автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Вибрационная обработка на станках импульсного действия



На правах рукописи

КОЛЬЦОВ ВЛАДИМИР ПЕТРОВИЧ

ВИБРАЦИОННАЯ ОБРАБОТКА НА СТАНКАХ ИМПУЛЬСНОГО ДЕЙСТВИЯ

Специальности: 05.02.08 - Технология машиностроения 05.03.01 - Процессы механической и

физико-технической обработки, станки и инструмент

Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

Иркутск - 1998

Работа выполнена в Иркутском государственном техническом университете

Научный консультант - заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Промптов А.И.

Официальные оппоненты: член-корреспондент РАТН, заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Бабичев А.П.

действительный член АЕ, доктор технических наук, профессор Короткое А.Н.

доктор технических наук, профессор Репецкий О.В

Ведущее предприятие - производственное объединение "Восток"

Защита состоится " 29 " мая 1998 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета Д063.71.04 Иркутского государственного технического университета по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, ауд. И221

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Иркутского государственного технического университета

Автореферат разослан "21" апреля 1998 г.

Учёный секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

Р.В. Макаров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Одним из эффективных решений проблемы улучшения внешнего вида и повышения эксплуатационных характеристик выпускаемых изделий в машиностроении является использование объёмной вибрационной обработки. Высокие показатели универсальности, производительности и качества поверхности обработанных деталей прочно закрепили за ней место среди перспективных способов финишной доводки деталей и обеспечили постоянное внимание отечественных и зарубежных исследователей и производственников. Трудами А.П. Бабичева, Ю.В. Димова, Б.Н. Карташова, Ю.Р. Копылова, Ю.М. Кулакова, Г.В. Литовки, Ю.М. Самодумского, А.П. Сергеева, Л.И. Сердюка, А.П. Субача, М.А. Тамаркина, В.О. Трилисского, В.Б. Трунина, В.П. Устинова, М.Е. Шаинско-го и других исследователей созданы научные основы методов обработки свободными абразивами, отражены тенденции и направления развития вибрационной технологии и оборудования. Результаты этих работ существенно расширили область использования и подняли производительность технологических операций. Вместе с тем возможности существующих технологий и оборудования вибрационной обработки в значительной мере исчерпаны. Очевидна целесообразность отхода от традиционного использования гармонических колебаний рабочей камеры. Как перспективное направление можно рассматривать реализацию принципа локальной импульсной передачи энергии в массу загрузки. На него указывают в ряде теоретических работ и упомянутые выше авторы. Импульсные колебания успешно применяют во многих отраслях, например, в горной промышленности.

Остаётся открытым вопрос оснащения многономенклатурного производства мелких деталей станками с высокой технологической гибкостью. Поэтому создание высокопроизводительной широкоуниверсальной отделочно-зачистной технологии и оборудования с высокими эксплуатационными характеристиками является актуальной задачей. Изложенное и стало основанием для выполнения реферируемой работы. Она проведена в соответствии с межвузовской программой 'Тесурсосберегающие технологии машиностроения". В 1992 - 1994 годах работа проводилась в рамках договора с Малым государственным предприятием "Фонд изобретений России" .

Цель работы - создание теоретической базы, оборудования и технологии высокопроизводительной вибрационной обработки, реализующих принцип локальной импульсной передачи энергии в массу загрузки.

Научная новизна. Предложен и обоснован принцип импульсной локальной передачи энергии в массу загрузки для вибрационной обработки. Конструктивная реализация предложения нашла выражение в исполнении станков с неподвижной рабочей камерой, имеющей эластичное дно, обкатываемое роликами.

Разработаны теоретические основы вибрационной обработки с импульсной локальной передачей энергии в массу загрузки.

Раскрыт механизм силового взаимодействия компонентов загрузки в условиях разработанного варианта исполнения рабочей камеры. Построены кинематическая и динамическая модели перемещения частиц в рабочей камере, позволяющие анализировать влияние режимов и условий обработки на выходные параметры колебательного процесса, рассчитать кинематические и геометрические характеристики оборудования.

Экспериментальными исследованиями установлены зависимости перемещений, скоростей и ускорений эластичного дна и частиц загрузки от конструктивных и режимных параметров станка.

Получены зависимости производительности и качества обработанной поверхности деталей от основных технологических параметров предложенного оборудования.

Практическая ценность работы. Разработаны конструкции универсальных станков импульсного действия однокамерного и многокамерного исполнения. Для станков определены области использования, технологические возможности и допустимые диапазоны регулирования режимных параметров. Приведены конкретные технологические рекомендации для обработки большой номенклатуры деталей.

Созданы конструкции станков импульсного действия, обладающие расширенными технологическими возможностями и возможностями программного управления и способ обработки абразивным зерном в жидкости. Конструктивные и технологические решения защищены 11 авторскими свидетельствами и патентами. ;

Предложена технологическая модель станка для вибрационной обработки, представляющая совокупность зависимостей производительности и качества поверхности типовых деталей в пределах факторного пространства для этого станка. Она может быть задана в табличной форме или прилагаться к паспорту станка на дискете или компакт-диске с пакетом программ для расчёта оптимальных режимов на персональном компьютере. Разработана методика построения технологической модели, как базы для решения основных задач оптимизации режимов вибрационной обработки.

Реализация результатов работы. В 1988 - 92 г.г. в опытном производстве ИрГТУ изготовлено 11 шестикамерных станков. Внедрение пяти из них на Иркутском релейном и Ижевском электро-механическом заводах при выполнении хоздоговорных работ показало, что реальный экономический эффект при обработке малогабаритных деталей на этих заводах составляет более 9 тыс. руб. на ед. оборудования. Опыт использования станков импульсного действия подтвердил их эффективность при обработке малогабаритных и особенно плоских деталей. Станки показали высокую производительность, надёжность в работе, удобство эксплуатации, технологическую гибкость, низкий уровень вибраций и шума. При этом стойкость эластичного дна рабочих камер составила более 1200 часов.

Остальные станки реализованы предприятиям по договорам о поставке.

Под руководством автора и с использованием основных положений его концепции подготовлены и защищены две кандидатские диссертации.

Автор защищает:

• принцип локальной импульсной передачи энергии в массу загрузки, как одного из перспективных путей повышения производительности вибрационной обработки, и его конструктивную реализацию с рабочим органом в виде эластичной оболочки, обкатываемой роликами,

• конструкцию станка для вибрационной обработки с неподвижной рабочей камерой, имеющей эластичное дно, обкатываемое роликами;

• результаты аналитического исследования силового поля рабочей камеры вибрационного станка импульсного действия;

• методику исследования кинематики и динамики предложенного оборудования;

• кинематическую модель станка в виде зависимостей показателей колебательного движения дна от конструктивных и режимных параметров станка;

• динамическую модель обработки, выражающую зависимость силовых взаимодействий в загрузке от конструктивных и режимных параметров станка;

• результаты теоретических и экспериментальных исследований кинематики и динамики дна и загрузки, производительности и качества работы станков, их эксплуатационные характеристики;

• универсальный вибрационный станок импульсного действия и варианты исполнения станков для вибрационной обработки, реализующих импульсный локальный способ передачи энергии в массу загрузки;

• технологическую модель станка в виде зависимостей производительности и качества обработанной поверхности типовых деталей от параметров станка (и методику для её построения), как основную характеристику станка и базу для определения оптимальных условий обработки конкретных деталей.

Апробация и публикация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на региональных, республиканских, союзных и международных научно-технических конференциях и семинарах в городах Иркутске (1973, 1979, 1983, 1987, 1988, 1990, 1995, 1996, 1997), Красноярске (1996), Кургане (1990), Минске (1975), Пензе (1995, 1996), Ростове-на-Дону (1973, 1978, 1987, 1988, 1995, 1997), Рыбинске (1994), Тольятти (1983), Туле (1987), Санкт-Петербурге (1992) и Уфе (1994). Работа в целом была доложена на научном семинаре факультета технологии и компьютеризации машиностроения Иркутского государственного технического университета, региональном научно-техническом семинаре "Применение низкочастотных колебаний в технологических целях" в г. Ростове-на-Дону, семинаре кафедры "Технология машиностроения" Воронежского технического университета, По теме диссертации опубликовано 47 работ, в том числе 11 авторских свидетельств и патентов.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6-и глав, основных выводов и результатов, списка литературы и 8 приложений. Она содержит 176 страниц текста, 74 рисунка, 28 таблиц. Общий объём диссертации 230 страниц и 8 страниц приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Проведенный анализ состояния и перспектив вибрационной технологии показал, что, несмотря на значительные достижения в области исследования, промышленного использования, создания новых способов и оборудования дальнейшее её развитие и распространение встречает известные трудности. Традиционно используемые в производстве вибрационные станки с инерционным типом вибратора имеют ряд недостатков. Динамические характеристики существующих станков накладывают ограничения по мощности и параметрам режима колебательного движения. Весьма сложна точная установка параметров колебательного движения или закона управления ими. Высок уровень вибраций и шума работающего оборудования. В многоконтейнерных станках невозможно задание индивидуальных режимов колебательного движения в каждом контейнере, что затрудняет их использование в многономенклатурном производстве. В связи с изложенным резервы известных и широко используемых путей повышения эффективности в значительной степени были исчерпаны.

