конкретных вариантов конфигураций производственной среды. Основным противоречием при проведении технологической подготовки производства с использованием вышеуказанных методов, является, как правило, обратная связь между производительностью и качеством обработки, т.е. повышение производительности во многих случаях приводит к ухудшению параметров качества поверхностного слоя. Поэтому важное значение имеет накопленный опыт при внедрении технологических процессов обработки деталей в гранулированных средах, позволяющий вводить дополнительные ограничения области используемых режимов и характеристик рабочих сред. Следует также обратить внимание на целесообразность учета значительного количества параметров физико-механических свойств материала обрабатываемых деталей: статическая и динамическая твёрдость по Бринеллю, твёрдость по Роквеллу, предел текучести, модуль Юнга, коэффициент Пуассона и т.п.
Сотрудниками научной школы на основании широко апробированной методики оптимизации технологических процессов обработки деталей в гранулированных рабочих средах разработана система автоматизированного проектирования технологических процессов, которая используется при технологической подготовке производства различных производственных предприятий. Предложенная технологическая система содержит следующие модули:
– выбор метода обработки, который позволяет ввести комплекс исходных данных и требуемых результатов, описывающих качество обработанных деталей, а также доступные предприятию совокупности вышеуказанных методов и оборудования для их осуществления. Модель содержит совокупность эксплуатационных характеристик значительного количества гранулированных рабочих сред с возможностью их своевременного пополнения.
– оптимизация технологических параметров, который позволяет выдать оптимальные варианты технологических режимов и характеристик рабочих сред для целесообразных методов обработки конкретных деталей.
– выбор типа оборудования и расчет его потребного количества для обеспечения календарного плана изготовления продукции с возможностью его приобретения.
– экономическое обоснование, в котором из всех возможных методов обработки выбирается наиболее целесообразный для данных условий производства.
– формирование и печать технологической документации в удобном предприятию формате.
Важное значение имеет обоснование совокупности ограничительных функций, которые используются при проведении оптимизации. Следует учитывать, что игнорирование необходимого набора технических ограничений может привести к получению вариантов, не соответствующих условиям конкретных промышленных предприятий. Важное значение имеет также учет специфического состояния параметров качества поверхностного слоя конкретных обрабатываемых деталей с использованием закономерностей технологической наследственности, поскольку влияние предшествующих методов обработки часто вызывает необходимость различного воздействия на параметры поверхностного слоя обрабатываемых деталей и их эксплуатационные свойства.
Заключение
Результаты проведенных исследований позволяют проводить оптимизацию технологических процессов обработки деталей в гранулированных рабочих средах на стадии технологического проектирования, при этом в некоторых случаях возникает необходимость дополнения существующих банков данных эмпирических коэффициентов. Опыт внедрения спроектированных технологических процессов на многочисленных промышленных предприятиях позволяет делать вывод о значительной эффективности разработанной методики.
1. Tamarkin M.A., Tishchenko E.E. Fundamentals of optimization of parts processing with free abrasive. Jermany: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2015.
2. Tamarkin M.A., Tishchenko E.E. Design of processing technology in granulated media for digital production // Science-intensive technologies in mechanical engineering. 2023. No. 9 (147). pp. 16–26.
3. Tamarkin M.A., Tishchenko E.E., Troitskiy V.M., Tishchenko R.G. Creating a computer model of the dynamics of medium motion during treatment with free abrasives // Bulletin of the Russian State Technical University named after P. A. Solovyov. 2024. No. 4 (71). pp. 27–33.
4. Tamarkin M.A., Tishchenko E.E., Muratov D.K., Tishchenko R.G., Stroev V.Yu. Investigation of fluid movement in working chambers for vibration processing of parts/ / Progressive technologies and systems of mechanical engineering. 2024. No. 1 (84). pp. 58–67.
5. Tamarkin M.A., Tishchenko E.E., Murugova E.V Design of high precision machining part processes in free abrasives / Smart Innovation, Systems and Technologies. 2022. T 247. P. 157–164. DOIhttps://doi.org/10.1007/978-981-16-3844-2_17
6. Astashkin A. Module system developing of computer-aided engineering for process technologies with ball-shaft hardener/ Lecture Notes in Networks and Systems. 2023. № 509. P. 1605
7. Shvedova A.S., Kazakov D.V. Formation of parameters for hardening the surface layer of parts during vibration finishing and hardening treatment / Modern tool systems, information technologies and innovations: proc. of the XII-th International Scientific and Technical Conference. March 19–20. Kursk, 2015. pp. 268–271.
8. Kolganova E.N., Azarova A.I., Soldatov B.G., Koval N.S., Sanamian G.V. Properties of vibro-abrasive treatment by combination the kinds and granulometric characteristics of the medium // Intelligent Manufacturing and Materials: Intelligent Manufacturing and Materials, IMM 2021, Sevastopol: Scientific.net, 2021. DOIhttps://doi.org/10.4028/MSF.1037
9. Shvedova A.S. Improving the performance properties of parts in the processing of dynamic methods of surface plastic deformation// Vestnik Donskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. 2015. Vol. 15. No. 1 (80). pp. 114–120.
10. Kolganova E.N. Theoretical and experimental researches of deburring process by loose abrasives // Hardening technologies and coatings. 2020. Vol. 16. No. 7 (187). pp. 300–305.
