Введение Современное цифровое производство предъявляет новые требования к проектированию технологических процессов механической обработки деталей и в первую очередь это касается технологий финишной обработки. Как известно, именно на заключительных этапах обработки детали окончательно формируется ее поверхностный слой, который, в свою очередь, отвечает за её высокие эксплуатационные характеристики. Высокое качество поверхностного слоя детали можно получить с использованием значительного количества методов обработки, имеющихся в арсенале технолога. Однако общеизвестно, что есть группа методов, позволяющая обеспечить высокие параметры эксплуатационных характеристик деталей с использованием несложных схем обработки и относительно простого по конструкции оборудования. К таким методам относится обработка деталей в гранулированных рабочих средах.Методы обработки в гранулированных рабочих средах довольно давно используются в промышленности. Еще в середине 1960-х гг. профессор Бабичев А.П. создал научную школу, которая занималась исследованием вибрационной технологии обработки деталей на базе кафедры «Технология машиностроения» Ростовского института сельхозмашиностроения (ныне Донской государственный технический университет). Многие ученики профессора внесли свой вклад в науку и расширили область научных исследований этой школы. В 1990-х гг. школа в своих исследованиях охватывала значительную долю методов обработки свободным абразивом и вела научные исследования в области вибрационной абразивной обработки, центробежно-ротационной обработки, струйно-абразивной обработки, турбоабразивной обработки, магнитно-абразивной обработки, обработки свободным абразивом, уплотненным инерционными силами, гидроабразивной обработки и многих других [1, 2].Параллельно на кафедре велись исследования в области отделочно-упрочняющей обработки в гранулированных рабочих средах. Здесь также проводились исследования вибрационной отделочно-упрочняющей обработки, центробежно-ротационной отделочно-упрочняющей обработки, дробеструйной обработки, обработки дробью, центробежной обработки, обработки шарико-стержневым упрочнителем, обработки осциллирующим инструментом и других подобных методов [3 – 14].Методы обработки в гранулированных средах заняли свою нишу и получили широкое распространение на машиностроительных производствах. Они нашли свое применение на операциях шлифования, полирования, упрочнения поверхностного слоя, скругления острых кромок, удаления заусенцев и облоя, подготовки поверхности под покрытие и т. п. Обработка с помощью гранулированной среды, находящейся в свободном состоянии, позволяет одновременно обрабатывать значительное количество деталей, в том числе и сложной конфигурации, не требует базирования и закрепления этих деталей, что в конечном счете приводит к снижению затрат на обработку.Ученые школы А.П. Бабичева работали над созданием обобщенной теории обработки в гранулированных средах. Такая теория была получена. Она прошла комплексную экспериментальную проверку и используется для проектирования технологических процессов [1 – 14], однако в условиях цифрового производства необходима её доработка и актуализация. Материалы и методы Теоретическое моделирование взаимодействия режущей кромки инструмента с поверхностью обрабатываемой детали является важным вопросом при исследовании любого метода обработки. Особенностью методов обработки в гранулированных рабочих средах является то, что режущий инструмент формируется непосредственно в процессе обработки как среда с особыми свойствами и определенными внутренними связями. Частицы среды осуществляют многократное взаимодействие с выступами микронеровностей обрабатываемой поверхности детали. Часть соударений приводит к микрорезанию. Царапины, оставленные на обрабатываемой поверхности, многократно накладываются друг на друга и образуют специфический микрорельеф, который воспроизводится при продолжении обработки, формируя так называемую установившуюся шероховатость, характерную для методов обработки в гранулированных средах.При упрочняющей обработке происходит деформирование в поверхностном слое детали, подвергаемой обработке. Образование микрорельефа поверхности в процессе обработки происходит путем многократного наложения и пересечения единичных следов, оставленных обрабатывающими телами. Выступы микронеровностей постепенно скругляются, высотные параметры шероховатости снижаются, а шаговые имеют незначительные изменения. Так происходит до появления на поверхности установившейся шероховатости, которая в дальнейшем не изменяется и воспроизводится при продолжении обработки. Для правильного описания процессов, происходящих в поверхностном слое обрабатываемой детали при её взаимодействии с частицей среды необходимо рассмотреть процесс единичного взаимодействия и определить его количественные параметры с использованием