CC BY
13УДК 621.923.9
ВЛИЯНИЕ ГЕОМЕТРИИ ИНСТРУМЕНТА И РЕЖИМОВ РЕЗАНИЯ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ АБРАЗИВНО-ЭКСТРУЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
Н. В. Шарова, Л. П. Сысоева, А. С. Сысоев
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: [email protected]
Проанализированы конструктивно-технологические особенности деталей летательных аппаратов, изготавливаемых из алюминиевых сплавов, и предложено использовать абразивно-экструзионную обработку сложнопрофильных и труднодоступных поверхностей таких деталей. Исследована зависимость глубины царапины от геометрических характеристик абразивного зерна и силы резания при абразивно-экструзионной обработке деталей из алюминиевых сплавов.
Ключевые слова: алюминиевый сплав, абразивно-экструзионная обработка, рабочая среда, активное абразивное зерно, микрорезание.
INFLUENCE OF TOOL GEOMETRY AND CUTTING MODES ON THE EFFICIENCY OF ABRASIVE FLOW MACHINING OF ALUMINIUM ALLOYS
N. V. Sharova, L. P. Sysoeva, A. S. Sysoev
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]
The constructive-technological features of aircraft details made of aluminum alloys are analyzed in this article. The article suggests using Abrasive Flow Machining for abrading of complex-profile and hard-to-get surface. The research investigates dependence of the scratch depth on the abrasive grain geometrical characteristics and the cutting force at Abrasive Flow Machining of aluminum alloy details.
Keywords: aluminum alloy, Abrasive Flow Machining, work medium, active abrasive grains, microcutting.
Конструктивные особенности некоторых деталей летательных аппаратов (ЛА) характеризуются наличием сложнопрофильных и труднодоступных для инструмента поверхностей, что затрудняет достижение требуемого качества поверхностного слоя. В ряде работ [1; 2] предложено использовать для обработки подобных деталей метод абразивно-экструзионной обработки (АЭО) [3; 4] и приведены результаты исследований по обработке деталей, изготавливаемых из жаропрочных, коррозионно-стойких легированных сталей. Но анализ конструкций ЛА показал, что велика доля деталей, изготавливаемых из алюминиевых сплавов (крыльчатки и корпуса насосов ТНА, детали автоматики и рулевых машин и др.) [5; 6]. Распространенность алюминия в самолето- и ракетостроении объясняется его физико-механическими свойствами: низкой плотностью и хорошими прочностными характеристиками его сплавов, хорошей коррозионной стойкостью в атмосфере и среде многих органических кислот, высокой тепло- и электропроводностью.
Исследование проведено с целью рассмотрения возможности использования метода АЭО для обработки деталей из алюминиевых сплавов.
Данный метод характеризуется тем, что резание производится микро- и субмикровыступами абразивных зерен (АЗ), помещенных в вязкоупругую среду
и экструдируемых под давлением вдоль обрабатываемой поверхности.
Для расчета режимов резания необходимо определение нормальной и касательной составляющих силы микрорезания, достаточной для удаления заданного слоя материала или снижения шероховатости (снятия гребешков микронеровностей) [7]. Исследование особенностей контактных взаимодействий при АЭО [8; 9] показало, что глубина царапины и вид взаимодействия (микрорезание, упругое или пластического деформирование) зависит от материала обрабатываемой детали, характеристик его поверхностного слоя, геометрических характеристик АЗ (зернистости, углов при вершине микро- и субмикровыступов, радиусов скруглений) и силы прижатия зерна к обрабатываемой поверхности.
Для проведения исследования имитировался процесс микрорезания единичным АЗ с целью выявления зависимости эффективности резания от геометрических характеристик АЗ и режимов обработки, что позволило определить необходимый вид абразива.
Имитация контакта при микрорезании единичным АЗ выполнялась на установке МР-2 (рис. 1) со ступенчатым нагружением индентора. Геометрические параметры АЗ моделировались с помощью сменных конических инденторов, изготовленных из сплава
Технология и мехатроника в машиностроении
Т15К6 с углами заточки, которые при анализе статистических данных [10] были выявлены в качестве наиболее характерных для углов микровыступов АЗ.
Расчет глубины царапины кц проведен по ширине Ьц (рис. 2, а) с учетом геометрических характеристик индентора, в том числе его радиуса скругления.
При резании образцов наблюдалось незначительное отделение стружки, зоны врезания в начале и пластического деформирования - в конце, а также навалы по длине царапины (рис. 2, б, в) из-за перераспределения материала вследствие пластического деформирования.
Рис. 1. Установка МР-2: 1 - приспособление; 2 - образец; 3 - индентор; 4 - сменный груз; 5 - шток; 6 -привод
а б в
Рис. 2. Царапины на образце (х150) при резании индентором с углом 90о, нагружение 5,0 Н: а - определение ширины царапины; б - зона пластического деформировании; в - зона врезания индентора
1
0.9' 0.8' 0.7' 0.6' 0.5' 0.40.3' 0.2' 0.1
^И, мм
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10'
1 2 3
Рис. 3. Зависимость глубины царапины кц от силы прижатия Р и угла заточки индентора у:
1 - 60о; 2 - 90о; 3 - 120о
После математической обработки результатов эксперимента получена зависимость эффективности резания алюминиевого сплава от исследуемых параметров:
h = 0,535-0,84-10-2 -у + 0,0172• Р + 0,4-10-4 -у2 +
+ 0,64-10-2 • Р2 -3,6-10-4-у-Р,
которая позволяет определить зернистость абразива и силу прижатия единичного абразивного зерна Р (нормальную составляющую силы резания).