Решение проблемы было найдено в замене гармоничного характера колебаний рабочей камеры на импульсный. Импульсные колебания загрузки могут быть получены и на существующих станках с инерционным вибратором и установленной на упругих опорах рабочей камерой, но имеющийся опыт исследования и использования вибрационной технологии показывает невозможность получения в этом случае эффективного импульсного режима.

Полное использование преимуществ импульсного характера колебаний загрузки потребовало решения следующих задач.

1. Создание вибрационного оборудования и технологии, реализующих импульсный способ колебаний массы загрузки.

2. Выбор и обоснование конструктивного варианта схемы импульсной локальной передачи энергии в рабочую камеру.

3. Формирование и разработка теории виброимпульсной обработки. В связи с этим:

• анализ условий импульсной локальной передачи энергии от колеблющегося эластичного дна;

• аналитическое исследование распределения сил и давлений при движении гранулированной среды в неподвижной рабочей камере;

• исследование кинематики эластичного дна рабочей камеры, характера и закономерностей движения загрузки, влияния на них режима колебательного движения и других параметров процесса;

• исследование динамики взаимодействия эластичного дна с массой загрузи, частиц загрузки между собой;

4. Анализ влияния конструктивных и режимных параметров разработанных танков на величины перемещений, скоростей и ускорений колебательного движения рабочего органа, характер взаимодействия и движение частиц загрузки;

5. Определение технологических возможностей станков, выявление факто-ов, значимо влияющих на показатели производительности и качество обработки, определение пределов факторного пространства.

6. Исследование факторного пространства виброимпульсного станка. По-троение технологической модели станка и ее использование для расчета опти-1альных режимов обработки и законов управления ими.

7. Разработка промышленных вариантов виброимпульсных станков.

8. Составление рекомендаций по практическому использованию получениях результатов.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИМПУЛЬСНОЙ ЛОКАЛЬНОЙ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ В ЗАГРУЗКУ

Анализ движения частиц в массе загрузки показывает, что замена гармо-1ичных колебаний рабочей камеры на импульсные, практически ничего меняет в сарактере их взаимодействий. В то же время переход на импульсные колебания 5ызывает существенное увеличение нагрузок на конструкцию станка.

В создавшемся положении выход был найден в локальном импульсном воз-кйствии на рабочую среду. С одной стороны при локализации участка передачи ?нергии в рабочую среду при силовом воздействии на неподвижную загрузку воз-Iикает сопротивление сыпучей среды сдвигу, обусловленное действием множест-элементарных сил трения, распределённых по поверхности возможного разру-дения и направленных в сторону, противоположную сдвигающей силе. В загрузке зозрастают силы сопротивления (напряжения), при которых и происходит разрушение (сдвиг) слоев рабочей среды.. С другой стороны после сдвига происходит интенсивное перемещение отдельного объёма в общей массе абразива и деталей, тго обуславливает относительные перемещения частиц и значительные силы между ними по границе раздела подвижной и неподвижной зон

Согласно общему принципу статистического учёта напряжений, совокупное сопротивление трения, называемое внутренним трением, условно рассматривают как силу, непрерывно распределённую по поверхности возможного разрушения. Эта сила является реакцией касательных напряжений г и может быть выражена следующим образом:

я

где сгш - нормальные напряжения на поверхности сдвига,

.у - площадь сдвига,

у/- коэффициент внутреннего трения.

Таким образом, использование локального импульсного варианта передачи энергии в массу загрузки создаёт дополнительные факторы силового воздействия на содержимое рабочей камеры и снижает уровень нагрузок на узлы станка.

Неподвижное состояние загрузки в момент передачи импульса может быть обеспечено только неподвижным положением рабочей камеры, что в принципе невозможно на станке традиционной конструкции с инерционным вибратором и упругой установкой рабочей камеры. Отсюда появилась необходимость создания вибрационного станка с неподвижным контейнером и рабочим органом, обеспечивающим локальный импульсный характер передачи энергии в массу загрузки.

Анализ возможных вариантов выполнения рабочего органа с требуемыми функциями привёл к выбору в качестве вибратора колеблющейся под воздействием роликов или диска упругодеформируемой оболочки. В результате дно неподвижной рабочей камеры было выполнено эластичным, а под ним размещены подвижные ролики (рис. 1). Теперь передачу энергии в загрузку локализовали на площадке контакта ролика с дном рабочей камеры, что сократило время передачи энергии на каждом участке дна и сделало его импульсным.

Рис. 1. Схема устройства для импульсной передачи энергии в массу загрузки: 1 - неподвижная рабочая камера, 2 - эластичное дно, 3 - ролик, 4 - приводной

вал, 5 - загрузка.

Принятое решение позволило ликвидировать упругую подвеску рабочей камеры и сделать её неподвижной, а колебательные движения сообщать лишь дну и загрузке рабочей камеры. При этом амплитуду колебаний дна А определяет вели-

ина вдавливания роликов в эластичное дно камеры, а частоту колебаний час-эта прохождения роликов под дном контейнера т. е. произведение частоты вра-[еняя приводного вала п на количество роликов к , расположенных на нем

/ =ПК . (2)

По принципу работы и характеру воздействия предложенный способ пере-ачи колебаний загрузке и тип вибратора могут быть отнесены к кинематическому иду.

В первом приближении характер колебаний дна контейнера и загрузки при аботе в режимах с подбрасыванием и допущении, что при прохождении ролика онтакт между дном и роликами не прерывается, имеет вид, показанный на рис. 2. [о вертикальной оси на рисунке отложена амплитуда колебаний, а по горизон-альной оси - время, сплошной линией показана траектория колебаний дна, пунк-ирной - загрузки. Т - период импульсного колебания дна контейнера, I - время вижения загрузки. Очевидно, что соотношение между / и Г в значительной гепени определяет режим колебательного движения.

Так, если Т > то после подбрасывания масса загрузки успевает упасть на но и находится в неподвижном состоянии до подхода следующего ролика, то сть налицо основные признаки классического импульсного движения загрузки.

А

Т

* ч

* / 4

т

2

1

, к

4

о

Рис. 2. Схема колебаний дна и загрузки станка импульсного действия (первый случай): 1 - траектория колебаний дна, 2 - траектория колебаний загрузки.

Во втором случае (Т < импульс от ролика передаётся в находящуюся ещё движении разрыхленную массу загрузки. При этом у дна частицы загрузки уп-отняются, движутся с ним и подбрасываются вновь. При подбрасывании и после его уплотнённая часть загрузки сталкивается с движущимися навстречу частица-ш, разрыхляется, движение вверх прекращается, частицы начинают падать вниз и . д. Загрузка находится в состоянии близком к псевдосжиженному. Отдача энер-ии в массу загрузки будет неполной, поскольку часть пути колебания дно может

проходить без контакта с загрузкой, а при контакте движение передаётся не всей загрузке, а только её части. Эти режимы по характеру движения компонентов и воздействия на массу загрузки напоминают работу вибрационных машин с инерционным дебалансным вибратором и достаточно хорошо изучены при исследовании работы традиционных станков.

Основное принципиальное отличие первого вида режимов заключается в том, что силовое воздействие оказывается на загрузку, находящуюся в неподвижном (статическом) состоянии, что обеспечивает более полную отдачу энергии от привода станка в массу загрузки.

В связи с этим возникла необходимость подробного исследования характера и особенностей взаимодействия подвижной гранулированной рабочей среды с неподвижными поверхностями и влияния параметров этого взаимодействия на проПри построении модели загрузки была использована теория движения сыпучих материалов в трубах и бункерах. Рабочая среда была принята как элементарный объём сыпучего тела, состоящий из отдельных абсолютно твёрдых зёрен в виде шаров, перемещающихся под действием внешних сил вдоль наклонной поверхности (рис. 3).

В качестве основного параметра, характеризующего укладку, был взят "угол давления" /? шаров друг на друга. Элемент загрузки у стенки рабочей камеры рассматривали как состоящий из трёх смежных слоев: "ведущего", "ведомого" и "промежуточного". Ведомым является слой, у которого внешняя осевая сила Р = ^ Р. совпадает с вектором v скорости перемещения слоя,

а внешняя сила () = ^ противоположна скорости перемещения. Промежуточный слой располагается между ведущим и ведомым слоями, а - угол, образованный стенкой камеры с её осью; этот угол считаем величиной, не имеющей знака.