теории вероятностей. Необходимо выполнить расчет числа взаимодействий в единицу времени на единице площади детали и определить максимальную глубину внедрения частицы среды при обработке в гранулированных абразивных средах [1]. Её можно определить по зависимости:где vэф – эффективная скорость движения частицы; R – радиус частицы среды; ρч – плотность материала частицы; с – коэффициент, оценивающий несущую способность контактной поверхности; β – угол удара частицы среды о поверхность обрабатываемой детали; σs – предел текучести материала детали; KR – коэффициент, учитывающий влияние зернистости абразивной частицы на фактическую площадь контакта, который определяется по зависимости: где  – доля, занимаемая абразивными частицами в единице объема частицы;  – коэффициент, определяющий число абразивных зерен, вступивших в контакт с поверхностью детали при внедрении частицы; α – коэффициент формы зерна;  – функция, зависящая от α; ε3 – коэффициент, учитывающий заделку зерен в связке; σ – среднеквадратичное отклонение размера зерен; – средний размер абразивных зёрен, который зависит от зернистости и определяется по формуле:где Nз – зернистость частиц среды.Подобные зависимости были получены исследователями научной школы для различных методов обработки в гранулированных средах. Например, для струйно-абразивной и гидроабразивной обработки их можно записать соответственно:где v0 – скорость встречи частицы с поверхностью деталиКак установлено на основании результатов многочисленных исследований след единичного контакта частицы среды с поверхностью детали представляет собой эллипсоид. Его оси можно определить по зависимостям: где  – коэффициент пропорциональности.Для определения параметров качества поверхностного слоя (шероховатости поверхности) исследователи научной школы профессора Бабичева А.П. с использованием методики профессора А.В. Королева [13] определили обобщенную зависимость для её расчета при обработке в гранулированных абразивных средах:где  – единичная длина;  – номинальное число вершин зерен над единицей поверхности связки;  – эмпирический коэффициент (определен для различных методов обработки в гранулированных абразивных средах);  – коэффициент, учитывающий влияние технологической жидкости. Имеются также частные зависимости для определения шероховатости поверхности при различных видах абразивной обработки в гранулированных средах. При проведении исследований установлен экспоненциальный характер снижения высотных параметров шероховатости поверхностного слоя. Зависимость  была аппроксимирована и получено следующее выражение, позволяющее определить продолжительность периода достижения установившейся шероховатости поверхности:где  – среднее арифметическое отклонение профиля исходной шероховатости;  – коэффициент интенсивности уменьшения шероховатости; t – время обработки.Если определить значение  и  для конкретных условий обработки, то подставляя в (8) вместо  заданное значение этого параметра  при условии  получим требуемую продолжительность обработки для изменения шероховатости от  до . Определение времени достижения заданного значения среднего арифметического отклонения профиля шероховатости обрабатываемой поверхности  является важной задачей при проектировании любого технологического процесса механической обработки детали. В связи с этим была получена формула для его расчета:Коэффициент , входящий в эту формулу, не представляется возможным получить теоретически, однако есть возможность его экспериментального определения. Для различных методов обработки в гранулированных абразивных средах получены банки данных таких коэффициентов. Это позволяет сравнивать различные варианты сочетаний технологических параметров и режимов для достижения соответствующих значений  при обработке деталей из различных материалов, снижать время обработки и оптимизировать технологический процесс.При создании обобщенной теории отделочно-упрочняющей обработки в гранулированных средах использовались те же подходы, что и при изучении обработки в среде абразива. При этом было учтено, что при обработке в среде стальных шариков отсутствует съем с поверхности детали, но имеется поверхностное упрочнение [3 – 12]. Получена зависимость для определения максимальной глубины внедрения стального шарика в поверхность детали при отделочно-упрочняющей обработке в гранулированных рабочих средах:где  – коэффициент, учитывающий влияние шероховатости поверхности детали на площадь фактического контактаОпределено среднее арифметическое отклонение профиля установившейся шероховатости поверхности по следующей формуле:где k – эмпирический коэффициент (определен для различных методов отделочно-упрочняющей обработки); kТЖ – коэффициент, учитывающий влияние технологической жидкости.