eng
Выпуск #2/2023
М. Ю. Куликов, А. Ю. Попов, Е. О. Шевчук, А. А. Крапостин
Финишная абразивная обработка деталей из полимерно-композитных материалов
Финишная абразивная обработка деталей из полимерно-композитных материалов
Просмотры: 551
DOI: 10.22184/2499-9407.2023.31.2.82.86
Разработана технология финишной абразивной обработки деталей из полимерно-композитных материалов (ПКМ), обеспечивающая шероховатость поверхности (Ra ≤ 0,63) и предотвращающая влагопоглощение и набухание обработанной поверхности. Определён эффективный способ подачи водо-воздушной смеси в зону резания с помощью внутренних каналов инструмента.
Разработана технология финишной абразивной обработки деталей из полимерно-композитных материалов (ПКМ), обеспечивающая шероховатость поверхности (Ra ≤ 0,63) и предотвращающая влагопоглощение и набухание обработанной поверхности. Определён эффективный способ подачи водо-воздушной смеси в зону резания с помощью внутренних каналов инструмента.
Теги: abrasive finishing additive technologies moisture absorption polymer-composite materials roughness water-air mixture аддитивные технологии влагопоглощение водо-воздушная смесь полимерно-композиционные материалы финишная абразивная обработка шероховатость
Финишная абразивная обработка деталей из полимерно-композитных материалов
М. Ю. Куликов, А. Ю. Попов, Е. О. Шевчук, А. А. Крапостин
Разработана технология финишной абразивной обработки деталей из полимерно-композитных материалов (ПКМ), обеспечивающая требуемую шероховатость поверхности (Ra ≤ 0,63) и предотвращающая влагопоглощение и набухание обработанной поверхности. Определен эффективный способ подачи водо-воздушной смеси в зону резания с помощью внутренних каналов инструмента.
Введение
В связи с внедрением аддитивных технологий в современное машиностроительное производство встает проблема улучшения шероховатости получаемых деталей. Было установлено [1], что качество поверхностей деталей, полученных с помощью аддитивных технологий, обладает низкими параметрами шероховатости (Ra ≥ 1,2 мкм). Для улучшения этого показателя предложено использовать финишную абразивную обработку [2]. Учитывая тот факт, что поверхность деталей имеет сложную форму, рекомендовано производить абразивную обработку с помощью мягких абразивных щеток.
При этом необходимо учитывать, что детали, в том числе изготовленные из ПКМ, обладают низкой теплостойкостью и способностью к влагопоглощению. Эти свойства затрудняют проведение финишной абразивной обработки.
В работе [2] показана необходимость охлаждения деталей с помощью смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС) в процессе абразивной обработки, ввиду увеличения температуры в зоне резания и последующего оплавления поверхностного слоя, что связано с низкой теплостойкостью материала.
Решение проблемы влагопоглощения было предложено в работе [3], путем экспериментального анализа и выбора состава водо-воздушной смеси с помощью экспериментальной установки удалось снизить эффект набухания.
В данной работе исследовалась возможность подачи СОТС с помощью внутренних каналов инструмента.
Технология подачи водо-воздушной смеси с помощью каналов абразивного инструмента
С целью устранения вышеописанных ограничений, накладываемых при обработке деталей из ПКМ, была предложена технология подачи водо-воздушной смеси через специальные каналы абразивного инструмента.
На рис. 1 показана схема гибкой абразивной щетки, которая включает в себя корпус 1 со стержнем 2, имеющим несквозной канал диаметром 4 мм, на стержень помещено металлическое основание 3 с пазами, необходимыми для размещения абразивных волокон 4. Вылет щетки из корпуса регулируется четырьмя винтами 5, что позволяет обрабатывать отверстия и менять площадь контакта. В стержне 2 в шахматном порядке расположены отверстия для подвода водо-воздушной смеси, поступающей из шпинделя станка.
Более подробно металлическое основание с пазами представлено на рис. 2, где показан вид с торца гибкой абразивной щетки. Цифрой 1 обозначен корпус со стержнем 2, на металлическом основании расположены растянутые по окружности пазы 4, внутри которых плотно скомпонованы режущие волокна. Цифрой 5 обозначены четыре регулировочных винта.
