employee
Moscow, Moscow, Russian Federation
employee
Russian University of Transport (MIIT) (Department of Technology of Transport Engineering and Repair of Rolling Stock, Professor)
employee
Moscow, Moscow, Russian Federation
graduate student
Moscow, Moscow, Russian Federation
The study objective is the problem of choosing a cooling method for abrasive machining of parts made of polymer and composite materials (PCM). The paper is devoted to the choice of effective use of lubricating coolants in spraying air-and-water mixture. The study is aimed at evaluating the effectiveness of the coolant supply method using the internal channels of the instrument. As a result of the study, the efficiency of the new cooling method is determined. Conclusions: the use of a new cooling method contributes to the rational distribution and movement of air-and-water mixture flows in a soft abrasive brush. The proposed cooling method makes it possible to supply the air-and-water mixture more precisely, eliminating the effect of moisture absorption by the polymer. The obtained spectrum of temperature distribution while modeling the flow of the air-and-water mixture shows that the efficiency of cooling the cutting zone when using internal channels is not inferior to the methods previously presented in the scientific literature, but at the same time has a number of technological advantages.
technologies, polymer and composite materials, machining, quality, roughness, lubricating and cooling liquids, spraying
С помощью технологий послойного выращивания можно изготовить множество деталей общего машиностроения из разных материалов, в т. ч. из полимерно-композитных материалов (ПКМ). Готовые изделия могут иметь сложную геометрическую форму, которую невозможно получить механическим путём. Сам процесс изготовления происходит автоматически после утверждения основных параметров человеком.
Ранее в работах [1,2] было установлено, что шероховатость получаемых поверхностей может не соответствовать заявленным требованиям и лежит в пределах Ra≥1,2 мкм. Для улучшения показателя качества поверхности Ra было предложено производить обработку с минимальным припуском с помощью мягкого абразивного инструмента.
Механическая обработка с помощью абразивных щёток в сухую [2] деталей из ПКМ показала невозможность добиться низкой шероховатости из-за оплавления поверхностного обработанного слоя, вызванного низкой теплостойкостью материала детали. Использование СОЖ в процессе обработки снижает эффект оплавления материала детали [3].
Однако, полив СОЖ приводит к набуханию детали и ее последующему расслоению. Предложенный способ в работе [4] позволил уменьшить эффект набухания.
В данной работе исследовалась эффективность подачи СОЖ распылением. Данный способ был предложен в работе [5], однако не получил широкого распространения.
Технология подачи водо-воздушной смеси
В исследованиях Яшкова В.А. [6] проводилось теоретическое обоснование эффективного охлаждения зоны обработки путём использования имитационной среды моделирования.
Ранее эксперимент с оценкой эффективности охлаждения в водо-воздушной смеси показал, что оптимальным является диапазон соотношения ВОЗДУХ:СОТС 80%:20%. Облако СОТС позволило производить обработку без увеличения температуры в зоне резания, исключая эффект «влагопоглощения» полимером жидкости (рисунок 1 а, б).
Анализ полученных данных показала, что наиболее эффективной является обработка в водо-воздушной смеси. Полученные результаты измерения линейных размеров показали минимальное влияние влаги на исследуемый полимер.
Однако, использование экспериментальной установки в качестве способа формирования водо-воздушной смеси имеет ряд недостатков:
- необходимость размещения установки в камере станка;
- наличие жидкости в баке ограничено и пополняется в ручном режиме, что негативно сказывается на общем времени обработки;
- при неконтролируемой зоне распыления увеличивается расход жидкости;
- установка не позволяет более точечно подавать водо-воздушную смесь прямиком в зону резания, остатки влаги оседают на ещё не обработанную поверхность, что приводит небольшому эффекту «влагопоглощения» полимером.
Результаты имитационного моделирования процесса подачи водо-воздушной смеси
Для устранения вышеперечисленных недостатков было предложено изменить способ подачи водо-воздушной смеси. В качестве основного устройства теперь выступает шпиндель станка (экспериментальная обработка велась на фрезерном станке с ЧПУ MIKRON HPM 600HD), через который напрямую подаётся СОТС, попадающая сразу в специальный канал щётки (рис. 1).
Рис.1. Конструкция рабочей части инструмента:
1 – канал, 2 – отверстия, 3 – абразивные волокна
Fig.1. Construction of the working part of the tool:
1 – channel, 2 – apertures, 3 – abrasive fibers
На рис.1 показан канал 1, через который водо-воздушная смесь распределяется по специальным отверстиям 2, расположенные под углом. Абразивные волокна 3 находятся в зоне распыления смеси.
