Введение
Доминирующими направлениями развития современных производств являются широкое внедрение информационных технологий и использование новых материалов, обладающих разнообразными физико-механическими и механическими характеристиками. Работы в данных направлениях невозможны без серьезных исследований, затрагивающих все аспекты технологической подготовки механообрабатывающих производств [1]. В первую очередь – это вопросы формализации этапов разработки и реализации технологий. Учитывая многообразие подходов, связанных с выполнением заданий по изготовлению конкретных изделий и, как следствие, формирование многоплановых подходов к их решению, в настоящее время возникла необходимость четкой научно-обоснованной структуризации всех элементов проектных процедур планирования технологических процессов.
Применительно к разработке операционных технологий создание высокоэффективных автоматизированных систем невозможно без детального анализа имеющихся методик и накопленного опыта для каждого из видов обработки. Формирование связей между методами обработки и конструктивными характеристиками обрабатываемых поверхностей, технологическими возможностями оборудования и оснастки, позволяет реализовать создание формализованных моделей, объединяющих методы обработки в отдельные группы с позиции однородности выполнения проектных процедур [2]. Такой подход позволяет системно разрабатывать универсальные программные модули технологического обеспечения для широкого использования в условиях различных машиностроительных производств, основанные на экспертно обоснованных моделях.
Другим результатом использования данного подхода является информация по отсутствию или недостаточному вниманию со стороны исследователей к отдельным аспектам и особенностям рассматриваемых методов обработки, так как структуризация наглядно позволяет определить сформировавшиеся пробелы.
В статье приводится взгляд с этих позиций на методы, связанные с обработкой поверхностей деталей с использованием в качестве обрабатывающего инструмента несвязанного абразива и отдельные направления развития этих методов. К наиболее известным и используемым в практике методам относятся: струйно-абразивная обработка; обработка свободным абразивом; турбоабразивная обработка; вибрационная обработка; магнитно-абразивная обработка. Различие этих методов связано с решением обширных задач, целями которых является финишная обработки и полировка, удаление острых кромок, снятие заусенцев, подготовка поверхности для нанесения защитных покрытий и т. д. В связи с этим на выбор соответствующего метода в первую очередь влияет конструкция обрабатываемых деталей и производственные условия, в которых реализуется операция.
Данные аспекты исторически предопределили направления в развитии как самих методов обработки с использованием несвязанного абразива, так и оборудования, средств технологического оснащения, особенностей их использования на различных этапах технологического процесса изготовления деталей. Наиболее известными научными школами с позиций временного измерения и объемов выполненных научно-производственных работ выделяются коллективы, основоположниками которых являются А.П. Бабичев и А.Н. Мартынов. Области их исследований во многом связаны с заказами конкретных производств и спецификой обрабатываемых деталей, преимущественно – вибрационная обработка и обработка свободным абразивом, уплотненным инерционными силами, которые имеют наиболее глубокую методическую проработку и в настоящее время более близки к комплексной автоматизации процессов из проектирования.
Дополнительный интерес к методам обработки с использованием несвязанного абразива вызван растущими требованиями к качеству изделий, повышению производительности и эффективности производства, решение которых возможно за счет создания новых схем обработки, ведущих к упрощению конструкции технологического оборудования, сокращения трудоемкости его наладки и обслуживания. Обработка несвязанным абразивом обладает широкими технологическими возможностями, относительно низкой себестоимостью и не имеет ряда недостатков, присущих обработке закрепленным абразивом обусловленных постоянным положением абразивных зерен на периферии круга: высокие температуры; ограничения по форме обрабатываемых поверхностей; сложности наладки и правки инструмента. Кроме этого, серьезно значимым преимуществом рассматриваемых методов является возможность вести обработку с формированием меньшего, по сравнению с другими известными методами механической обработки, глубинами дефектного поверхностного слоя за счет эффективного проникновения смазочно-охлаждающей жидкости в зону резания и расширения возможностей отвода тепла.
Представленные преимущества позволяют сделать заключение о перспективности развития методов обработки с использованием свободного абразива особенно применительно к поверхностям деталей, которые имеют форму в виде тел вращения, как наиболее ответственным, имеющим широкое разнообразие конструктивных форм, большой удельный вес среди поверхностей другого вида и имеющих повышенные требования к характеристикам поверхностного слоя. Проанализировав известные методы, связанные с обработкой поверхностей типа тел вращения несвязанным абразивом, в качестве основного их недостатка выступает низкая производительность, а часто и невозможность получения заданных характеристик, связанная с недостаточным контактным давлением абразивных частиц на обрабатываемую поверхность [3, 4].
Выполненный анализ обработки наружных поверхностей деталей типа тел вращения позволил выделить наиболее часто упоминающиеся в научной литературе и имеющих практическую реализацию способы [5, 6, 7]. Однако их использование, в связи с недостаточной величиной контактных давлений абразивных зерен на участках обрабатываемого профиля детали, ограничено. Данный недостаток частично устранен известных способах [8] за счет установления детали в вертикальное положении, посредством вращения ротора и оправки, создающими уплотнение абразивной среды, и [9] вертикальным погружением деталей в цилиндрическую камеру, заполненную абразивным материалом, с эластичными стенками, уплотнением абразивной среды через стенки камеры, деформируя избыточным давлением локальные зоны стенки.