При расположении пазов по центрическим окружностям в обработке участвует большее количество абразивных зерен. Повышается производительность процесса резания, что позитивно сказывается на точности шлифования при минимальном припуске, наряду с этим имеется возможность обработки сложнофасонных поверхностей. Поскольку при этом повышается количество выделяемой теплоты, гибкие волокна, наполненные абразивными зернами, активно смачиваются, благодаря шахматному расположению специальных отверстий в канале, что способствует обволакиванию СОТС поверхности рабочей части инструмента внутри корпуса в полной мере, но не позволяет перенасытить влагой заготовку.
Для оценки эффективности охлаждения при такой компоновке режущей части, перед экспериментом была произведена симуляция с помощью модуля SolidWorks Flow Simulation.
Построенная имитационная модель течения жидкости показана на рис. 3. Стрелками отмечено движение потоков водо-воздушной смеси по внутренним каналам: СОТС сначала обволакивает абразивные волокна и лишь потом попадает на заготовку. Температура среды внутри корпуса и заготовки не превышает 30 °C.
Результаты имитационного моделирования были проверены в эксперименте с образцами, изготовленными из полимера TITAN GF‑12 – конструкционного композита на основе ABS, армированного рубленным стекловолокном. Содержание стекловолокна – 12%. Использованный материал обладает хорошими прочностными характеристиками: упругостью, увеличенной твердостью, прочностью на разрыв и сжатие, низкой усадкой при изготовлении.
При проведении опытов изменялись следующие режимы обработки:
частота вращения шпинделя n = 4 500 об./мин;
подача s = 800 мм/мин;
общий слой снимаемого материала t не изменялся и составил 0,2 мм;
за один проход снимался слой, равный 0,05 мм.
Таким образом, всего было четыре прохода. Вылет инструмента из корпуса составлял 11 мм. Процент перекрытия инструментом составил 100%, таким образом, инструмент работал всей своей режущей частью.
В процессе эксперимента с помощью тепловизора Satir HotFind-LR была зафиксирована температура в зоне обработки. На рис. 4 спектром цветов обозначены температуры в зоне обработки. Максимальная зафиксированная температура составила 26,8 °C. При таких значениях возможна обработка без размягчения и расплавления поверхности.
Увеличенная с помощью микроскопа Альтами СМ0745-Т поверхность до и после обработки представлена на рис. 5.
На рис. 5а наглядно видны поверхностные слои изделия и отчетливые зоны неровностей, на рис. 5б поверхность после обработки при таких режимах резания получилась наиболее однородной, следов от инструмента не наблюдается.
Показатель качества поверхности Ra после эксперимента был измерен с помощью профилометра TR220.
Как видно из графика на рис. 6, значения Ra находятся в диапазоне 0,576–0,628 мкм, таким образом, удалось улучшить качество поверхности примерно в 2,5 раза.
Возникающий в процессе обработке вихревой поток водо-воздушной смеси внутри корпуса инструмента одновременно с охлаждением удаляет отработанные капли СОТС с обработанной поверхности. Результаты изменения геометрических размеров представлены на рис. 7, где приведен график, отражающий изменения геометрических размеров заготовки. После обработки заготовка была помещена на стеллаж и через равные промежутки времени производились замеры. Полное высыхание произошло через 7 ч, зафиксированный максимальный размер 52,005 мм, что соответствует низкому эффекту влагопоглощения.
Заключение
Предложенная технология подачи водо-воздушной смеси через специально расположенные каналы абразивного инструмента была рассчитана с помощью имитационного моделирования, результат исследования показал направление движения потоков и распределение температур в процессе обработки.
Проверка имитационной модели была произведена путем эксперимента. Опыт показал эффективное снижение температуры в зоне резания. Эффект влагопоглощения полимером при таком способе охлаждения минимален. Вихревой поток водо-воздушной смеси внутри корпуса инструмента одновременно с охлаждением удаляет отработанные капли СОТС с обработанной поверхности.
С целью улучшения конструкции предлагается увеличить скорость воздушного потока для более эффективного удаления СОТС из зоны резания в процессе обработки.