С целью определения эффективно распределения образующейся при распылении СОЖ водо-воздушной смеси с помощью SolidWorks Flow Simulation была построена и рассчитана имитационная модель ее течения водо-воздушной смеси (рис. 2). Данная симуляция позволяет точно определить направление потоков смеси.
Рис. 2. Имитационная модель распределения
водо-воздушной смеси
Fig.2 Simulation model of water-air mixture distribution
На рисунке показано направление вращения стрелкой. В качестве начальных условий было выбрано давление величиной 4 атм., которое направлено перпендикулярно движению подачи и соответствует направлению подачи водо-воздушной смеси внутри инструмента в процессе обработки.
Движение потоков жидкости при вращении инструмента показано на рис. 3.
Рис. 3. Направление движения водо-воздушной смеси
при вращении инструмента (вид спереди)
Fig.3 The direction of movement of the water-air mixture
when rotating the tool (front view)
На рисунке путем моделирования продемонстрировано направление вращения смеси СОТС. При вращении инструмента потоки закручиваются в центр мягкого абразивного инструмента. Таким образом, водо-воздушная смесь охватывает все волокна абразивной щётки, снижая температуру в зоне резания. Ранее установленное соотношение ВОЗДУХ:СОТС 80:20% предотвращает возникновение эффекта «влагопоглащения» жидкости полимером.
Значения технологических параметров, соответствующие условиям обработки указаны в таблице.
Таблица
Значения технологических параметров
Table
Values of technological parameters
|
№п/п |
Параметр |
Значение |
|
1 |
Давление |
4 атм. |
|
2 |
Соотношение ВОЗДУХ:СОТС |
80/20% |
|
3 |
Частота вращения шпинделя |
4500 об/мин |
|
4 |
Вылет инструмента |
11 мм |
Значение температуры в зоне резания после имитационного моделирования процесса распределения водо-воздушной смеси при обработке достигло 27,36 °С. Данное значение соответствует температуре, зафиксированной с помощью тепловизора Satir HotFind-LR. при проведении реального эксперимента.
Заключение
Для устранения недостатков экспериментальной установки, примененной в работе [4], была предложена усовершенствованная конструкция абразивной щётки
Построена имитационная модель движения потоков водо-воздушной смеси в мягкой абразивной щётке. Проведена оценка эффективности внутренних каналов инструмента. Предложенный способ охлаждения позволил более точечно подавать водо-воздушную смесь, исключая эффект «влагопоглащения» полимером, путем рационального распределения СОЖ в процессе абразивной обработки.
Полученный спектр распределения температур в ходе моделирования течения водо- воздушной смеси показал, что эффективность охлаждения зоны резания при использовании внутренних каналов не уступает методу, описанному в работе [4], но при этом имеет ряд технологических преимуществ.
1. Kulikov MYu, Larionov MA, Gusev DV, Shevchuk EO. Quality support of parts manufactured by means of additive technologies. Bulletin of Bryansk State Technical University. 2020;12(97):4-10.
2. Kulikov MYu, Larionov MA, Gusev DV, Shevchuk EO. Surface roughness improvement of parts made of polymer materials obtained by means of additive technologies. Bulletin of Bryansk State Technical University. 2021;7(104):12-18.
3. Shevchuk EO, Pogorelsky VV. Improving the surface quality of parts obtained by means of additive technologies. Collection of scientific papers: Machine building: Traditions and innovations (MIT - 2021). Moscow: Moscow State Technical University STANKIN; 2021. p. 357-366.
4. Kulikov MYu, Larionov MA, Gusev DV. Analysis of regularities in accuracy formation at prototyping. Bulletin of the Bryansk State Technical University. 2016;2(50):104-107.
5. Klushin MI, Gordon MB. Application of sprayed liquids when cutting metals. Ivanovo: Publishing House; 1960.
6. Yashkov VA. Improving the operation efficiency of a prefabricated abrasive tool for internal grinding by intensifying LCTM action in the work area [abstract of the dissertation]. [Moscow(RF)]; 2016.
7. Gusev DV. Improving the quality of manufactured products when using rapid prototyping technology [dissertation]. [Ulyanovsk (RF)]: Ulyanovsk State Technical University; 2019.
8. Adler YuP, Markova EV, Granovsky YuV. Experiment planning in search of optimal conditions. Moscow: Nauka; 1976.
9. Zlenko MA, Nagaytsev MV, Dovbysh VM. Additive technologies in mechanical engineering: manual for engineers. Moscow: NAMI; 2015.
