сотрудник
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
сотрудник
Российский университет транспорта (МИИТ) (кафедра "Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава", профессор)
сотрудник
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
аспирант
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
Целью исследования является проблема выбора способа охлаждения при абразивной обработке деталей из полимерно-композиционных материалов (ПКМ). Статья посвящена выбору эффективного использования при распылении смазывающих охлаждающих жидкостей (СОЖ) водо-воздушной смеси. В исследовании заключается в проведении оценки эффективности способа подачи СОЖ с помощью внутренних каналов инструмента. В результате исследования определена эффективность нового способа охлаждения. Выводы: использование нового способа охлаждения способствует рациональному распределению и движению потоков водо-воздушной смеси в мягкой абразивной щётке. Предложенный способ охлаждения позволил более точечно подавать водо-воздушную смесь, исключая эффект «влагопоглощения» полимером. Полученный спектр распределения температур в ходе моделирования течения водо-воздушной смеси показал, что эффективность охлаждения зоны резания при использовании внутренних каналов не уступает ранее представленным в научной литературе методам, но при этом имеет ряд технологических преимуществ.
технологии, полимерно-композиционные материалы, обработка, качество, шероховатость, смазочно-охлаждающие жидкости, распыление
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. 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):4-10.
2. 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):12-18.
3. 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. 357-366.
4. 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):104-107.
5. Клушин М.И., Гордон М.Б. Применение распыленных жидкостей при резании металлов. Иваново: Кн. изд-во, 1960. 50 с.
6. Яшков В.А Повышение эффективности работы сборного абразивного инструмента для внутреннего шлифования путем интенсификации действия СОТС в зоне обработки: автореферат дис. кандидата технических наук : 05.02.07 / Яшков Валентин Александрович; Москва, 2016. - 19 с.
7. Гусев Д.В. Повышение показателей качества изготавливаемых изделий при использовании технологии быстрого прототипирования: специальность 05.02.08 «Технология машиностроения» : диссертация на соискание ученой степени канд. техн. наук / Денис Витальевич Гусев; Ульяновский государственный технический университет. Ульяновск, 2019. 116 с.
8. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1976. 278 с.
9. Зленко М.А., Нагайцев М.В., Довбыш В.М. Аддитивные технологии в машиностроении. Пособие для инженеров. М.: ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ», 2015. 220 с.