Литература
Куликов М. Ю., Ларионов М.А., Гусев Д.В., Шевчук Е.О. Обеспечение качества деталей, изготовленных с помощью аддитивных технологий // Вестник Брянского государственного технического университета. 2020. № 12(97). С. 4–10.
Куликов М. Ю., Ларионов М.А., Гусев Д.В., Шевчук Е.О. Улучшение шероховатости поверхностей деталей из полимерных материалов, полученных с помощью аддитивных технологий // Вестник Брянского государственного технического университета. 2021. № 7(104). С. 12–18.
Шевчук Е. О., Погорельский В.В. Улучшение качества поверхности деталей, полученных с помощью аддитивных технологий // Машиностроение: традиции и инновации (МТИ – 2021). Сборник докладов. – М.: ФГБОУ ВО «МГТУ «СТАНКИН», 2021. С. 357–366.
Куликов М. Ю., Ларионов М.А., Гусев Д.В. Исследование закономерностей формирования точностных параметров деталей при прототипировании // Вестник Брянского государственного технического университета. 2016. № 2(50). С. 104–107.
Клушин М. И., Гордон М.Б. Применение распыленных жидкостей при резании металлов. Иваново: Кн. изд-во, 1960. 50 с.
Яшков В. А. Повышение эффективности работы сборного абразивного инструмента для внутреннего шлифования путем интенсификации действия СОТС в зоне обработки: авт. дис. … канд. тех. наук: 05.02.07 / Яшков Валентин Александрович; [Место защиты: Моск. гос. технол. ун-т «Станкин»]. Москва, 2016. 19 с.
Куликов М. Ю., Шевчук Е.О., Ларионов М.А., Гусев Д.В., Александров И.А. Улучшение качества поверхностей деталей из полимерно-композитных материалов с использованием СОТС. Санкт-Петербург «Металлообработка», 2022, № 1.
Гусев Д. В. Повышение показателей качества изготавливаемых изделий при использовании технологии быстрого прототипирования: специальность 05.02.08 «Технология машиностроения»: дис. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук / Денис Витальевич Гусев; Ульяновский государственный технический университет. Ульяновск, 2019. 116 с.
Адлер Ю. П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1976. 278 с.
Зленко М. А., Нагайцев М.В., Довбыш В.М. Аддитивные технологии в машиностроении. Пособие для инженеров. М.: ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ», 2015. 220 с.
Авторы
Куликов Михаил Юрьевич – доктор технических наук, профессор, ведущий научный сотрудник Института конструкторско-технологической информатики (ИКТИ РАН), заведующий кафедрой «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава» Российского университета транспорта
Попов Алексей Юрьевич – кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава» Российского университета транспорта
Шевчук Евгений Олегович – аспирант кафедры «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава» Российского университета транспорта
Крапостин Алексей Александрович – кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава» Российского университета транспорта
М. Ю. Куликов, А. Ю. Попов, Е. О. Шевчук, А. А. Крапостин
Разработана технология финишной абразивной обработки деталей из полимерно-композитных материалов (ПКМ), обеспечивающая требуемую шероховатость поверхности (Ra ≤ 0,63) и предотвращающая влагопоглощение и набухание обработанной поверхности. Определен эффективный способ подачи водо-воздушной смеси в зону резания с помощью внутренних каналов инструмента.
Введение
В связи с внедрением аддитивных технологий в современное машиностроительное производство встает проблема улучшения шероховатости получаемых деталей. Было установлено [1], что качество поверхностей деталей, полученных с помощью аддитивных технологий, обладает низкими параметрами шероховатости (Ra ≥ 1,2 мкм). Для улучшения этого показателя предложено использовать финишную абразивную обработку [2]. Учитывая тот факт, что поверхность деталей имеет сложную форму, рекомендовано производить абразивную обработку с помощью мягких абразивных щеток.
При этом необходимо учитывать, что детали, в том числе изготовленные из ПКМ, обладают низкой теплостойкостью и способностью к влагопоглощению. Эти свойства затрудняют проведение финишной абразивной обработки.
В работе [2] показана необходимость охлаждения деталей с помощью смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС) в процессе абразивной обработки, ввиду увеличения температуры в зоне резания и последующего оплавления поверхностного слоя, что связано с низкой теплостойкостью материала.