, ¿у

у = — = ± 1<£(Х - тангенс угла наклона касательной к кривои продольного

сЬ

сечения камеры; знак минус соответствует суживающейся камере.

При перемещении зернистого материала в сторону уменьшения сечений камеры шары промежуточного слоя "вклиниваются" между ведущим и ведомыми слоями и раздвигают их. При вклинивании силы взаимодействия между шарами отклоняются от общих нормалей к шарам на угол внутреннего трения угъ сторону

цессы, протекающие в массе загрузки.

возрастания угла Д а реакции стенок Л, отклоняются от нормалей к стенке на угол <р внешнего трения частиц о стенку в сторону возрастания угла а.. В результате силы между шарами составляют с осью камеры углы (Р+ ц/), а силы реакции стенок составляет с нормалью к оси камеры угол (а+(р).

Условие самоторможения было получено из предположения, что сила, приложенная к ведомому слою 0<0:

<р -а +Р - у/ >90°. (3)

Камера, предназначенная для несвободного перемещения сыпучих материалов, должна удовлетворять условию

<р -а - у/ < 90°. (4)

Распорная сила

11У = (Р + ОШ0 ±¥)- (5)

Давление сг„ на стенку камеры было выражено:

$т((] ±<р) соя а соя(р

сг=--Р = СР, (6)

2куй соэ/З соя[(Р ±<р)-(<р ±а)]

где у - радиус данного поперечного сечения камеры.

Давление сгп на стенку, выраженное через осевое давление в загрузке стг:

у (} ±цг)со$а со$(р

С7 =——-—-<т = £><т_. (7)

" 2¿созр с<я[(Р ±у)-(<р ±а) 2

Из полученных зависимостей следует, что силы и давления на стенках камеры пропорциональны осевым силам и давлениям. Они определяются углом давления шаров друг на друга Д внутренним (между шарами) и внешним (на стенках) углами трения. При этом от сочетания свойств рабочей среды, поверхности камеры (Р,%(р) и её формы (а) зависят условия самоторможения, что весьма важно, поскольку при самоторможении не происходит движение загрузки и, следовательно, обработка невозможна.

Для исследования влияния конструктивных и режимных параметров станка на силы, действующие в пространстве рабочей камеры, рассмотрели элемент загрузки толщиной <1х. В направлении Ъ элемент сжимается на его концевых сечениях силами Р и <2 = Р+<1Р. Ускорение элемента обусловлено действующими на него внешними силами: разностью (1Р-(2-Р сил, приложенных к ведущему и ведомому сечениям; элементарной реакцией стенок (окружающих элемент частиц) с1Яг на рассматриваемый элемент (точнее, суммой проекций реакций стенок на направление движения - ось камеры), силой тяжести с10 элемента. Дифференциальное уравнение движения элемента можно записать в виде

йт-а = йР - сЮ - (9)

где (1т - масса элемента;

а - ускорение элемента.

Подстановка в уравнение значений йт, а, (Ю и йЯ, выраженных через конструктивные и режимные параметры станка (рис. 5), позволяет получить дифференциальное уравнение движения элементарного объёма загрузки в рабочей камере:

¿Р у

№--= .--—¿ + £)-у 5, (10)

& &р .. где и', - угловые скорости вращения приводного вала и ролика, /<!„ - радиус от оси приводного вала до оси радиального сечения камеры, у- удельный насыпной вес загрузки.

Из полученного выражения следует, что импульсные колебательные движения дна подчиняются синусоидальному закону. При этом наибольшее влияние на параметры этого движения оказывают частота вращения приводного вала и

расстояние от приводного вала до оси сечения рабочей камеры (И„), что определяет окружную скорость ролика. Меньшее значение для параметров колебаний имеет радиус ролика.

в с Ъ

—л

»• ( ЛА X

XI } —

ГР Ур

Рис. 5. Схема взаимодействия ролика с дном кольцевой камеры

Таким образом, предложенный импульсный локальный способ передачи энергии в загрузку обусловил появление дополнительных факторов силового воздействия на содержимое рабочей камеры. Характер движения и силового взаимодействия между собой частиц загрузки определяется свойствами рабочей среды, положением и свойствами поверхности рабочей камеры.

Наибольшее влияние на силы взаимодействий в рабочей камере оказывают конструктивные и режимные параметры станка, определяющие окружную скорость ролика (т. е. и* и Н„).

КОНСТРУКЦИЯ И АНАЛИЗ ПАРАМЕТРОВ СТАНКОВ ИМПУЛЬСНОГО ДЕЙСТВИЯ

Для экспериментального исследования были разработаны и изготовлены одноконтейнерный и многоконтейнерный варианты вибрационных станков им-

ульсного действия. Оба варианта спроектированы на базе единого привода и ганины.

Кольцевую форму рабочей камеры одноконтейнерного станка однозначно иределили особенности разработанной схемы оборудования, а именно - конструкция и траектория движения осей роликов во время обработки.

Выбор- оптимальной формы камеры многоконтейнерного станка провели сспериментально. Для этого были изготовлены контейнеры цилиндрической, вадратной и сегментной формы. Полученные результаты обработки деталей из гали 45 и сплава В 95 показали, что удельный съём в контейнере цилиндриче-кой формы выше более чем на 30% по сравнению с остальными. Кроме того ус-овия эксплуатации эластичного дна круглого контейнера предпочтительнее, по-кольку при переустановке контейнера ролики воздействуют на другой участок на, что увеличивает его стойкость. Помимо этого круглый контейнер техноло-ячнее в изготовлении и удобнее в эксплуатации.

Эластичное дно рабочей камеры было выполнено выпуклым для усиления окализации воздействия на содержимое рабочей камеры.

1а рис. 6 изображён шестикамерный вариант станка, изготовленный по автор-кому свидетельству № 1397255. Рабочая камера станка изготовлена в виде кон-гйнера цилиндрической формы 1 с эластичным дном 2, установленного на плат-юрме 3. Платформа 3 закреплена в верхней части станины станка 4, которая вы-олнена сварной из стального проката. Привод колебательного движения размечи внутри станины. Он включает в себя вертикальный приводной вал 5 с ци-индрическими роликами 6, установленными горизонтально, и электродвигателя , передающего вращение приводному валу 5 с помощью клиноремённой переда-и 8. Приводной вал 5 закреплён в корпусе станка в подшипниковом узле 9. Ам-лтуду в этом станке регулируют вертикальным перемещением контейнера 1 с омощью эксцентрика 10. Таким механизмом снабжён каждый контейнер. Для чистки рабочей зоны от отходов обработки станок имеет систему циркуляции сидкости. В неё входит бак-отстойник 11, насос, трубопровод 13 и узел распреде-ения 14. В дне или стенках рабочей камеры для выхода жидкости с отходами об-аботки выполнены отверстия. Для облегчения стока жидкости из внутренней по-ости станины станок снабжён наклонным поддоном 15. Очистка поддона произ-одится через дверцу 16.

Для привода одноконтейнерного станка использовали асинхронный двига-ель, а регулировку частоты вращения приводного вала производили ступенчато -менными шкивами. В многоконтейнерном станке был установлен электрический егулируемый привод.

Эластичные днища рабочих камер изготавливали из резины марки НО-68 -1 ГОСТ 9833-73.

Технические характеристики станков приведены в таблице 1.

Таблица 1

Технические характеристики исследуемых станков

Тип станка

Наименование параметра Многоконтей- Одноконтей-

нерныи нерный

Количество контейнеров, шт. 6 1

Ёмкость контейнера, дм3 2,5; 5 50

Амплитуда колебаний, мм 0-10 0-15

Частота вращения приводного вала, с"1 0-6 2; 3; 4; 5; 6

Количество роликов привода, шт. 1;2;3;4;6 1; 2; 3; 4; 6

Мощность двигателя привода, кВт 1 1

Габаритные размеры, мм 800x1000x1200 800x1000x1200

Ёмкость бака отстойника, дм3 50 50

Диаметр контейнера, мм 150

Диаметр ролика, мм 90 90

Толщина дна, мм 10 10

Весьма важным фактором, определяющим эксплуатационные свойства станка, является износостойкость эластичных днищ контейнеров, которая в значительной степени зависит от его формы и толщины в нижней части. Экспериментально была подобрана оптимальная сферическая форма дна. При этом величина радиуса внутренней поверхности сферы выбрана большей, что обеспечивает увеличение толщины дна на наиболее нагруженном участке, т. е. в центре сечения камеры.

