автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Повышение эффективности процесса виброабразивной обработки за счет управления циркуляционными потоками инструмента

ох/ / - / / ¥ - /

ьг 1 * ¿г * / ^^ ( ^

Донской государственный технический университет

На правах рукописи

Волков Руслан Валентинович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА ВИБРОАБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКИ ЗА СЧЕТ УПРАВЛЕНИЯ ЦИРКУЛЯЦИОННЫМИ ПОТОКАМИ ИНСТРУМЕНТА

Специальности: 05.03.01 - Процессы механической и физико-технической

обработки, станки и инструменты. 01.02.06 - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры.

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Научный руководитель заслуженный деятель науки и техники РФ, член-корр. РАТН, д.т.н., профессор

БАБИЧЕВ А.П. Научный консультант д.т.н., профессор ГРЯЗНОВ Б.Т.

Ростов-на-Дону 1999 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ...........................................................................4

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ....................................................6

1.1. Обзор работ в области виброабразивной обработки.........................6

1.2. Анализ устройств и способов управления циркуляционными потоками рабочей среды - инструмента.......................................16

1.3. Разделение частиц рабочей среды - инструмента под действием вибрации на сепарирующих устройствах.....................................20

1.4. Основные аспекты математического моделирования процесса виброобработки.....................................................................23

1.5. Цель и задачи исследований.....................................................35

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВИБРАЦИОННЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ЧАСТИЦ И ЦИРКУЛЯЦИОННЫХ ПОТОКОВ РАБОЧЕЙ СРЕДЫ - ИНСТРУМЕНТА........................37

2.1. Построение модели вибрационных движений частиц и циркуляционных потоков рабочей среды - инструмента.

Начальные условия......................... ...............................37

2.2. Исследование вибрационного движения частиц в рабочей камере

со встроенным разделительным устройством................................38

2.3. Исследование дискретной модели процесса виброабразивной обработки.............................................................................43

ГЛАВА 3. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВИБРОАБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКИ..........................................65

3.1. Численное представление кинематических параметров модели.........65

3.2. Задание начальных условий и параметров математической

модели.................................................................................72

3.3. Численное моделирование скоростных параметров процесса виброабразивной обработки в камере со вставкой..........................73

ГЛАВА 4. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.........................................................82

4.1. Технологическое оборудование. Рабочая камера...........................82

4.2. Приборы и приспособления, устройство управления циркуляционными потоками рабочей среды..................................................82

4.3. Исследуемые материалы и образцы деталей.................................86

4.4. Рабочие среды и технологические жидкости.................................90

4.5. Методика исследований. Обработка результатов эксперимента.........90

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УПРАВЛЯЮЩИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ЦИРКУЛЯЦИОННЫЕ ПОТОКИ РАБОЧЕЙ СРЕДЫ - ИНСТРУМЕНТА..........................94

5.1. Исследование циркуляционного движения рабочей среды в

камере с различными вставками................................................94

5.2. Исследование давления в вибрирующей абразивной рабочей среде... .97

5.3. Рекомендации по проектированию многоцелевых рабочих камер......98

ГЛАВА 6. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА ВИБРОАБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКИ ПРИ УПРАВЛЕНИИ ЦИРКУЛЯЦИОННЬВ/Ш ПОТОКАМИ......................................100

6.1. Технологические показатели эффективности процесса виброабразивной обработки..................................................................100

6.2. Интенсификация съема металла при управлении циркуляционными потоками....................................................................101

6.3. Интенсификация процесса формирования параметров шероховатости.....................................................................118

6.4. Интенсификация процесса вибросепарации деталей от абразивных частиц рабочей среды.............................................................119

6.5. Интенсификация процесса выгрузки деталей в бункерное устройство..........................................................................120

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ................................................................122

ЛИТЕРАТУРА......................................................'...............123

ПРИЛОЖЕНИЯ....................................................................138

з

ВВЕДЕНИЕ

Большой объем работ в общем цикле машиностроительного производства составляют отделочно-зачистные операции деталей сложной формы. Процессы виброабразивной обработки крупных деталей с закреплением широко применяются для повышения усталостной прочности и долговечности, виброабразивная обработка мелких деталей применяется для улучшений декоративного вида. Одним из направлений повышения эффективности отде-лочно-зачистной и декоративной полировочной виброабразивной обработки без повышения интенсивности амплитуды колебаний является управление циркуляционными потоками вибрирующей рабочей среды. Поэтому проблема повышения эффективности процессов виброабразивной обработки деталей сложной формы по-прежнему остается актуальной.

Рабочие камеры с прямоугольной формой в плане и и-образной формой в вертикальном сечении широко используются на самых различных операциях виброабразивной обработки. Однако вибрационные станки с этим типом рабочих камер имеют верхнюю зону слабой обработки и не позволяют осуществить ускоренную выгрузку обрабатываемых деталей, предусматривающую их автоматическое отделение от обрабатывающей среды.