Решение проблемы влагопоглощения было предложено в работе [3], путем экспериментального анализа и выбора состава водо-воздушной смеси с помощью экспериментальной установки удалось снизить эффект набухания.
В данной работе исследовалась возможность подачи СОТС с помощью внутренних каналов инструмента.
Технология подачи водо-воздушной смеси с помощью каналов абразивного инструмента
С целью устранения вышеописанных ограничений, накладываемых при обработке деталей из ПКМ, была предложена технология подачи водо-воздушной смеси через специальные каналы абразивного инструмента.
На рис. 1 показана схема гибкой абразивной щетки, которая включает в себя корпус 1 со стержнем 2, имеющим несквозной канал диаметром 4 мм, на стержень помещено металлическое основание 3 с пазами, необходимыми для размещения абразивных волокон 4. Вылет щетки из корпуса регулируется четырьмя винтами 5, что позволяет обрабатывать отверстия и менять площадь контакта. В стержне 2 в шахматном порядке расположены отверстия для подвода водо-воздушной смеси, поступающей из шпинделя станка.
Более подробно металлическое основание с пазами представлено на рис. 2, где показан вид с торца гибкой абразивной щетки. Цифрой 1 обозначен корпус со стержнем 2, на металлическом основании расположены растянутые по окружности пазы 4, внутри которых плотно скомпонованы режущие волокна. Цифрой 5 обозначены четыре регулировочных винта.
При расположении пазов по центрическим окружностям в обработке участвует большее количество абразивных зерен. Повышается производительность процесса резания, что позитивно сказывается на точности шлифования при минимальном припуске, наряду с этим имеется возможность обработки сложнофасонных поверхностей. Поскольку при этом повышается количество выделяемой теплоты, гибкие волокна, наполненные абразивными зернами, активно смачиваются, благодаря шахматному расположению специальных отверстий в канале, что способствует обволакиванию СОТС поверхности рабочей части инструмента внутри корпуса в полной мере, но не позволяет перенасытить влагой заготовку.
Для оценки эффективности охлаждения при такой компоновке режущей части, перед экспериментом была произведена симуляция с помощью модуля SolidWorks Flow Simulation.
Построенная имитационная модель течения жидкости показана на рис. 3. Стрелками отмечено движение потоков водо-воздушной смеси по внутренним каналам: СОТС сначала обволакивает абразивные волокна и лишь потом попадает на заготовку. Температура среды внутри корпуса и заготовки не превышает 30 °C.
Результаты имитационного моделирования были проверены в эксперименте с образцами, изготовленными из полимера TITAN GF‑12 – конструкционного композита на основе ABS, армированного рубленным стекловолокном. Содержание стекловолокна – 12%. Использованный материал обладает хорошими прочностными характеристиками: упругостью, увеличенной твердостью, прочностью на разрыв и сжатие, низкой усадкой при изготовлении.
При проведении опытов изменялись следующие режимы обработки:
частота вращения шпинделя n = 4 500 об./мин;
подача s = 800 мм/мин;
общий слой снимаемого материала t не изменялся и составил 0,2 мм;
за один проход снимался слой, равный 0,05 мм.
Таким образом, всего было четыре прохода. Вылет инструмента из корпуса составлял 11 мм. Процент перекрытия инструментом составил 100%, таким образом, инструмент работал всей своей режущей частью.
В процессе эксперимента с помощью тепловизора Satir HotFind-LR была зафиксирована температура в зоне обработки. На рис. 4 спектром цветов обозначены температуры в зоне обработки. Максимальная зафиксированная температура составила 26,8 °C. При таких значениях возможна обработка без размягчения и расплавления поверхности.
Увеличенная с помощью микроскопа Альтами СМ0745-Т поверхность до и после обработки представлена на рис. 5.
На рис. 5а наглядно видны поверхностные слои изделия и отчетливые зоны неровностей, на рис. 5б поверхность после обработки при таких режимах резания получилась наиболее однородной, следов от инструмента не наблюдается.
Показатель качества поверхности Ra после эксперимента был измерен с помощью профилометра TR220.
Как видно из графика на рис. 6, значения Ra находятся в диапазоне 0,576–0,628 мкм, таким образом, удалось улучшить качество поверхности примерно в 2,5 раза.
