Введение. Достижение требуемого качества производства и эксплуатационной надежности машин и летательных аппаратов является неотъемлемым условием обеспечения технологического суверенитета России, импортоопережения и конкурентоспособности [1]. Отделочная обработка как заключительная стадия технологичного процесса производства деталей машин оказывает существенное влияние на их эксплуатационные характеристики и занимает значимую часть в структуре трудоёмкости производства [2]. Анализ состояния производственной деятельности АО «ОДК-ПМ», АО «Московский инструментальный завод», АО «ЛЗОС», АО «ГРПЗ», АО «Моринсис-Агат-КИП», ООО ЗВК «Бервел», ООО «ЗИВ», ООО «ТФП ИМПУЛЬС» и других предприятий, а также технической и научной литературы показал, что в сфере обеспечения заданного качества при реализации технологических процессов отделочной обработки деталей, имеющих сложный профиль поверхности или выполненных из материалов с особыми физико-механическими свойствами (труднообрабатываемых), имеется широкий спектр актуальных технологических проблем, приводящих к значительному росту трудоемкости. К таким деталям следует отнести лопатки ТВД, детали для суставного протезирования, детали топливной аппаратуры, инструменты для пластического деформирования, оптические изделия и другие. По отдельным группам деталей комплекс отделочных операций выполняется вручную и брак на заключительных стадиях технологичного процесса составляет до 30 %.Одним из возможных направлений повышения эффективности технологических процессов отделочной обработки является применением интенсифицирующего кавитационного воздействия на абразивные поликомпонетные среды (суспензии). А именно применение для изготовления деталей машин низкочастотной вибрационной, вихревой и присоединённой, ультразвуковой кавитации несущих сред или комбинированного способа активации с наложением ультразвукового или электроэрозионного воздействия [3]. Наличие эффекта кавитации в значительной степени увеличивает кинетическую энергию технологической среды, в которой он возникает. Что делает перспективным применение эффекта кавитации поликомпонентных сред в процессе отделочной обработки деталей машин свободным абразивом [4, 5].Методика. Сущность рассматриваемых методов отделочной обработки заключается в применении свободного абразива, получающего энергию от квитирующей технологической среды. Процесс абразивной обработки поверхности детали происходит за счет хаотичного высокоскоростного перемещения абразивных зерен. Продукты абразивного износа свободно отводится интенсивными потоками технологической среды. [6]Поликомпонентная среда содержит свободный абразив или их композицию, базовую жидкость с присадками, обеспечивающими ее необходимые физико-химические свойства. Абразивная обработка может быть комбинирована с электроэрозионной и ультразвуковой очисткой.В зависимости от геометрических особенностей обрабатываемых деталей предложено четыре технологических схемы (метода) реализации отделочной обработки:- обработка внешней поверхности малогабаритных тел вращения свободным абразивом с применением эффекта присоединенной кавитации. Ключевой особенностью такого метода обработки деталей машин свободным абразивом является использование обрабатываемой детали в качестве активатора поликомпонентной среды [7]. Технологическое устройство, квитирующая многокомпонентная технологическая среда и вращающаяся деталь образуют синергетическая систему. Процесс обработки представлен на рисунке 1.  