В настоящее время решающая роль в создании многоцелевой камеры и повышения эффективности процесса виброабразивной обработки, принадлежит развитию математических методов моделирования.

Настоящая диссертационная работа посвящена разработке новой схемы вибрационной камеры, отвечающей вышеизложенным требованиям и разработке алгоритмов и программ моделирования процесса виброабразивной обработки, разработке способов управления циркуляционными потоками вибрирующей рабочей среды с деталями.

Цель исследований заключается в повышении эффективности процесса виброабразивной обработки деталей за счет управления циркуляционными потоками рабочей среды - инструмента.

Задачи исследования: теоретическое исследование вибрационных перемещений и циркуляционных потоков рабочей среды-инструмента; численное моделирование процесса виброабразивной обработки; исследование управляющих воздействий на циркуляционные потоки рабочей среды; исследование эффективности процессов виброабразивной обработки при управлении циркуляционными потоками.

Методика исследований. На основе анализа движения загрузки разрабатываются физическая и математическая модели движения частиц загрузки в камере эллипсной формы со вставками. Составляются параметрические и дифференциальные уравнения. Разрабатываются алгоритмы и программы для численного моделирования скоростных и технологических параметров

процесса виброабразивной обработки; выявляются зоны интенсивности обработки. Экспериментально исследуются скорость циркуляции, съем металла и шероховатость, время сепарации и выгрузки обработанных деталей.

Научная новизна включает в себя. Физическую и математическую модели движения частиц рабочей среды с расположенными в ней без закрепления обрабатываемых деталей и камеры со встроенными разделительной и интенсифицирующей вставками при следующих допущениях: постоянной скорости циркуляции; безотрывного движения пограничного слоя рабочей среды по поверхности камеры; независимости циркуляционного и вибрационного перемещения; правомерности принципа остановки одного из объектов технологической системы и совершении другим объектом сложного суммарного движения. Методику и алгоритм численного моделирования на ЭВМ скоростных и технологических параметров процесса виброабразивной обработки при управлении циркуляционными потоками рабочей среды - инструмента в камере со вставками. Закономерности изменения интенсивности съема металла и шероховатости; времени сепарации и выгрузки деталей, давления в рабочей среде при управлении ее циркуляционными потоками.

Практическая ценность работы. Разработана и опробована новая схема вибрационной камеры эллиптической формы с интенсифицирующими и сепарирующими вставками. Разработаны методы численного моделирования и расчета характеристик рабочих камер. Выявлены зоны интенсивности виброабразивной обработки деталей без закрепления. Разработаны способы управления циркуляционными потоками вибрирующей рабочей среды и рекомендации по проектированию конструкций многоцелевых рабочих камер.

Технологические процессы виброабразивной обработки в новой многоцелевой камере со встроенными разделительным интенсифицирующим и сепарирующим устройствами внедрены на НПП «Синтез» г. Ростов на Дону.

Основные результаты работы доложены на научно-технической конференции «Современные проблемы машиностроения и технический прогресс» (г. Севастополь, ДГТУ, 1996 ); на 21-м заседании семинара по проблеме «Применение низкочастотных колебаний в технологических целях» (г. Ростов-на-Дону, ДГТУ, 1997 ).

Основные материалы диссертации представлены в пяти печатных работах, в том числе 3 - в межвузовском сборнике, 2 - в тезисах докладов международной конференции.

Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, общих выводов, списка литературы из 236 наименований,приложения и изложена на 137 страницах машинописного текста, содержит 94 рисунка и 18 таблиц.

ГЛАВА1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ

ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Обзор работ в области виброабразивной обработки.

Создание рабочих камер для реализации технологических операций виброабразивной обработки включает в себя оптимизацию формы ее внутренней полости, а также конструирование узлов навесного оборудования необходимого для управления циркуляционными потоками и выполнения разделительных операций. В этой связи рабочие камеры должны удовлетворять условиям образования устойчивых замкнутых циркуляционных потоков и вибрационных перемещений по всему объему рабочей среды. При этом навесные устройства выполняют функции управления потоками, разделения деталей от рабочей среды, повышения интенсивности обработки.

Наиболее широкое применение получили конструкции рабочих камер с Ц-образным сечением. Достоинством этих устройств является компактность, доступность к обслуживанию, относительно высокая циркуляционная скорость рабочей среды, а, следовательно, минимальное время виброобработки. Нижний профиль сечения таких камер выполняется в виде полуокружности или полуэллиптической формы. В последнем случае процесс виброабразивной обработки дополнительно интенсифицируется за счет повышения участка вибротранспортирующей поверхности. К недостаткам конструкций и-образных камер можно отнести значительное ослабление динамического давления в верхних слоях рабочей среды, а также вероятность ослабления колебаний и циркуляции частиц рабочей среды и обрабатываемых деталей в центральной части И-образного сечения. Последнее обстоятельство связано с особенностью формирования циркуляционных потоков рабочей среды, что может вызвать неудовлетворительную обработку отдельных образцов деталей.