Возникающий в процессе обработке вихревой поток водо-воздушной смеси внутри корпуса инструмента одновременно с охлаждением удаляет отработанные капли СОТС с обработанной поверхности. Результаты изменения геометрических размеров представлены на рис. 7, где приведен график, отражающий изменения геометрических размеров заготовки. После обработки заготовка была помещена на стеллаж и через равные промежутки времени производились замеры. Полное высыхание произошло через 7 ч, зафиксированный максимальный размер 52,005 мм, что соответствует низкому эффекту влагопоглощения.
Заключение
Предложенная технология подачи водо-воздушной смеси через специально расположенные каналы абразивного инструмента была рассчитана с помощью имитационного моделирования, результат исследования показал направление движения потоков и распределение температур в процессе обработки.
Проверка имитационной модели была произведена путем эксперимента. Опыт показал эффективное снижение температуры в зоне резания. Эффект влагопоглощения полимером при таком способе охлаждения минимален. Вихревой поток водо-воздушной смеси внутри корпуса инструмента одновременно с охлаждением удаляет отработанные капли СОТС с обработанной поверхности.
С целью улучшения конструкции предлагается увеличить скорость воздушного потока для более эффективного удаления СОТС из зоны резания в процессе обработки.
Литература
Куликов М. Ю., Ларионов М.А., Гусев Д.В., Шевчук Е.О. Обеспечение качества деталей, изготовленных с помощью аддитивных технологий // Вестник Брянского государственного технического университета. 2020. № 12(97). С. 4–10.
Куликов М. Ю., Ларионов М.А., Гусев Д.В., Шевчук Е.О. Улучшение шероховатости поверхностей деталей из полимерных материалов, полученных с помощью аддитивных технологий // Вестник Брянского государственного технического университета. 2021. № 7(104). С. 12–18.
Шевчук Е. О., Погорельский В.В. Улучшение качества поверхности деталей, полученных с помощью аддитивных технологий // Машиностроение: традиции и инновации (МТИ – 2021). Сборник докладов. – М.: ФГБОУ ВО «МГТУ «СТАНКИН», 2021. С. 357–366.
Куликов М. Ю., Ларионов М.А., Гусев Д.В. Исследование закономерностей формирования точностных параметров деталей при прототипировании // Вестник Брянского государственного технического университета. 2016. № 2(50). С. 104–107.
Клушин М. И., Гордон М.Б. Применение распыленных жидкостей при резании металлов. Иваново: Кн. изд-во, 1960. 50 с.
Яшков В. А. Повышение эффективности работы сборного абразивного инструмента для внутреннего шлифования путем интенсификации действия СОТС в зоне обработки: авт. дис. … канд. тех. наук: 05.02.07 / Яшков Валентин Александрович; [Место защиты: Моск. гос. технол. ун-т «Станкин»]. Москва, 2016. 19 с.
Куликов М. Ю., Шевчук Е.О., Ларионов М.А., Гусев Д.В., Александров И.А. Улучшение качества поверхностей деталей из полимерно-композитных материалов с использованием СОТС. Санкт-Петербург «Металлообработка», 2022, № 1.
Гусев Д. В. Повышение показателей качества изготавливаемых изделий при использовании технологии быстрого прототипирования: специальность 05.02.08 «Технология машиностроения»: дис. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук / Денис Витальевич Гусев; Ульяновский государственный технический университет. Ульяновск, 2019. 116 с.
Адлер Ю. П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1976. 278 с.
Зленко М. А., Нагайцев М.В., Довбыш В.М. Аддитивные технологии в машиностроении. Пособие для инженеров. М.: ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ», 2015. 220 с.
Авторы
Куликов Михаил Юрьевич – доктор технических наук, профессор, ведущий научный сотрудник Института конструкторско-технологической информатики (ИКТИ РАН), заведующий кафедрой «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава» Российского университета транспорта
Попов Алексей Юрьевич – кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава» Российского университета транспорта
Шевчук Евгений Олегович – аспирант кафедры «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава» Российского университета транспорта
Крапостин Алексей Александрович – кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава» Российского университета транспорта
Отзывы читателей