Для установления областей и условий рационального использования изготовленных станков проведен анализ их технологических и технических возможностей, выявлены основные факторы влияния на процесс обработки, определены направления и объёмы необходимых исследований.

Кинематический принцип обеспечения колебаний в предложенных станках предопределяет строгую зависимость выходных кинематических показателей колебательного процесса рабочего органа от входных, что в значительной степени облегчило построение аналитической модели кинематики станка.

Для геометрического описания исследуемого кольцевого контейнера его поместили в систему цилиндрических координат р, (р. ¿Г (рис. 7). Описание контейнера было выполнено системой выражений как геометрическое место точек, принадлежащих его внутренней поверхности.

Рис. 7. Кольцевой контейнер станка в цилиндрических координатах

р=К

- участок 1-2 (рис. 7)

- участок 2-3

- участок 3-4

(13)

где = (Ят + /2 " средний радиус контейнера, Н - высота контейнера.

При вдавливании ролика в эластичное дно рабочей камеры уравнение линии пересечения секущего цилиндра с поверхностью дна имеет вид (рис. 8):

г = <

0,5А, ,<р

Гд ~(Рг -К/'

в в 2 '2

(14)

в ' г

ж в. 1--°-~2 ---4 в1 п ч> .....У

}ис. 8. Развёртка сечения дна кольцевого контейнера

Для связи кинематических характеристик эластичного дна (перемещений, скоростей и ускорений) с параметрами станка вместо ср ввели обобщённую координату (р = , которая определяет угол поворота приводного вала, и в результате получили закон движения эластичного дна:

А с лтах ■ ,

0,5 А I е

2х(Кя -1 )-в,Кя 2п(Кп -1 )ЩКЯ

2Кп(л%Ъ>

(15)

где IV

4 тc1npi

сдтах

- приведённая частота колебаний,

К„ - порядковый номер ролика.

Выражение (14) фактически описывает движение волн деформации на поверхности дна рабочей камеры. Для получения законов изменения скорости и ускорения дна провели дифференцирование полученного выражения:

2 = <

0,5 А" 0,

соун'^;/ е

Аи(Кп-\)-в1Кп 2л(Кп-\) + в;Кп

¡тах 1 .

- А1 ятъ/^

(16)

(17)

0,

Аналогичная модель была построена и для многоконтейнерного станка.

Исследования модели показали, что изменения скорости точки дна опережают колебания координаты по фазе на я/2 рад, а колебания ускорения происходят в противофазе к колебаниям координаты. Значения скорости и ускорения с увеличением амплитуды изменяются незначительно. Влияние частоты вращения приводного вала на кинематические характеристики колебательного движения

существенно больше. Поэтому управление режимом движения эластичного дна посредством изменения частоты вращения приводного вала наиболее эффективно.

КИНЕМАТИКА ВИБРОИМПУЛЬСНОЙ ОБРАБОТКИ

Для регистрации траекторий движения точек эластичного дна кольцевого контейнера при работе станок был оснащён специально разработанным записывающим устройством. Поместив полученную кривую в систему прямоугольных координат ZOT, получали график вертикальных перемещений исследуемой точки во времени. С помощью графического дифференцирования полученных кривых Z-f(t) строили зависимости для скоростей и ускорений.

На рис. 9 показана экспериментальная кривая изменения положения точки дна по оси Z для кольцевого контейнера по времени (зависимость 1) при проходе ролика при режиме колебаний". и=5 с"1, Л=10 мм, Н3= 80 мм. Для сравнения показана кривая Z (4) очерченная по диаметру ролика. Там же показаны кривые скоростей и ускорений z и z, полученные графическим дифференцированием.

Рис.9. График 1- реальная зависимость, 2- реальная зависимость при

увеличении в 5 раз, 3 - аналитическая кривая, 4 - контур ролика.

Сравнение кривых 1 и 4 говорит о существенном влиянии на параметры колебаний дна его механических свойств. В приведённом на рис. 9 случае их соотношение их продолжительности достигает четырёх. В теоретическом варианте скорость движения точки дна должна возрастать от нуля до какой-то конкретной величины мгновенно, т. е. теоретические ускорения и силы имеют ударный ха-

рактер. В реальных же условиях вследствие упругих свойств эластичного дна это происходит более плавно.

При построении и исследовании кинематической модели станка в предыдущем разделе кривая деформации дна была аппроксимирована синусоидой. На рис. 9 показаны кривая 2 (увеличенная в 5 раз по оси ординат для удобства сравнения) реальной зависимости 2-/(0 и расчётная (также увеличенная в пять раз) синусоидальная кривая 3. Сравнение кривых подтвердило возможность аппроксимации колебаний дна синусоидой, что позволило аналитически связать конструктивные параметры станка с величинами деформаций дна.

Полученные значения скоростей колебательного движения рабочего органа предложенных станков в несколько раз превышают скорости колебательного движения в станках традиционных конструкций, значения которых не превышают 1м/с. Отсюда следует, что помимо факторов, обусловленных импульсной передачей энергии в загрузку, процессы взаимодействий частиц загрузки станков имеют более интенсивный характер.

Для исследования кинематики дна, кинематики и динамики частиц загрузки в цилиндрическом контейнере был создан специальный информационно-вычислительный комплекс. С его помощью преобразованный сигнал с датчика, помещённого в рабочей камере, подавали для запоминания и переработки на персональный компьютер.

Комплекс позволил определить ускорения частиц, величины их текущих скоростей и перемещений, среднюю скорость циркуляции загрузки, характеризующую количество прохождений частиц через зону интенсивного взаимодействия за регистрируемый промежуток времени.

На базе экспериментальных данных, полученных с помощью комплекса, построено и проинтегрировано дифференциальное уравнение движения частиц:

1

т

Г2 А КУ., ---В1--ты2 )С<ВМ

' 2 м>

г2Л

т

— (К- ты2)8т

б 2 IV2

+ У0 (18)

+ гу+г0, (19)

где т - масса частицы загрузки,

Уг, Ах - скорость и амплитуда колебаний связанной частицы, В, К- экспериментальные параметры,

Ко , 2о - начальная скорость и начальная координата свободной частицы в момент времени / = ?0.

В соответствии с формулами (18,19) перемещения и скорости частиц можно представить в виде суперпозиции двух составляющих: быстрой (осциллирующей) и медленной (циркуляционной).

Экспериментальные исследования движения эластичного дна цилиндрического контейнера позволили установить присутствие релаксационных колебаний. Типовая осциллограмма деформационной кривой дна представляет собой полу-

волну с амплитудой, равной величине погружения ролика в дно, с последующими релаксационными колебаниями меньшей амплитуды. Отрицательная полуволна деформации создает дополнительное разряжение в придонной области контейнера, вызывая тем самым рост напряжений в среде загрузки, и способствует интенсификации силовых взаимодействий между частицами. Чем больше объем этой области (чем больше амплитуда и период релаксационных колебаний Тр — у^, ), тем больший объём загрузки поступает в придонную зону за одно

воздействие ролика.

Дополнительная составляющая скорости циркуляции, вызванная релаксационными колебаниями дна, обратно пропорциональна времени, требующемуся для прохождения всей массы загрузки через зону интенсивных воздействий: „доп _ - _ ^Лр/пкр

УЦ ~ у ~ у ~ 2 ' ^

3 уз

где Уз - объём загрузки в контейнере;

Ар, м>р - амплитуда и частота релаксационных колебаний,

Р} - объём загрузки, численно равный деформированному объёму дна (во время прохождения отрицательной волны деформации), прошедшей через зону интенсивного воздействия в единицу времени.

Таким образом, увеличение скорости циркуляции загрузки за счет релаксационных колебаний дна контейнера можно получить посредством: увеличения амплитуды колебаний Ар\ повышения частоты вращения приводного вала /п, увеличения числа роликов кр ; уменьшения частоты релаксационных колебаний с помощью изменения геометрии и физико-механических свойств эластичного дна контейнера.

На рис. 10 показана зависимость изменения средней скорости движения частиц загрузки по глубине и поперечному сечению цилиндрической рабочей камеры, полученная с помощью информационно-вычислительного комплекса.

Исследования циркуляции загрузки провели ещё и методом парафинирова-ния, позволяющего фиксировать "мгновенно застывшую" картину движения элементов загрузки.

По результатам экспериментов были построены обобщающие схемы циркуляции загрузки для цилиндрической и кольцевой рабочих камер (рис. 11).

В результате установлено, что при предложенной схеме станка импульсного действия в центре загрузки образуется поток частиц, движущийся вертикально вверх, а вдоль стенок рабочей камеры потоки частиц движутся вниз, т. е. скорость циркуляции в поперечном сечении дважды меняет свой знак (рис. 10,11).