Рис. 1. Фото процесса обработки детали свободным абразивом с применением эффекта присоединенной кавитации- отработка сквозных и глухих отверстий в малогабаритных деталях с применением вибрационной низкочастотной кавитации. Вибрационное воздействие обеспечивается использование электродинамических или вибрационных стендов. Для реализации обработки необходима разработка специальных приспособлений, обеспечивающих заполнение обрабатываемого отверстия гетерогенной средой. Пример эскиза приспособления для обработки внутренней поверхности детали представлен на рисунке 2. Рис. 2. Схема реализации механизма отделочнойобработки детали свободным абразивомс применением эффекта вибрационной кавитации - обработка внешних и внутренних поверхностей деталей сложной формы с применение эффекта вихревой кавитации. Обработка реализуется в специально разработанных устройствах, содержащих ротора для продуцирования кавитации и базовые поверхности для закрепления деталей. Данная система обработки является наиболее универсальной и может применятся для широкой номенклатуры деталей по форме, в том числе: лопатки ТВД, критические сопла, оптические изделия, инструмент для пластического деформирования. Процесс обработки оптических изделий в малогабаритном устройстве представлен на рисунке 3.  Рис. 3. Оборудование для обработки оптическихизделий свободным абразивом с применениемэффекта вихревой кавитации Также разработано устройство для отделочной обработки различных габаритных размеров, которое имеет следующие отличительные характеристики и представлено на рисунке 4:- устройство имеет группу роторов, что позволяет продуцировать эффект вихревой кавитации во всем объеме устройства;- продуцирование эффекта вихревой кавитации позволяет обеспечить равномерное распределение абразивных частиц в жидкой несущей среде и позволяет использовать образтвный материал размером фракции до 1 мм  [8];- устройство снабжено съемным вращающимся столом для закрепления деталей, что позволяет повысить равномерность обработки деталей и обеспечить удобство реализации работ по установке и снятию деталей, выполняя их вне корпуса устройства;- корпус устройства имеет отверстия для слива и наполнения, что позволяет удалить рабочую среду из устройства без съема деталей, тем самым обеспечивается возможность реализации многопериодных процессов, требующих последовательной смены размера абразивных частиц с предварительной промывкой рабочего объема корпуса устройства.Детали по одной или группой уславливаются на вешающемся столе. Благодаря возможности удалить рабочую среду из устройства без съема деталей обеспечивается возможность реализации многопериодных процессов, требующих последовательной смены размера абразивных частиц с предварительной промывкой рабочего объема корпуса устройства.Фото опытного образца устройства представлено на рисунке 4.  Рис. 4. Оборудование для реализации отделочной обработки с применением эффектавихревой кавитации  с наложением комбинированного ультразвукового или электроэрозионноговоздействия  - обработка внешних и доступных внутренних поверхностей деталей сложной формы с применение эффекта вихревой кавитации с наложением комбинированного ультразвукового или электроэрозионного воздействия. Примером может служить способ изготовления рабочих валков прокатного стана холодной прокатки, который включает отжиг, редуцирование с двукратным обжатием, закалку, шлифование, совмещенную отделочную обработку свободным абразивом и катодную обработку.После шлифования валок помещается в устройство для отделочной обработки, по конструкции соответствующее патенту RU 210921 U1. Шероховатость поверхности валка снижается с увеличением времени обработки, за 21 минуту работы достигается шероховатость поверхности Ra 0,1 мкм. Режимы отделочной обработки, совмещенной с анодной: частота вращения роторов nр = 14 000 мин-1; зернистость абразива – менее 10 мкм; состав рабочей среды, г/дм3: азотнокислый хром Cr(NO3)2 – 100; стеариновая кислота – 70; диметилполисилоксан – 30 (пеногаситель), полиэтиленгликоль-моноолеат – 30 (пеногаситель); плотность тока 40–70 а/дм2.Совмещенная анодная и отделочная обработка свободным абразивом с применением эффекта кавитации поликомпонентных сред позволяет значительно сократить трудоемкость процессов полирования, а также снизить концентрацию химически активных веществ, в частности азотнокислого хрома.