Эксперимент показал (рис. 3), что глубина царапины при микрорезании возрастает с уменьшением угла заточки индентора и увеличением силы прижатия единичного АЗ к обрабатываемой поверхности. Замечено также, что при резании индентором с острым углом образование царапины происходит за счет микрорезания, а с увеличением угла заточки наблюдается увеличение доли пластического деформирования в объеме контактных взаимодействий.
Библиографические ссылки
1. Левко В. А. Абразивно-экструзионная обработка: современный уровень и теоретические основы процесса : монография / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2007. 228 с.
2. Сысоев С. К. Экструзионное хонингование деталей летательных аппаратов: теория, исследования, практика : монография / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2005. 220 с.
3. Pat. 3521412 US, ISC B24B 1/00, 19/00. Method of honing by extruding / McCarty R. W. ; 05.11.1965 ; 21.07.1970.
4. Pat. 105043 SG ISC B24C 3/00, 3/02, 3/04,7/00, 9/00. Abrasive flow machining apparatus, method and system / Wan Y. M. St.; 20.02.2009 ; 27.08.2009.
5. Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей : учебник / Г. Г. Гахун, В. И. Бау-лин, В. А. Володин и др. ; под общ. ред. Г. Г. Гахуна. М. : Машиностроение, 1989. 424 с.
6. Исследование, разработка и внедрение технологии и оборудования для экструзионного шлифования и полирования сложных каналов в крупногабаритных деталях от 200 до 600 мм (детали типа направляющий аппарат, крыльчатка и др.) : отчет о НИР: 0-629-84 / рук. С. К. Сысоев ; испол. : В. А. Левко, М. А. Луб-нин, Д. Б. Скороделов и др. ; Завод-ВТУЗ. Красноярск, 1986. 392 с. Рег. № 01850028567.
7. Gorana V. K., Jain V. K., Lal G. K. Forces prediction during material deformation in abrasive flow machining // Wear. 2006. Vol. 260. P. 128-139.
8. Levko V. A. Kontaktnye protsessy pri abrazivno-ekstruzionnoy obrabotke [Contact Process under Abrasive Flow Machining Processes] // Metalloobrabotka. 2008. № 3 (45). P. 19-23.
9. Anderson D., Warkentin A., Bauer R. Experimental and numerical investigations of single abrasive-grain cutting // International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2011. Vol. 51. № 12. P. 898-910.
10. Ефимова Т. С., Федотов В. В. Экспериментальное определение геометрических параметров единичной абразивной режущей кромки // Научно-техническое творчество: проблемы и перспективы :
труды IV Всероссийск. конф.-семинара (22 мая 2009, г. Сызрань). Самара : Изд-во Сам. гос. техн. ун-та, 2009.
References
1. Levko V. A. Abrazivno-ekstruzionnaya obrabotka: sovremennyy uroven' i teoreticheskie osnovy protsessa : monogr. [Abrasive Flow Machining: State of the Art and Theoretical Basis of the Process] : monografiya / Sib. gos. aerokosmich. un-t. Krasnoyarsk, 2007. 228 р.
2. Sysoev S. K., Sysoev A. S. Ekstruzionnoe khoningovanie detaley letatel'nykh apparatov: teoriya, issledovaniya, praktika: monogr [Extrusion Honing of the Aircraft Details: theory, research, practice] : monografiya / Sib. gos. aerokosmich. un-t. Krasnoyarsk, 2005. 220 р.
3. McCarty R. W. Method of Honing by Extruding. Patent US, no. 3521412, 1970.
4. Wan Y. M. St. Abrasive Flow Machining Apparatus, Method and System. Patent SG no. 105043, 2009.
5. Gakhun G. G. (Ed.), Baulin V. I., Volodin V. A. and other. Konstruktsiya i proektirovanie zhidkostnykh raketnykh dvigateley [Construction and Design of Liquid Propellant Rocket Engines]. M. : Mashinostroenie Publ., 1989. 424 р.
6. Sysoev S. K., Levko V. A., Lubnin M. A., Skorodelov D. B. and other. Issledovanie, razrabotka i vnedrenie tekhnologii i oborudovaniya dlya ekstruzionnogo shlifovaniya i polirovaniya slozhnykh kanalov v krupnogabaritnykh detalyakh ot 200 do 600 mm (detali tipa napravlyayushchiy apparat, kryl'chatka i dr.): otchet o NIR: 0-629-84 [Research, Development and Implementation of Technologies and Equipment for Extrusion Grinding and Polishing of Complex Channels in Large Parts from 200 to 600 mm (de-hoist type guide apparatus, the impeller and others): research report: 0629-84. Krasnoyarsk, Zavod-VTUZ Publ., 1986. 392 p. Reg. no 01850028567.
7. Gorana V. K., Jain V. K., Lal G. K. Forces prediction during material deformation in abrasive flow machining. Wear, 2006. Vol. 260. P. 128-139.
8. Levko V. A. Kontaktnye protsessy pri abrazivno-ekstruzionnoy obrabotke [Contact Process under Abrasive Flow Machining Processes] // Metalloobrabotka. 2008. № 3 (45). P. 19-23.
9. Anderson D., Warkentin A., Bauer R. Experimental and numerical investigations of single abrasive-grain cutting // International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2011. Vol. 51, № 12. P. 898-910.
10. Efimova T. S., Fedotov V. V. Eksperimental'noe opredelenie geometricheskikh parametrov edinichnoy abrazivnoy rezhushchey kromki [Experimental Determination of Geometrical Parameters of a Single Abrasive Cutting Edge] // Trudy IV Vserossiysk. konf.-seminara «Nauchno-tekhnicheskoe tvorchestvo: problemy i perspektivy». Samara, Samara State Techn. University Publ., 2009.
© Сысоева Л. П., Сысоев А. С., Шарова Н. В., 2017