Таким образом, в загрузке работающего станка постоянно присутствуют потоки частиц противоположного направления, что обеспечивает интенсивное относительное перемещение слоев и интенсивное перемешивание всей загрузки в целом. Исключается образование застойных зон и, как следствие, гарантируется равномерная и одновременная обработка всех загруженных деталей.

Рис. 10. Зависимость средней скорости движения частиц загрузки от глубины погружения и поперечной координаты камеры

г?

к ы

Рис. 11. Схемы циркуляции загрузки в цилиндрической к кольцевой камерах

Как видно из рисунков, графические зависимости скоростей движения частиц имеют ярко выраженный экстремальный характер с максимумами в центре контейнера. В связи с чем можно сделать вывод о наличии поперечной составляющей градиента деформации загрузки, направленной к оси контейнера, что обусловливает возникновение сил и напряжений, способствующих осесимметрич-ному движению частиц загрузки. Как уже указывалось ранее, экстремальный вид параметрических зависимостей связан прежде всего с нелинейностью деформирования рабочего органа - эластичного дна контейнера, что вызывает неодинаковые

деформации придонного слоя загрузки. Радиальному распространению деформаций препятствуют жесткие элементы загрузки и, в конечном счёте, стенки контейнера.

В процессе обработки ударные волны, формирующиеся в придонных слоях, вызывают перемещения и интенсивные взаимодействия частиц, в результате чего передаваемая энергия уменьшается из-за потерь на трение, упругую и пластическую деформации. Значительное падение скорости частиц по мере перемещения вверх (при уменьшении глубины погружения Ни) свидетельствуют о возможном увеличении площади сечения загрузки, участвующей в передаче движения (в соответствии с углом давления р), потерь на трение и деформацию загрузки. Последнее сопровождается временным уплотнением и переупаковкой загрузки при передаче движения.

Кроме того, при продвижении частицы от придонных к поверхностным слоям загрузки уменьшаются нормальные напряжения, действующие в горизонтальной плоскости и препятствующие горизонтальному смещению частиц. При малых глубинах погружения значительная часть подводимой энергии расходуется на горизонтальное движение частицы, в связи с чем уменьшается вертикальная составляющая скорости.

По мере приближения частицы к стенке контейнера её скорость падает и становится отрицательной (частица движется вниз). Нелинейный характер изменения скорости в отрицательной зоне при больших глубинах погружения /гя=120 мм связан с возникновением в придонной области горизонтального течения загрузки в зону интенсивных воздействий и, следовательно, уменьшением вертикальной составляющей скорости.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ВИБРОИМПУЛЬСНОЙ ОБРАБОТКИ

Исследования производительности и качества обработки на вибрационных станках импульсного действия проводили с помощью комплекса классических и факторных экспериментов. В качестве критериев, позволяющих дать достаточную оценку эффективности станочного оборудования и технологии, были взяты производительность процесса и качество получаемой поверхности. Одновременно в качестве комплексного критерия, исследовали скорость циркуляции загрузки. Производительность О, оценивали величиной съёма материала с единицы поверхности в единицу времени в мм3/см2ч, шероховатость поверхности - среднеарифметической высотой микронеровностей На, скорость циркуляции Гизмеряли в с"1.

Проведённые предварительные исследования позволили выделить дня станков с кольцевым контейнером шесть, а для станков с цилиндрическими контейнерами семь основных факторов, определяющих производительность и качество виброимпульсной обработки. Это - частота вращения приводного вала п, величина вдавливания ролика в эластичное дно А, количество роликов к, высота загрузки Я, время обработки I, размер детали Вд и величина дополнительного силового воздействия (сжатия загрузки) 20.

Образцами при экспериментах служили квадратные пластинки из сплава В95Т и стали 45. В качестве абразива использовали гранулы ПТ5, ПТ10, ПТ15 Московского абразивного завода (керамическая связка, абразив - элекгрокорунд, зернистость М14 по ГОСТ 5476-72).

В результате проведения комплекса экспериментов были получены количественные зависимости исследуемых параметров для станков с цилиндрическими и кольцевой камерами.

На рис. 12 (как пример) показаны зависимости О, Яа и V,, от изменения числа роликов.

По результатам факторного эксперимента были получены зависимости съёма 0 и изменения шероховатости ЛКа для алюминиевого сплава В95Т

АЯаа = 0,885Z0 - 0Д2122 + 1,164* - 0,215к2 + 0,489* +1,132 А -

(21)

- 0,121 Н + 0,097#2 - 0,832^ + 0Д62г2 - 2,59

<2а = 3,11- КГ4 + 8,86- Ю~5202 + 5,91 • 10~4 к - 8,86-10~5*2 +

+ 3,9-10-4/ + 7,75• 10-4 А -4,22 • 10~4Я -7,64-Ю-5Н2 - (22)

-1,42 • 10 ~ъгд +1,69 • 10 ~4г2 +1,0-10"3

Зависимости съёма () и изменения шероховатости ЛКа для стали 45 АЯас = 0,60вго - 0,094 • 10~312 + 0,229к - 0,051 к2 + 0,371/ -

(23)

- 0,025*2 + 0,318 А - 5,31 • 10^ А2 - ОД 8Я + 0,034Я2 -1,235 <2С = 5,04 • 10~4 г0 +4,36- 10_52о2 +4,27 • 10~5А - 7,14 • 1<Г7*2 +

(24)

+ 4,8-10 + 6,9-10 4 Л-5,38-10~"4Я + 9,29• 10~5Я2 -7,04-10~4

Проверка адекватности отражения построенными уравнениями экспериментальных данных была проведена с помощью критерия Фишера.

В целом по результатам проведённых экспериментов установлено превалирующее влияние на производительность частоты вращения приводного вала, затем по степени влияния следуют: величина вдавливания ролика в эластичное дно, количество роликов, высота загрузки, размер гранулы, габариты образца и количество жидкости в рабочей камере. Достижимая шероховатость поверхности зависит, главным образом, от частоты вращения приводного вала. С увеличением частоты вращения шероховатость поверхности возрастает.

0,012 -

0,008 -

0,004 -

Да, мкм

0,6 -

0,4 -

0,2 -

О,

мм3 см2ч

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

— 0

а)

- - ■ Ущ . <2

-.....

7 лг.

шт

V

V ц,

С"1 мкм

0,04 - 1,0 - •

0,02 - 0,5 -

О

О

О,

мм3 см2ч

2,5 2 1,5 1

0,5 - О

б)

• -о- - у у ч

пи 2 • - - < _ . - < > - "

/ / * ► *

_ , __ .....

2 3 4 5 6 7 /V, шт Рис. 12. Зависимости съёма, шероховатости и скорости циркуляции от числа роликов: а) кольцевой камере при п=4 с"1, >4=10 мм, - \ 50 мм, абразиве ПТ 10, образцах 30x30 мм; б) в цилиндрической камере при А=6 мм, #3= 120 мм, образцах 20x20 мм, и=3 с"1, Нж=30 мм.

24

0

Между материалоеъёмом и скоростью циркуляционного движения существует устойчивая корреляция, поэтому правомерно использование её в качестве критерия эффективности процесса обработки на исследуемом оборудовании.

По полученным формулам в пределах факторного пространства эксперимента были рассчитаны оптимальные по производительности режимы обработки для деталей из сплава В95 и стали 45, которые сведены в таблицы 2 и 3.

Таблица 2

Оптимальные значения параметров по съёму при обработке деталей

из сплава В95

Обозначение параметра Л, мм к, шт Z,mm Н, мм г,мм

Оптимальное значение 7,0 3-4 15 80 15-20

Увеличение производ-ти, раз 10 1,6 1,4 1,3 >10

Таблица 3

Оптимальные значения параметров по съёму при обработке деталей

из стали 45

Обозначение параметра А, мм к, шт Z, мм Н, мм

Оптимальное значение 7,0 3 10-15 80

Увеличение производ-ти, раз 3,0 1,3 1,3 1,4

Применение дополнительного сжатия загрузки при импульсной передаче энергии в массу загрузки также повышает производительность обработки. Установлено, что производительность обработки пропорциональна сжатию загрузки.

В связи с изменением схемы передачи энергии и циркуляции загрузки была проведена проверка возможности эффективной обработки деталей в закреплённом положении. При этом в качестве образцов для экспериментов использовали прямоугольные пластинки из алюминиевого сплава В95 с размерами 3x20x90 мм. В ходе эксперимента пластинки консольно закрепляли в центре и у стенки рабочей в вертикальном положении.