Основная частьДля всех устройств отделочной обработки с применением эффекта кавитации в качестве рабочей среды используется гетерогенная среда следующего состава:  - жидкая несущая среда представляет собой смазывающие охлаждающие технологические среды на водной основе (используемые для процесса резания), которая занимает 15…50 % от объема свободного пространства корпуса устройства;- абразивные порошки в количестве30…65 % от объема свободного пространства корпуса устройства. Сочетание состава смеси абразивных частиц, время обработки, скорости вращения роторов и стола устройства предварительно подбирают для каждого типа деталей, в зависимости от ее формы и пробуемых параметров шероховатости поверхности. [9] В качестве жидкой (несущей) среды рекомендуется применять следующие композиции:- для обработки цветных сплавов на основе алюминия и меди: вода с добавлением 3–5 % стеариновой кислоты, лимонной кислоты, ингибиторов коррозии, цитрата натрия, NH4ПАК или NH4ПМАК; Рис. 5. Фото процесса подготовки рабочей поликомпонентной среды- для обработки сталей и сверхтвердых материалов: вода с добавлением 5 % ингибиторов коррозии, ПАВ, пеногасителей и цитрат натрия;- для обработки, совмещенной с анодной: вода, азотнокислый хром Cr(NO3)2, стеариновая кислота, диметилполисилоксан, полиэтиленгликоль, цитрат натрия, или NH4ПАК [10].При проведении оптимизации технологических параметров обработки в качестве целевой функции чаще всего используют трудоемкость, что в свою очередь вызывает необходимость получения как можно более точной математической модели зависимости времени обработки от требуемых параметров качества обработки. Представленные, в технической литературе по шлифованию и полированию инструментами на жесткой и гибкой связках, теоретические зависимости удаления металла и формирования профиля обработанной поверхности не могут без их оптимизации быть применены для определения времени обработки детали свободными абразивами в поликомпонентных средах, интенсифицируемых кавитационным воздействием. Применение поликомпонентных сред, находящихся в нестационарных условиях в свою очередь существенно усложняет вероятностную модель образования профиля поверхности как суперпозиции следов единичного режущего зерна с учетом упруго-напряженных состояний материала.   Возникает необходимость провести расчеты по упрощенным зависимостям, дающим хорошую сходимость с результатами экспериментальных исследований [11]. Наиболее технологически значимым временем отделочной обработки является период по достижения установившейся шероховатости, с заданными значениями максимальной глубины профиля [12].Учитывая результаты прогнозирования времени отделочной обработки, изложенные в работах М.А. Тамаркина, А.В. Сидиливой, А.П. Бабичева, основой его определения остается экспериментальное наблюдение и использование эмпирических зависимостей.Полученная и представленная в таблице 1 зависимость не противоречит сложившимся представлениям об изменении шероховатости поверхности при обработке деталей свободными абразивами и факторах производительности, влияющих на этот процесс.Выбор метода отделочной обработки и назначение основных его характеристик может быть реализован на основании следующей таблицы 2.Одним из ключевых факторов, определяющих взаимодействие абразивной частицы и обрабатываемой поверхности, является определение вероятностной модели удаления материала в зоне обработки.Зона обработки представляет собой область взаимного проникновения абразивных частиц в обрабатываемый материал.  Таблица 1 Производительность отделочной обработки свободным абразивомГруппа по ISOПодгруппа по ISOДиапазон предела прочности на растяжение н/мм2Диапазон твердости, НВМатериал представительВеличина съёма материала в единицу времени при обработке АСМ 60/40, мкм/минР низкоуглеродистая сталь420125Ст 201,8средне и высокоуглеродистые стали360–650125-220Ст 451,8легированные и инструментальные стали650–1000200-325Х12МФ1,2М Аустенитная нержавеющая сталь540–70018012Х18Н10Т0,85NАлюминиевые и магниевые сплавы30060–100АМг62,75Стеклонаполненный полиамид350–«Акулон»1,9Углерод-углеродный композиционный материал1200400 0,2SЖаропрочные сплавы на основе никеля направленной кристаллизации1450–1800350-400ЖС-360,25Титановые сплавы265–490 ВТ-10,3НЗакаленная сталь80055 HRC40Х0,45-Теплозащитные керамические и специальные