Промышленное использование данных способов имеет ограничения, связанные с низкой производительностью обработки, обусловленной тем, что обработка производится в недостаточно сжатой среде абразива, приводящей к снижению интенсивности воздействия частиц абразива с обрабатываемой поверхностью детали. Также ограничения связаны с требованием наличия системы подачи рабочей жидкости под давлением со сложным управлением процесса взаимодействия частиц абразива с обрабатываемой поверхностью, низкой универсальностью в части формы обрабатываемых поверхностей, ограниченной определенным количеством локальных зон деформируемой стенки камеры.
Для снижения представленных недостатков предложен новый способ обработки деталей свободным абразивным материалом, обеспечивающий повышение качества, производительности и расширяющий технологические возможности обработки наружных поверхностей в форме тел вращения за счет упрощения схемы ее реализации (рис. 1). В способе обработки заготовку устанавливают горизонтально оси вращения ее обрабатываемых поверхностей в камеру, образуемую внутренней цилиндрической поверхностью барабана с горизонтальной осью. Ось вращения заготовки Od смещена относительно оси вращения барабана OD.
В камеру засыпают абразивный материал и обеспечивают вращение барабана и заготовки. Скорость вращения внутренней поверхности барабана должна быть не ниже скорости, обеспечивающей за счет центростремительной силы, воздействующей на абразивные зерна, прижатие их к внутренней поверхности барабана. Скорость вращения заготовки должна быть не ниже условий, обеспечивающих микрорезание при обработке поверхности. Под действием центробежной силы абразив перемещается по направлению вращения барабана и за счет сужения (снижения площади сечения) в плоскости вдоль оси между обрабатываемыми поверхностями и внутренней поверхностью барабана образуется область, заполненная абразивными зернами. При этом в нижней части данной области образуется уплотненная за счет давления верхних слоев зона. Так же, в этой зоне происходит фиксация абразивных зерен, непосредственно контактирующих с обрабатываемой поверхностью под воздействием зерен, расположенных в верхних слоях создаваемой области. В связи этим возникает дополнительное давление, обеспечивающее условия микрорезания абразивным зерном обрабатываемой поверхности.
Объем засыпаемого абразивного материала должен обеспечивать формирование области слоя абразивных частиц. За счет эффекта сыпучести в верхних слоях области абразивных частиц создается равномерное заполнение ими образующихся полостей по всему объему формируемой области, и их распределение копирует профиль обрабатываемой поверхности, что обеспечивает равномерный съем металла по всему контуру заготовки в зоне обработки. Возрастающие силы резания, возникающие при образовании площадок износа на абразивных зернах в процессе обработки, обеспечивают постоянное перемешивание и обновление абразивных зерен в местах контакта абразива и обрабатываемой поверхности.
Среди способов обработки внутренних поверхностей типа тел вращения, в том числе сложного профиля, в машиностроении и других отраслях промышленности свободным абразивным материалом известны абразивно-струйные методы обработки внутренних цилиндрических поверхностей заготовок с помощью формирования и подачи абразивно-воздушной или гидроабразивной смеси посредством сопел на обрабатываемую поверхность [10]. Размещение внутри обрабатываемой поверхности абразивного материала, подачу сжатого воздуха под давлением и образование абразивно-воздушной смеси в рабочей зоне [11], центробежно-планетарной обработки свободными абразивными частицами, уплотненными инерционными, преимущественно центробежными силами, при планетарном вращении контейнеров с установленными в них деталями [12, 13, 14, 15]. Недостатки данных способов связаны с недостаточной величиной контактных давлений абразивных зерен на участках обрабатываемого профиля детали, низкая интенсивность воздействия частиц абразива на обрабатываемую поверхность, снижающая производительность обработки, невозможностью обеспечения равномерной обработки и достижение стабильных характеристик качества рабочих поверхностей.
Как развитие представленных схем обработки предлагается два способа: при возможности обеспечения вращения детали с обрабатываемыми поверхностями (рис. 2, а) и при условии неподвижной ее установки, связанной с габаритами, конструктивными особенностями детали и др. (рис. 2, б).
В первом случае заготовку устанавливают горизонтально оси вращения ее обрабатываемых поверхностей. Во внутренней полости заготовки размещают конструктивный элемент (деталь или сборочную единицу, имеющую форму пластины, сферы и др.) создающий равный зазор с обрабатываемой поверхностью и располагающийся параллельно оси вращения обрабатываемых поверхностей типа тел вращения. Конструктивный элемент изготавливается из материала, имеющего большую абразивную износостойкость по сравнением с обрабатываемыми деталями.