График зависимости Яа от времени обработки t и расстояния от фиксированной точки привязки, находящейся на расстоянии 30 мм от дна камеры по её оси, приведен на рисунке 13.

Закрепление деталей при виброимпульсной обработке повышает производительность в 5 и более раз по сравнению со свободной обработкой деталей. Наибольшая производительность при этом наблюдается в придонной области, что подтверждает достоверность теоретической силовой модели виброимпульсной обработки.

Яа,мкм

[

1С

/, мин

135

Рис. 13. Изменение шероховатости образцов из сплава В95Т в зависимости от глубины погружения и времени обработки (в центре камеры)

Исследования технологических возможностей, производительности и качества обработки, проведённые с помощью лабораторных установок, позволили определить оптимальные значения конструктивных и рациональные диапазоны регулирования режимных параметров для промышленных вариантов станков. Первый опыт производственного использования шестиконтейнерных станков с рабочими камерами объёмом 2,5 дм3 подтвердил возможность их успешного применения для обработки малогабаритных деталей размерами до 20 мм. Поэтому их конструкция (рис.6) была взята как базовая при разработке промышленного образца станка.

При проектировании прямоугольный корпус у него заменили на более технологичный цилиндрический. Количество роликов но результатам экспериментов взяли равное четырём. В качестве электропривода поставили асинхронный одно-скоростной электродвигатель мощностью 1 кВт с синхронной частотой вращения 1500 об/мин.

При замене верхней плиты с шестью контейнерами на кольцевую рабочую камеру станок становится однокамерным. Количество контейнеров и их ёмкость в многоконтейнерном варианте ограничивается только размерами станка.

Управление процессом обработки на разработанном станке осуществляется изменением частоты (изменением частоты вращения приводного вала или числа роликов) и амплитуды колебаний.

Высокая технологическая гибкость многокамерного станка обеспечивается:

• широким диапазоном регулирования режимов колебаний,

• независимой регулировкой амплитуды колебаний в каждом контейнере,

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИИ

• независимой установкой и снятием любого из контейнеров без прекращения обработки в остальных,

• быстросъёмностью контейнеров,

• возможностью установки контейнеров различной ёмкости.

Для рациональной эксплуатации виброимпульсных станков в качестве базы для определения условий обработки предложено использовать технологическую модель станка в виде совокупности зависимостей показателей производительности и качества обработанной поверхности деталей от регулируемых параметров процесса (типа 21 - 24).

На основе построенной модели с помощью имеющихся пакетов прикладных программ дня персонального компьютера или специально составленных программ, легко рассчитать оптимальные режимы или законы управления ими для обеспечения эффективного ведения обработки.

Возможные задачи оптимизации вибрационной обработки на базе сформулированной технологической модели станка в диссертации приведены к трём основным видам: первая относится к задачам математического программирования, вторая и третья - к задачам оптимального управления.

В качестве критерия оптимизации могут быть выбраны необходимые технические или экономические показатели. Так, например, в зависимости от конкретных условий ими могут быть: время обработки, шероховатость обработанной поверхности и т. п. В частности, такой задачей (первого вида) является минимизация времени обработки при обеспечении определённых величин показателей качества поверхности деталей.

г(0 _

(26)

где Q - количество материала припуска на единице поверхности, у1 (х) зависимость съёма с единицы поверхности детали от параметров обработки.

Для задач второго и третьего видов:

Т

1(0 = \<И(х,1) (27)

о

Возможна оптимизация по какому-либо показателю качества поверхности, который и будет взят как функционал (26). Минимизация выбранного критерия при наличии ограничений на управляющие параметры и величины показателей качества поверхности, выражаемые зависимостями }',(х), даёт решение поставленной задачи оптимизации.

Для корректной постановки задач второго и третьего видов выведены зависимости обратной связи параметров качества поверхности детали в г - ый момент времени представлена уравнением:

<2^о - ¡ух(х)Л

(28)

где./; - функция, выражающая соотношение параметра шероховатости и объёма материала микропрофиля;

<2йг° - объём материала микропрофиля детали до обработки; I - время обработки.

Для частного случая, когда профиль микронеровности треугольный, приведённая выше зависимость для Яг1 приобретает вид:

Яг1 =

а

!У1(х)Л

+~у2(х) >

(29)

где }'2(х) - зависимость показателя шероховатости от параметров процесса. Оптимальные режимы обработки при этом определяются выражением:

у*2(х)= Яг' - Е, (30)

где Е- К-Ягк, а

/У1 - конечная (требуемая) шероховатость поверхности детали.

Рис. 14. Изменение шероховатости обрабатываемой поверхности: 1 - Кг\ 2 - уг(х) по (31), 3 - у2(х) при #=0,5.

Коэффициент К выбирается из условия обеспечения наибольшей скорости изменения шероховатости поверхности:

¡Ух(х)

■Л

к = 1--2-5- , (31)

где 0? - количество материала припуска на единице поверхности.

В качестве примера решения задачи линейного программирования по определению оптимальных режимов обработки на основе технологической модели станка (21 - 24) можно рассматривать данные, показанные в таблицах 2 и 3.

На основе предложенной схемы и проведённых исследований был разработан ряд станков импульсного действия для разных типов производства. Принятые конструктивные и технологические решения защищены 11 авторскими свидетельствами и патентами. На рис. 15, 16, 17, 18, 19, 20 показаны наиболее интересные из них.

В первом из них (рис. 15) рабочая камера 1 выполнена кольцевой. Под камерой расположен вертикальный вал 3 с горизонтальными роликами 4, которые воздействуют на эластичное дно 2. Вал 3 соединен с электродвигателем 5 клиноре-менной передачей 6. При вращении вала ролики сообщают эластичному дну волнообразные колебательные движения, передаваемые массе загрузки 7. Регулировка амплитуды колебаний производят перемещением внутренней стенки кольцевой камеры.

Во втором варианте (рис. 16) имеем четыре рабочие камеры 1, с эластичным дном 2, расположеные по окружности платформы с центром, совпадающим с осью вертикального приводного вала 3.

Для многономенклатурного производства может представлять интерес схема станка с вибратором в виде бесконечной ленты, несущей ролики и охватывающей ряды секций контейнеров, (на рис. 17). Конструктивно она представляет следующее. Группа контейнеров 1 с эластичным дном 2 закреплена на станине 3 в несколько рядов. Вибратор станка представляет гибкий бесконечный приводной элемент 4 в виде цепи или ленты с расположенными на нем на осях роликами 5. Гибкий приводной элемент получает движение от электродвигателя через ременную передачу. Контейнеры для регулирования амплитуды колебаний снабжены устройствами для вертикального перемещения, что позволяет в каждом из них установить свой режим обработки.

При необходимости для изменения частоты колебаний загрузки в станках можно использовать регулируемый привод (рис. 18). Особенности этого варианта конструкции заключаются в том, что в станке с кольцевой рабочей камерой 1, имеющей эластичное дно 2, на осях 5 установлены конические ролики 4 с возможностью осевого перемещения. С периферийной стороны ролики 4 подпружинены.

Рис.15. Одноконтейнерный станок

Рис. 16. Многоконтейнерный станок

Рис. 17. Многоконтейнерный станок с вибратором в виде бесконечной цепи с роликами

При увеличении частоты вращения приводного вала 3 ролики 4 под действием центробежных сил расходятся. В результате возрастает амплитуда колебаний. При установке роликов 4 конусом в обратную сторону рост частоты вращения вала 3 вызывает уменьшение амплитуды колебаний эластичного дна. Таким образом, показанная на рис. 18 схема позволяет реализовать возможность автоматизированного управления режимом колебательного процесса.

На рис. 19 показан еще один вариант станка с неподвижной рабочей камерой 1, которая установлена в корпусе 3 и имеет эластичное дно 2. Вибратор станка выполнен в виде диска 4. В центре диск закреплён в шаровой опоре 5 с возможностью качания и контакта с эластичным дном 2. Диск связан с вертикальным приводным валом 8 посредством стержня 6. Один конец стержня 6 жестко закреплен на диске 4, а второй эксцентрично смонтирован в самоустанавливающейся подшипниковой опоре 7 на вертикальном приводном валу 8 (эксцентричное закрепление стержня на рисунке условно не показано). Приводной вал 8 с помощью ременной передачи связан с электродвигателем, который сообщает ему вращательное движение. При вращении приводного вала за один его оборот происходит только одно колебательное движение дна камеры. Период колебаний дна по сравнению с роликовым вибратором существенно увеличивается. Следовательно, можно достоверно предположить для этого станка более "мягкий" режим колебаний дна.