покрытия –350-400ПНХ20К20Ю13 + ZrO2Y2O30,18  К значимым параметрам состояния зоны обработки при отделочной обработке свободным абразивом относятся [13,14]:- соотношение удаленной и неудаленной частей металла;- динамические параметры несущей среды, подвергаемой воздействию эффекта кавитации;- переходные гидродинамические процессы в граничных областях контакта многокомпонентной среды с заготовкой, оборудованием;- процессы тепловыделения;- процессы пластических деформаций обрабатываемого материала,- процессы износа и разрушения абразивного материала;- процессы физического и химического воздействия многокомпонентной среды с обрабатываемым материалом.В основе подхода рассматривается гипотеза, что шероховатость при отделочной обработке формируется за несколько последовательных контактов поверхности с абразивной частицей. При Основные соотношение и эмпирические степенные коэффициенты определения шероховатости вышеизложенных положений определены и подробно проанализированы в работах                           Ю.К. Новоселова, Б.М. Малкина и А.Г. Суслова и других исследователей [5, 15]. Учитывая физические процессы обработки свободным абразивом в жидкости, для определения шероховатости при реализации процесса отделочной обработки свободным абразивом в жидкости предложим эмпирическую зависимость, представленную формулой [1].Ra=0,25Hф0.6Kc0.4Vср.0.4n30.4ρ0.2                      (1) Kc – коэффициент стружкообразования (он показывает, что не весь материал удаляется из объема риски, а часть его вытесняется и образует по краям риски навалы); n3  –концентрация абразива единиц/мкм2; Hф – значение фактической глубины слоя, в котором распределена шероховатость поверхности, мкм; Vср.– средняя скорость несущей жидкости м/с; ρ  – радиус при вершине абразивного зерна, мкм; Для отделочной обработки свободным абразивом в жидкости примем Kc = 0,2 [16].Учитывая применение кавитационных гидродинамических процессов значение фактической глубины слоя, в котором распределена шероховатость поверхности, определим экспериментально для различных диапазонов зернистости абразивного зерна. Исходя из того что, максимальную абразивную способность, из размариваемых далее материалов, имеют зерна АСМ и АС эксперименты по определению фактической глубины слоя, в котором распределена шероховатость проведем для наиболее часто используемых абразивных материалов, часть из которых представлено в таблице 3. Таблица 2Систематизация методов отделочной обработки и основные параметра качества при их реализацииМетодХарактеристика поверхностиРекомендуемый диапазон шероховатости поверхностиОтклонения формы поверхностейРекомендуемый диапазон квалитетов точности линейных размеровМетод финишной обработки внутренних поверхностей свободным абразивом с применением эффекта вибрационной кавитацииВнутренние поверхности с переменным радиусом, сквозные и глухие отверстия диаметром более 0,4 мм, без ограничения соотношения L/D. Ra 0.8 – 0.16Бочкообразность не более 0,05 мм Выпуклость торца (дна) не более 0,05 мм7 – 8Метод финишной обработки зубчатых колес свободным абразивом с применением эффекта вихревой кавитацииЗубчатое колесо, вал шестерня с модулями от 0,5 до 2Ra 1.0 – 0.486 – 8 класс точностиМетод финишной обработки оптических изделий свободным абразивом с применением эффекта вихревой кавитацииТела, имеющие возможность механического крепления за необрабатываемую поверхность, с габаритными размерами, не превышающими 200 мм. Ra 0.1 – 0.016Скругление острых кромок не более 0.05 ммВыпуклость не более 0.01 ммМетод обделочной обработки деталей свободным абразивом с применением вихревой кавитацииВнешняя и внутренняя поверхность с габаритными размерами пазов и глухих отверстий более 1,2 мм, а также соотношении L/D не более 2,5.