В камеру, ограниченную внутренней полостью заготовки, засыпают абразивный материал и создают вращение заготовки в сторону, обеспечивающее в соответствии с формой и расположением неподвижного конструктивного элемента формирование области, заполненной абразивными зернами. Скорость вращения заготовки должна быть не ниже условий, обеспечивающих микрорезание при обработке поверхности. Под действием центробежной силы абразив перемещается в направлении вращения заготовки и за счет сужения (снижения площади сечения в плоскости вдоль оси заготовки) между обрабатываемой поверхностью и неподвижным конструктивным элементом образуется область 3, заполненная абразивными зернами.
В случае неподвижной схемы установки детали предлагается способ абразивной обработки цилиндрических отверстий деталей, включающем горизонтальное расположение оси обрабатываемого цилиндрического отверстия заготовки с частично заполненной абразивным материалом внутренней полостью, при этом обработку ведут несвязанным абразивом, в полости заготовки размещают соосно с осью отверстия вращающийся конструктивный элемент, имеющего лопатку(и), форма и расположение которой(ых) обеспечивают формирование области(ей) заполненной(ых) абразивными зернами, уплотненной(ых) в зоне контакта абразива и обрабатываемой поверхности, а скорость его вращения устанавливают не ниже условий, обеспечивающих процесс микрорезания при обработке поверхности отверстия заготовки.
Описанные способы позволяют формировать однородные качественные характеристики при обработке поверхности детали путем формирования в камере области абразивного материала, равномерно уплотненного в местах взаимодействия обрабатываемой поверхности и абразивных зерен, обеспечить условия выравнивания контактных давлений на обрабатываемой поверхности. Схема обработки обеспечивает отсутствие локальных разно-температурных зон на обрабатываемых поверхностях, а также возможность за счет простых технических решений осуществлять отвод температуры. При этом появляются принципиально новые перспективные подходы к решению вопросов управления характеристиками формируемого поверхностного слоя обрабатываемых поверхностей.
Повышение производительности использования представленных способов обеспечивается за счет расширения технологических возможностей обработки, позволяющих устанавливать рациональные параметры и режимы обработки. К регулируемым технологическим параметрам и режимам процесса обработки относятся: форма, размеры и расположение конструктивных элементов оборудования, величины зазора между обрабатываемыми поверхностями и элементами установки, частота вращения заготовки и вращающихся частей установки, материал и зернистость абразивных зерен, объем абразивного материала, время обработки. Несложность технической реализации способов, отсутствие необходимости использования пневмо и гидросистем в управлении процессом его реализации создает предпосылки для высокой степени универсальности применения и невысокие требования к квалификации персонала при наладке и обслуживании.
Проведенная апробация реализации представленных способов показала их работоспособность и определила круг первоочередных научно-технических задач, решение которых позволит реализовать технологическое обеспечение их эффективного применения. Среди них: установление характера воздействия уплотненного абразивного слоя на обрабатываемую поверхность; исследование режущей способности и стойкости зерен уплотненного слоя; динамические характеристики в отдельных зонах абразивного слоя и плотность контактирования в них частиц. Однако очевидна значительная сложность создаваемых моделей, проведение больших объемов экспериментальных исследований, которые являются основой создания программных средств технологической подготовки производства. С позиции выполнения совокупности данных исследований, ограничиваясь проработкой представленных в статье способов, видится нерациональным.
С целью избежания такой локальной направленности проведения научных работ предложена стратегия проведения исследований, базовым принципом которой является подход к созданию моделей, построенных на результатах анализа отдельных проектных процедур технологической подготовки производства с позиции объединения методов обработки в группы по однородности из выполнения. На основе формирования структуры баз данных методов обработки с использованием несвязанного абразива в качестве обрабатывающего инструмента по конструктивно-технологическим признакам, их заполнения и проведения генерации множеств методов с использованием математического аппарата кластерного анализа обеспечивается создание универсального методического, алгоритмического и программного обеспечения автоматизированных подсистем для каждой проектной процедуры.
Заключение
Представлены результаты проведенных аналитических исследований современного состояния в области научных достижений и производственных практик технологического обеспечения способов обработки деталей с использованием в качестве инструмента несвязанного абразива. На примере обработки наружных и внутренних поверхностей типа тел вращения показаны возможные пути их развития и приведены примеры новых способов, обеспечивающих повышение производительности, снижение себестоимости реализации операций для широкого диапазона изготавливаемых деталей и требований к используемому техническому оснащению.
Описанные способы упрощают вопросы автоматизации обработки и позволяют на базе развития существующих моделей, описывающих процессы воздействия несвязанных абразивных зерен на обрабатываемую поверхность под действием различных факторов, и современного математического аппарата выполнить создание среды автоматизированного планирования рассматриваемых технологических операций. Предложен системный подход к формированию такой среды, заключающийся в разработке формализованных моделей отдельных сгруппированных по принципу однородности выполнения проектных процедур технологической подготовки операций, с применением несвязанного абразива, построенный на основе базы данных конструктивных характеристик обрабатываемых поверхностей и технологических параметров обработки.