Поскольку рабочая камера в разработанных станках неподвижна, появляется возможность более широкого регулирования уровня рабочей жидкости и использования ее свойств. Это позволило создать новый способ вибрационной обработки (рис. 20). В контейнере, заполненным обрабатываемыми деталями, абразивным зерном и рабочей жидкостью, которым сообщается колебательное движение, устанавливают уровень жидкости, высота которого превышает высоту подъема абразивных зерен. При постоянной циркуляции слив жидкости с отходами производят с верхней отметки ее уровня, а подвод осуществляют в нижней части контейнера.

Реализация способа позволяет увеличить количество одновременно обрабатываемых деталей, поскольку отпадает необходимость в использовании специально формованных гранул, а объем необходимых для обработки зерен абразива мал и способен разместится в пространстве между деталями в нижней части рабочей камеры. При сливе жидкости с верхней отметки уровня исключается вынос абразивных зерен из рабочей зоны и они используются до полного износа. Таким образом, в предлагаемом способе увеличивается количество одновременно обрабатываемых деталей и более эффективно используются абразивные зёрна.

Первый многокамерный станок импульсного действия был предназначен для обработки деталей Иркутского релейного завода. Его изготовили при выполнении хозяйственного договора по внедрению вибрационной обработки для деталей малогабаритного реле типа РЭС 48. Общий экономический эффект от внедрения обработки был оценен в 30000 руб. в год.

Рис.18. Станок с регулируемым приводом

Рис.19. Станка с вибратором в виде диска

Рис.20. Схема способа виброимпульсной обработки абразивным зерном в жидкости

Высокая технологическая гибкость многокамерного станка облегчила его использование при выполнении хоздоговорных работ на Ижевском электромеханическом заводе, где номенклатура деталей, подготовленных для вибрационной обработки, превысила 100 наименований.

Как правило обработка плоских деталей на традиционном вибрационном оборудовании существенно усложняется вследствие их пакетирования. Однако в контейнере станка импульсного действия локальная передача движения от эластичного дна способствует постоянному разбиванию образовавшихся пакетов, что и обеспечивает успешную обработку плоских деталей.

Реальный годовой экономический эффект от внедрения универсального станка на Ижевском электромеханическом заводе составил 9349 рублей на один станок в ценах 1989 года .

Опыт использования станков импульсного действия при работе по хозяйственным договорам обобщён и в виде рекомендаций по подбору режимов обработки представлен в работе. Подводя итог промышленному использованию внедрённых в производство станков можно сделать уверенный вывод о высоких эксплуатационных свойствах станка. Стойкость эластичного дна при интенсивной эксплуатации составляет не менее 1200 часов.

Предложенный способ вибрационной обработки на станках импульсного действия (патент РФ № 1826367) нашёл применение при обработке изделий из поделочных камней.

В период с 1987 по 1993 год на опытном производстве Иркутского государственного технического университета было изготовлено и реализовано предприятиям по договорам на поставку 11 станков импульсного действия.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Разработаны научные основы для создания вибрационного оборудования и технологии повышенной производительности, реализующих локальный импульсный вариант передачи энергии в рабочую камеру станка. Предложена и теоретически обоснована схема вибрационного станка с неподвижной камерой и рабочим органом в виде эластичной оболочки, обкатываемой роликами.

2. Установлены основные закономерности передачи сил и давлений в неподвижной рабочей камере. В сопоставлении с традиционной вибрационной обработкой выявлены дополнительные факторы силового воздействия на поверхность деталей, обусловленные импульсной локальной передачей энергии в неподвижную среду и движением ограниченного объёма гранулированной среды в рабочей зоне, что приводит к интенсификации процесса обработки.

3. Построены кинематические модели однокамерного и шестикамерного станков в виде математических зависимостей перемещений, скоростей и ускорений колебательного движения рабочего органа от конструктивных и режимных параметров станков. Проведён численный анализ влияния параметров станка на скорость и ускорения дна. Установлено наибольшее влияние на их величины час-

тоты вращения приводного вала, расстояния от оси приводного вала до оси контейнера и радиуса ролика.

4. Построена динамическая модель обработки в виде дифференциального уравнения движения частиц загрузки в зависимости от конструктивных и режимных параметров станка. Выявлено, что зависимости показателей интенсивности взаимодействия частиц от конструктивных и режимных параметров станка имеют ярко выраженный экстремальный характер.

5. В результате экспериментальных исследований перемещений, скоростей и ускорений эластичного дна и изучения движения частиц в рабочей зоне установлено значительное превышение значений параметров колебательного движения рабочего органа и частиц загрузки на разработанных станках по сравнению со станками с инерционными вибраторами.

6. Экспериментально определены характер и степень влияния на производительность и качество обработки конструктивных и режимных параметров станков и допустимые диапазоны их регулирования. Установлено превалирующее влияние на производительность и шероховатость обработанной поверхности для исследуемого оборудования частоты вращения приводного вала. Затем по значимости влияния на производительность следуют: величина вдавливания ролика в эластичное дно, количество роликов, высота загрузки, размер гранулы, габариты образца и количество жидкости в рабочей камере.

7. Закрепление деталей при виброимпульсной обработке повышает производительность в 5 и более раз по сравнению со свободной обработкой деталей. Экспериментально доказана эффективность применения дополнительного сжатия загрузки при импульсной передаче энергии в массу загрузки.

8. Для нового вида вибрационного оборудования предложен способ вибрационной обработки абразивным зерном в жидкости, со сливом её с верхней отметет рабочего уровня.

9. Для различных видов производства предложен ряд станков, реализующих импульсную локальную схему передачи энергии в массу загрузки. Разработан промышленный универсальный вибрационный станок импульсного действия для обработки малогабаритных деталей. Конструктивные варианты вибрационных станков и способ обработки защищены 11 авторскими свидетельствами и патентами.

10. Предложена технологическая модель станка и методика для её построения в виде зависимостей производительности и качества поверхности типовых деталей от параметров станка, как основная характеристика станка и база для расчёта оптимальных условий обработки конкретных деталей.

11. Опыт промышленной эксплуатации виброимпульсных станков показал высокую производительность, надёжность в работе, удобство эксплуатации, технологическую гибкость, низкий уровень вибраций и шума. Внедрение их на Иркутском релейном и Ижевском электро-механическом заводах подтвердило их работоспособность и обеспечило реальный годовой экономический эффект при об-

работке малогабаритных деталей порядка 9 тыс. руб. на ед. оборудования в ценах 1989 года.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах.

1. Димов Ю.В., Кольцов В.П. Остаточные напряжения при электровибрационной обработке сплава В95Т // Вопросы технологии машиностроения. - Иркутск: Иркутский политехнический институт, 1973. - Вып. 3. - С. 50-54.

2. Кольцов В.П., Литовка Г.Д. Неравномерность съёма при виброабразивной обработке с наложением электрохимического процесса // Вопросы технологии машиностроения. - Иркутск: Иркутский политехнический институт, 1973. - Вып. 3. -С. 55-61.

3. Димов Ю.В., Кольцов В.П. Исследование электровиброабразивной обработки // Состояние и перспективы промышленного освоения вибрационной обработки. - Ростов-на-Дону: РИСХМ, 1974. - С. 111-114.

4. Димов Ю.В., Кольцов В.П. Точность и качество поверхности при виброабразивной обработке легких сплавов // Вестник машиностроения. М.: Машиностроение, 1974. - № 8. - С. 49-53.

5. Димов Ю.В. Кольцов В.П. О силах взаимодействия гранул с поверхностью при вибрационной обработке // Совершенствование процессов финишной обработки в машиностроении: Материалы 1 Всесоюзной научно-технической конференции. - Минск: Высшая школа, 1975. - С. 164-166.

6. Димов Ю.В., Кольцов В.П. Оптимизация выбора параметров объемной вибрационной обработки по технологической модели процесса II Отделочно-упрочняющая обработка, качество поверхности и эксплуатационные свойства машин. - Ростов-на-Дону: РИСХМ, 1977. - С. 68-70.

7. Димов Ю.В., Кольцов В.П. Исследование удара частиц абразивного наполнителя при вибрационной обработке// Абразивы. - М., 1978. - № 8. - с. 11-14.

8. Димов Ю.В., Кольцов В.П. Экспериментальные исследования прямого удара при параметрах ударного процесса объемной вибрационной обработки // Повышение эксплуатационных свойств деталей машин технологическими методами. - Иркутск: ИЛИ, 1978. - С. 166-174.

9. Кольцов В.П. Основные задачи оптимизации объёмной вибрационной обработки на базе технологической модели процесса // Повышение эксплуатационных свойств деталей машин технологическими методами. - Иркутск: ИЛИ, 1978. -Вып.1. - С. 119-124.