К другим типам рабочих камер с «замкнутым» характером циркуляции рабочей среды и обрабатываемых деталей относятся торовые круглые, торо-вые ограненные, спиральные и винтовые типы рабочих камер. Принципиального различия протекания процесса виброабразивной обработки в этих камерах в работах не отмечается. Главным достоинством этих конструкций являются возможность обработки деталей по трем координатным направлениям, где обеспечивается хорошая всесторонняя обрабатываемость, а также улучшение условий эксплуатации оборудования. Последний момент подразумевает возможность встраивания в них сепарирующих устройств для автоматического разделения деталей при обработке по схеме без закрепления от частиц рабочей среды и снижения связанных с этим процессом затрат. Недос-

татками этих конструкций камер являются ослабление в некоторых зонах динамического давления рабочей среды по сечению и малая циркуляционная скорость потока среды по винтовой траектории, что позволяет интенсифицировать процесс виброобработки только до определенного предела [27]. Недостатком также являются значительные габариты этих конструкций.

Существуют также камеры барабанного типа для центробежной ротационной обработки; кулисно-рычажного типа [57]. Эти виды конструкций и устройств созданы для достижения необходимого качества изделий и оптимально возможной интенсификации процесса виброобработки [19]. Недостатком последних видов конструкций остаются максимальные габаритные размеры, ограничивающие их применение, а также ограниченная долговечность и надежность шарнирно-рычажных механизмов. Иногда на виброустановках типа УВГ в прямоугольных камерах на уровне загрузки рабочей среды или с некоторым заглублением устанавливаются специальные экраны или вибрирующие вставк, способствующие повышению интенсивности процесса виброобработки и равномерности обработки. Подробнее способы и устройства для интенсификации процесса виброабразивной обработки представлены в разделе 1.2.

Во многих из приведенных выше виброустановок и камерах различной формы можно применить такие технологические операции виброобработки, как мойка и очистка деталей от загрязнений, удаление окалины и продуктов коррозии, нагара, накипи, грата при литье, заусенцев при штамповке, ковке и термообработке; сйятие заусенцев и облоя; шлифование и полирование со снижением параметров шероховатости, улучшения декоративного вида; упрочнение деталей с повышением микротвердости, образованием остаточных напряжений в верхних слоях материала детали; совмещение виброобработки с нанесением покрытий благодаря наличию в рабочей среде суспензий, растворов, специальных порошкообразных материалов; обработка внутренних поверхностей отливок с недоступным расположением поверхностей для других методов отделки [88].

Существуют также разновидности виброабразивной обработки, например: виброабразивная электрохимическая обработка /ВиАЭХО/, магнито-виброабразивная обработка /ВиМгАО/, вибрационная механотермическая обработка /ВиМТО/, шпиндельная вибрационная обработка /ШВиО/ и др. Во всех этих процессах с успехом применяются различные конструкции рабочих камер со свободной обработкой деталей или с их закреплением.

Интенсивно развивается автоматизация процессов обработки /ВиАО/, в том числе и для встраивания в поточные производственные линии. Разработка конструкции рабочей камеры нового типа для автоматизированного про-

изводства с целью улучшения эксплуатации оборудования, сокращения времени подготовительно-заключительных работ по его обслуживанию предполагает создание условий для организации устойчивого циркуляционного движения рабочей среды в строго заданном направлении, а также обеспечение условий автоматического разделения деталей от частиц рабочей среды. В настоящее время этим принципам отвечают только конструкции спирально-торовых автоматизированных установок. Однако эти вибростанки обладают относительно низкой интенсивностью и позволяют обрабатывать небольшие детали. Требуется создание своего рода торового аналога в более размерном варианте. Несмотря на многообразие внутренних форм камер, в которых процесс циркуляционных перемещений происходит в вертикальной плоскости, они имеют общие закономерности вибрационного и послойного движения детали, частиц и рабочей среды в целом.

В работах [12; 13; 141] и др. представлены основные закономерности поведения рабочей среды при плоскостных и одномерных колебаниях камеры в виде вибрационных относительных и абсолютных перемещений частиц и деталей; переносного циркуляционного перемещения по замкнутому циклу; с образованием совместных и отрывных движений рабочей среды; соударений и отрыва рабочей среды от камеры. Эти режимы сохраняют свою устойчивость и стационарность при изменении амплитуды и частоты вынужденных колебаний и поджатая рабочей среды.

В [30] изложены причины возникновения «медленного» циркуляционного движения рабочей среды относительно поверхности камеры. Схему кинематики перемещения рабочей среды можно образно представить кинематической парой с внутренним зацеплением шестерен. При этом шестерней с внешним зацеплением является рабочая среда, а шестерней с внутренним зацеплением отождествляется внутренняя поверхность рабочего контейнера. Данная кинематическая схема иллюстрирует вращение всей массы рабочей среды в направлении, противоположном круговым движениям контейнера.

В [28] рассматриваются закономерности возникновения отрывного движения рабочей среды, момент времени отрыва любой частицы внутренней поверхности камеры приходится на тот этап движения, когда вертик