Ростов-на-Дону, Ростовская область, Россия
Ростов-на-Дону, Ростовская область, Россия
УДК 621.9.042 Обработка машинными инструментами
Статья посвящена созданию технологических основ оптимизации при обработке машиностроительных изделий с применением гранулированной рабочей среды. Приведено описание основных представителей указанной группы методов обработки, их преимущества, недостатки и область применения. Описаны результаты исследований, проводимых научной школой профессора А.П. Бабичева, сформированной на базе Донского государственного технического университета и кафедры «Технология машиностроения». Описано поведение рабочей среды в процессе обработки. Рассмотрен единичный след, имеющий эллиптическую форму и приведены зависимости для расчета размеров следов взаимодействия и максимальной глубины внедрения частицы среды. Рассмотрены характеристики контактной поверхности при взаимодействии как абразивной среды с обрабатываемой деталью, так и сред для отделочно-упрочняющей обработки (например, стальных полированных шариков). Приведены формулы для расчета шероховатости поверхности и основных параметров упрочнения: глубины упрочненного слоя и степени деформации. В результате исследований определено время обработки при решении задач технологического проектирования. Адекватность и возможность проведения теоретических расчетов по полученным зависимостям подтверждена многочисленными исследованиями авторов научной школы. Расхождения полученных результатов находятся в допустимых пределах для многофакторных процессов и не превышают 20 % уровня. Проведена оптимизация рассматриваемой группы процессов обработки. Выполнена систематизация итогов многолетних исследований, которая позволила из всего пространства состояний выделить параметры, оказывающие наибольшее влияние на параметры качества поверхностного слоя обработанных деталей и сроки достижения требуемых результатов обработки. Определены целевая функция и ограничительные функции оптимизационных параметров. При проведении оптимизации технологических процессов обработки деталей в гранулированных рабочих средах, выполняемой на стадии технологического проектирования, учтена 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).
обработка в гранулированных абразивных средах, качество поверхностного слоя, оптимизация технологических процессов
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. Тамаркин М.А., Тищенко Э.Э. Основы оптимизации процессов обработки деталей свободным абразивом. Jermany: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2015.
2. Тамаркин М.А., Тищенко Э.Э. Проектирование технологии обработки в гранулированных средах в условиях цифрового производства // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2023. № 9 (147). С. 16–26.
3. Тамаркин М.А., Тищенко Э.Э., Троицкий В.М., Тищенко Р.Г. Компьютерное моделирование динамики движения среды при обработке свободными абразивами // Вестник РГАТА имени П. А. Соловьева. 2024. № 4 (71). С. 27–33.
4. Тамаркин М.А., Тищенко Э.Э., Муратов Д.К., Тищенко Р.Г., Строев В.Ю. Исследование динамики движения среды в рабочих камерах для вибрационной обработки деталей // Прогрессивные технологии и системы машиностроения. 2024. № 1 (84). С. 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. Т. 247. С. 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. С. 1605
7. Шведова А.С., Казаков Д.В. Формирование параметров упрочнения поверхностного слоя деталей при вибрационной отделочно-упрочняющей обработке / Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации: сб. науч. тр. XII-й междунар. науч.-техн. конф., 19–20 марта. Курск, 2015. С. 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. Шведова А. С. Повышение эксплуатационных свойств деталей при обработке динамическими методами поверхностного пластического деформирования // Вестник ДГТУ. 2015. Т. 15. № 1 (80). С. 114–120.
10. Колганова Е. Н. Теоретические и экспериментальные исследования процесса удаления заусенца свободными абразивами // Упрочняющие технологии и покрытия. 2020. Т. 16. № 7 (187). С. 300–305.