Выполнен аналитический расчет значений глубины упрочненного слоя hH  и степени деформации ε, который позволит оценить увеличение эксплуатационных свойств обработанной детали, например таких, как усталостная прочность и долговечность. Значение глубины упрочненного слоя позволяет установить нахождение в поверхностном слое остаточных деформаций зерен и дислокаций кристаллической решетки, появившихся в результате приложения внешних нагрузок. С переходом от статического нагружения поверхности к ударному контакту происходит увеличение сопротивления материала вдавливанию в него инденторов, которыми являются стальные шарики. При этом происходит увеличение уровня твердости материала, вследствие чего динамическая твёрдость НDд оказывается больше пластической твёрдости при статическом нагружении НD. Количественной мерой возрастания твёрдости при динамическом нагружении служит динамический коэффициент твёрдости η [14], который представляет собой отношение .Зависимость динамического коэффициента твёрдости от скорости внедрения индентора при обработке стали, которая позволяет определить динамическую твёрдость сталей по их статической твёрдости и начальной скорости удара как для случая контакта сферы и плоскости, так и для контактирующих тел произвольной формы и кривизны [6], можно определить по формуле:где HD – пластическая твёрдость при статическом нагружении; vo – начальная скорость удара.Произведя перерасчет с использованием работы [14] твердость по Бринеллю определим по формуле: .С учётом представленной зависимости и коэффициента твердости, а также условия пластичности Генки-Мизеса [7 – 10,14], при описании пластически деформированной области, распространяющейся на некоторую глубину вокруг остаточной вмятины (пластического отпечатка), получены следующие формулы для расчёта глубины упрочненного слоя  и степени деформации  для методов обработки ППД в гранулированных средах:Для многих методов отделочно-упрочняющей обработки в гранулированных средах определены частные зависимости. Например, для вибрационной отделочно-упрочняющей обработки глубину упрочненного слоя и степень деформации можно определить по формуле:где kэф – обобщающий коэффициент эффективной скорости; A – амплитуда колебаний рабочей камеры; γ – частота колебаний рабочей камеры.Для центробежно-ротационной обработки в среде стальных шариков формулы выглядят следующим образом:где Rэф – эффективный радиус вращающегося ротора; w – частота вращения дна рабочей камеры (ротора).Аналогичные зависимости имеются и для других рассматриваемых методов упрочняющей обработки в гранулированных средах.Формула для определения времени обработки была получена в следующем виде [5]:где F – число повторяющихся ударов в одну и ту же точку обрабатываемой поверхности (зависит от твердости материала и варьируется в диапазоне от 10 до 20) [7 – 10];  – объём деформируемого металла при единичном взаимодействии частицы среды с обрабатываемой поверхностью; fв  – частота циклов воздействия рабочей среды на поверхность детали.  Результаты исследований  Разработанная система аналитических моделей прошла проверку на адекватность с использованием соответствующих современных критериев и методов статистической обработки результатов экспериментальных исследований. Она позволяет с высокой точностью прогнозировать результаты обработки в гранулированных рабочих средах. На рис. 1 и рис. 2 приведено сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований. Теоретические зависимости построены с помощью программы MATH CAD и выполнены сплошной линией. Точками обозначены экспериментальные значения. Доверительные интервалы построены с доверительной вероятностью 95 %. 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.Разработана система автоматизированного проектирования технологических процессов. Результаты обработки в гранулированных рабочих средах можно задавать при помощи различных критериев, например, шероховатости обработанной детали, глубины упрочненного слоя, степени деформации и т. п. Представленная выше обобщенная теория позволяет прогнозировать величину этих критериев при использовании различных режимов обработки в различных рабочих средах. В расчетные зависимости также входят физико-механические свойства материала обрабатываемых деталей. Однако, при проведении исследований установлено, что разработанная система моделей не учитывает особенности динамики различных методов обработки и форму частиц среды. Учет этих параметров возможен при использовании пакета прикладных программ Rocky DEM. Для исследований использовалась методика абразивного износа при трении твердых тел, представленная в работах работ Крагельского И.