Тела, имеющие сквозные отверстия диаметром более 1,2 мм при соотношении L/D не более 4.Ra 1.6 – 0.1Скругление острых кромок не более 0,05 мм Выпуклость не более 0,01 мм6 – 8Метод обработки малогабаритных, осесимметричных деталей на основе активационного воздействия присоединенной кавитацииМожет быть обработана внешняя поверхность осесимметричных деталей. Обработка пазов не предусмотренаRa 0.63 – 0.16Конусообразность не более 0,05 мм 7 – 8Метод обделочной обработки деталей свободным абразивом с применением вихревой и ультразвуковой кавитацииВнешняя и внутренняя поверхность с габаритными размерами пазов и глухих отверстий более 0,8 мм, а также соотношении L/D не более 2,5.Сквозные отверстия диаметром более 0,8 мм при соотношении L/D не более 4.Ra 1.0 – 0.016Скругление острых кромок не более 0.05 мм5 – 8 Таблица 3  Значение фактической глубины слоя,в котором распределена шероховатостьповерхности, в зависимости от размера абразивного зернаЗначение фактической глубины слоя, в котором распределена шероховатость поверхности, мкмМарка и размер абразивного зерна, мкм1,94АСМ 40/603,02АС-6 160/2003,44АС-32 315/250 Средняя скорость несущей жидкости может быть определена в результате моделирования кавитационных процессов и зависит от значительного количества переменных и находится в пределах от 80 до 300 м/с. Значения средней скорости воды как несущей среды, без учета ПАВ имеют следующие значения, представленные в таблице 4.Таблица 4 Значения средней скорости несущейжидкости, для развитой кавитации,в зависимости от способа ее образованияVср.– средняяскорость несущей жидкости м/с,для развитой кавитацииСпособ образования кавитации, для устройств, описанныхв главе 3110Вибрационная85Присоединенная250Вихревая  Таблица 5Расчётные значения степенного коэффициента показателя объемной концентрацииабразиваРасчётный степеннойкоэффициент показателяn – объемная концентрация абразива в %Марка и размерабразивного зерна, мкмФактическаяустановившаясяшероховатость, RaВремя обработки, мин0,24АСМ 4/160,256200,2АСМ 40/600,617200,18АС-6 160/2001,684150,16АС-32 315/2502,45115Среднее арифметическое значение степенного коэффициент показателя n – 0,2 Для определения эмпирических коэффициентов проведена серия экспериментов по обработке деталей, выполненных из стали У8А, свободным абразивом с применением эффекта вихревой кавитации, данные представлены в таблице 5. Степенные показатели других переменных, предложенные Ю.К. Новоселовым для определения шероховатости при шлифовании, используются без изменений.ВыводыВ статье впервые систематизирована связь режимов отделочной обработки свободным абразивом с применением эффекта кавитации с параметрами качества и конструктивными особенностям оборудования для реализации ее реализации. Определены рекомендации по выбору метода отделочной обработки свободным абразивом  в зависимости от габаритных и конструктивных особенностей обрабатываемых деталей.Технико-экономическая эффективность внедрения рассматриваемых методов отделочной обработки свободным абразивом с применением интенсифицирующего кавитационного воздействия на поликомпонентные среды обусловлена следующими факторами:- оборудование для реализации кавитационной отделочной обработки имеет технологичную и простую конструкцию, а соответственно низкую стоимость производства и обслуживания по сравнению с классическим металлорежущим оборудованием;-  минимизация трудоемкости отделочной обработку деталей, имеющих сложный профиль поверхности и выполненных из материалов с особыми физико-механическими свойствами, по сравнению с широко применяемыми в промышленности методами; - возможность регенерации абразивных материалов и технологических сред, позволяет обеспечить их многократное применение и высокий период стойкости.Использование интенсифицирующего кавитационного воздействия на жидкие несущие среды позволяет использовать уникальные абразивные свойства сверхтвёрдых порошков кубического нитрида бора и синтетических алмазов. Таким образом, предлагаемая методология отделочной обработки может быть практически применена в единичном и серийном производстве при обработке, имеющих сложный профиль поверхности или выполненных из труднообрабатываемых материалов, в том числе: лопатки двигателей, детали для суставного протезирования, детали топливной аппаратуры, инструменты для пластического деформирования, оптические изделия и другие.