В. и его учеников [15], а также закон Арчарда, позволяющий оценить степень изнашивания твердых поверхностей детали за счет ударного воздействия частиц. Этот закон связывает потерю объема материала твердой поверхности с работой сил трения, возникающих между частицами и поверхностью. Использование пакета прикладных программ Rocky DEM позволяет задавать форму рабочей камеры при вибрационной обработке (U – образную, торовую, цилиндрическую и др.), динамические параметры процесса обработки, позволяющие рассчитывать эффективную скорость взаимодействия частиц с поверхностью детали, количество частиц в рабочей камере по массе, форму и размеры частиц, массу и форму обрабатываемой детали и её расположение в рабочей камере, материал обрабатываемой детали, соотношение массы детали и массы абразивной среды, физико-механические свойства обрабатываемого материала (твердость, пластичность) и абразивных гранул (плотность, модуль Юнга), коэффициент трения абразивной среды о поверхность детали, свойства смазочно-охлаждающих технологических средств. Пакет позволяет для описания численной модели характеристики обрабатывающих сред (форма и размеры гранул) подбирать их таким образом, чтобы максимально точно повторить поведение сыпучей среды в целом. В результате выполненной серии численных калибровочных расчетов были подобраны характеристики гранул обрабатывающих сред и обрабатываемой детали. Анализ численных экспериментов показал, что на формирование качества поверхностного слоя существенное влияние оказывают гранулометрические характеристики обрабатывающей среды, геометрические параметры рабочей камеры станка и состояние материала.Наличие адекватных теоретических зависимостей позволяет произвести ранжирование технологических факторов, выделить главные, которые при проектировании вводятся в виде массивов их значений, и второстепенные, которые можно задавать одним или двумя-тремя значениями. Это позволяет при расчетах технологических параметров получить множество вариантов их соотношения, приводящих к достижению заданных критериев обработки.После расчета множества вариантов, удовлетворяющих заданным условиям, можно производить выбор наиболее рационального из них, либо оптимизацию технологических процессов обработки детали в гранулированных рабочих средах.При проектировании соответствующего модуля САПР ТП используется структурная оптимизация (выбор метода обработки, оборудования и рабочих сред) и параметрическая оптимизация (режимы обработки, материал частиц среды и их размеры). Обсуждение результатов На основании проведенных исследований и с целью их внедрения в современное цифровое производство разработан программный продукт с использованием среды разработки программного обеспечения Microsoft Visual Studio на языке программирования C#, который позволяет по характеристике детали выбрать возможные методы обработки в гранулированных средах (в порядке предпочтительности), для каждого из них определить технологические режимы и характеристики рабочих сред, обеспечивающие минимальное время обработки, рассчитать необходимое количество станков и рабочих сред для выполнения годовой программы, затем путем экономического сравнения выбрать оптимальный вариант технологического процесса. Программа имеет удобный интерфейс (рис. 3) и позволяет в диалоговом режиме задавая материал и конструктивные особенности обрабатываемой детали, необходимые параметры качества поверхности и характеристики упрочнения в автоматическом режиме проектировать технологический процесс, выполняя оптимизацию по производительности (времени) обработки (рис. 4) [2, 3, 10].Аналогичным образом программа описывает другие варианты предлагаемых технологий. Разработка нескольких вариантов позволяет применять в условиях конкретного предприятия уже имеющееся оборудование и рабочие среды без дополнительных затрат на их приобретение.Планируется внедрение модуля автоматизированной системы проектирования технологических процессов обработки в гранулированных средах на ведущих предприятиях машиностроительного профиля. Ведутся переговоры по апробации программного продукта.Заключение Повышение требований к качеству поверхностного слоя деталей вызывает необходимость применения современных методов проектирования технологических процессов обработки и расширения применения методов обработки в гранулированных средах на предприятиях различных отраслей промышленности. Несмотря на достаточно глубокое изучение рассматриваемых методов, исследования в данной области можно и нужно продолжать.  В качестве перспективных направлений хотелось бы отметить разработку новых комбинированных методов обработки в гранулированных средах и автоматизацию проектирования технологических процессов обработки. В настоящее время имеются работы по интенсификации вибрационной обработки ультразвуком, нагревом, электрохимическими методами, наложением магнитного поля и др. Аналогичные исследований можно провести и для других вышеуказанных методов, используя различные виды энергии, которые позволят интенсифицировать процесс обработки. Необходимо создание современных программных продуктов для автоматизации труда инженерных работников машиностроительных предприятий.