10. Кольцов. В.П. Эффективность косого удара жесткого шара об упруго-пластическое полупространство при наличии трения // Повышение эксплуатационных свойств деталей машин режущего инструмента технологическими методами: Тезисы докладов. - Иркутск, 1979. - С. 62-63.

11. Кольцов В.П., Димов Ю. В. Исследование характера движения и взаимодействия между собой частиц загрузки при объемной вибрационной обработке // Повышение эксплуатационных свойств деталей машин технологическими методами. - Иркутск: ИЛИ, 1980. - С. 108-113.

12. Кольцов В.П., Димов Ю.В. Виброэлекгрохимическая обработка деталей // Станки и инструменты. - М., 1982, - № И. - С. 26-28.

13. Кольцов В.П., Выскребенцев А.П., Потравко Н.В. Роторная установка для объёмной вибрационной обработки // Повышение производительности и качества механической обработки на машиностроительных предприятиях Сибири и Дальнего Востока. - Иркутск, 1983.

14. Кольцов В.П. Исследование параметров оптимизации косого удара абразивного тела // Повышение производительности и качества механической обработки на машиностроительных предприятиях Сибири и Дальнего Востока. Иркутск, 1983.

15. Кольцов В.П. Косой удар жёсткого шара об упруго-пластическое полупространство // Повышение эксплуатационных свойств деталей машин и инструментов. -Иркутск: ИЛИ, 1984.

16. Кольцов В.П., Филиппов К.Е. Вибрационные установки с эластичным дном контейнера и обкатными роликами // Интенсификация и автоматизация от-делочно-зачистной обработки деталей машин и приборов. - Ростов-на-Дону, 1988.

- С. 144.

17. Кольцов В.П., Филиппов К.Е. Гибкий робото-технический комплекс для вибрационной обработки деталей и приборов // Агрегатно-модульное построение техники. (Промышленные роботы, гибкие производственные системы): Тез. докл.

- Иркутск, 1988. - С. 58-59.

18. Кольцов В.П., Филиппов К.Е. Станок для вибрационной обработки // Управление технологическими процессами в машиностроении. - Иркутск, 1989. -С. 5-6.

19. Кольцов В.П., Филиппов К.Е. Волновая установка для вибрационной обработки деталей // Повышение эффективности технологических процессов механообработки. - Иркутск, 1990. - С. 7-9.

20. Кольцов В.П., Филиппов К.Е. Новые станки для виброабразивной обработки малогабаритных деталей // Тез. докл. научно-технической конференции "Инструментальное обеспечение автоматизированных систем". - Иркутск, 1990. -С. 94-95.

21. Кольцов В.П., Филиппов К.Е. Новые вибрационные станки для многономенклатурного производства // Совершенствование процессов резания и средств автоматизации для повышения производительности гибких станочных систем: Тез. докл. научно-технической конференции. - Курган, 1990. - С. 119-120.

22. Кольцов В.П., Филиппов К.Е. Вибрационная обработка на станках с гибким дном и обкатными роликами // Прогрессивные технологические процессы в механосборочном производстве: Тез. докл. научно-технической конференции. -Санкт-Петербург, 1992. - С. 75.

23. Кольцов В.П. Беломестных A.C. Ружников Д.А. Активный контроль технологических операций при виброабразивной обработке // Наукоемкие технологии в машиностроении и приборостроении: Тез. докл. научно-технической конференции. - Рыбинск, 1994. - С. 117-118.

24. Кольцов В.П., Беломестных A.C., Ружников Д А. Исследование характера движения частиц загрузки при виброимпульсной обработке // Технология и оборудование современного машиностроения: Тез. докл. всероссийской молодежной научно-технической конференции. - Уфа, 1994. - С. 34-35.

25. Кольцов В.П., Беломестных A.C. Геометрическая схема формирования микронеровностей при виброабразивной обработке деталей // Иркутский гос. техн. ун-т, Иркутск, 1995. - 9 е., - Деп. в ВИНИТИ 31.05.95. № 1579-В95.

26. Кольцов В.П., Беломестных A.C. Аналитическое исследование напряжений и сил, действующих внутри загрузки при виброимпульсной обработке // Иркутский гос. техн. ун-т, Иркутск, 1995. - 7 с. - Деп. в ВИНИТИ 31.05.95. № Ш8-В95.

27. Кольцов В.П .Ружников Д.А. Беломестных A.C. Акустический контроль технологических операций при виброабразивной обработке // Комплексное обеспечение точности автоматизированных производств. - Пенза, 1995. - С. 108.

28. Кольцов В.П., Филиппов Е.К., Беломестных A.C. Виброабразивные станки импульсного действия // Выбирает «Золотой медведь»: Тез. докладов конкурса учёных вузов Иркутской области. - Иркутск: ИВВАИУ, 1995. - С. 36.

29. Кольцов В.П., Беломестных A.C. Интенсификация виброимпульсной обработки деталей // Повышение эффективности производства изделий машиностроения. - Иркутск: Ирк. гос. техн. ун-т, 1995. - С. 32-34.

30. Кольцов В.П. Вибрационная импульсная обработка деталей // Современные технологии в машиностроении: Материалы конференции - Пенза, 1996. - С. 61-63.

31. Беломестных A.C., Кольцов В.П. Разработка технических средств ввода и вывода информации // Актуальные проблемы общественной безопасности: Тезисы всероссийской научно-практической информации. - Иркутск: Иркутская высшая школа МВД России, 1996. - С. 125-126.

32. Кольцов В.П., Беломестных A.C. Автоматизация контроля виброимпульсной обработки // Материалы, технологии, конструкции: Сборник материалов межрегиональной конференции Ч. I. Отв. Ред. В.В. Стацура. - Красноярск: CAA, 1996.-С. 120-121.

33. Кольцов В.П. Ружников Д.А. Беломестных A.C. Технологическая модель виброимпульсной обработки полудрагоценных и поделочных камней II Вестник Читинского государственного технического университета. - 1997. N4. - С. 38-42.

34. Кольцов В.П., Беломестных A.C. Аналитическая модель деформирования рабочей среды при виброимпульсной обработке Н Механика деформируемых сред в технологических процессах. - Иркутск: Иркутский государственный технический университет, 1997. - С. 20-23.

35. Кольцов В.П. Оборудование и способ вибрационной импульсной обработки // Интеллектуальные и материальные ресурсы Сибири: Тезисы докладов региональной научно-практической конференции.. - Иркутск, 1997. - С. 84.

36. Кольцов В.П., Ружников Д.А. О технологии обработки полудрагоценных камней неправильной формы на вибростанке импульсного действия // Сб. науч.

трудов Саратовского государственного технического университета. - Саратов, 1997.

37. A.c. № 1283060 МКИ3 кл. В 24 В 31/73 СССР. Устройство для вибрационной обработки деталей. Кольцов В.П., Каргопольцев С.К. Опубл. в Б.И. в 1987, № 2. - С. 2.

38. A.c. № 1397255 МКИ1 кл. В 24 В 31/73 СССР. Устройство для вибрационной обработки деталей. Кольцов В.П. Опубл. в Б.И. в 1988, № 19. - С. 3.

39.№ A.c. № 1430239 МКИ5 кл. В 24 В 31/73 СССР. Устройство для вибрационной обработки. Кольцов В.П. , Литовка Г.В. , Филипов К.Е. Опубл. в Б.И. в 1988, №38. - С. 3.

40.Патент № 1576289 МКИ3 кл. В 24 В 31/73 РФ. Устройство для вибрационной обработки. Кольцов В.П., Филлипов К.Е., Левин Б.М. Опубл. в Б.И. в 1990. № 25. - С. 3.

41.A.c. № 1579741 МКИ3 кл. В 24 В 31/73 СССР. Устройство для вибрационной обработки. Кольцов В.П., Трунин В.Б., Михновская О.В. и Филипов К.Е. Опубл. в Б.И. в 1990. № 27. - С. 3.

42. A.c. № 1717321 МКИ1 кл. В 24 В 31/73 СССР. Устройство дня вибрационной обработки. Кольцов В.П., Филиппов К.Е. Опубл. в Б.И. в 1992. № 9. - С. 3.

43. Патент № 1785880 МКИ3 кл. В 24 В 31/73 РФ. Устройство для вибрационной обработки. Филиппов К.Е. и Кольцов В.П. Опубл. в Б.И. в 1993. № 1.- С. 3.

44. Патент № 1817410 МКИ3 кл. В 24 В 31/73 РФ. Устройство для вибрационной обработки. Кольцов В.П., Филиппов К.Е., Левин Б.М., Ружников Д.А.- № 4850001/08; Заявлено 12.07.90. Непубл. - С. 3.

45. Патент № 1817411 МКИ3 кл. В 24 В 31/73 РФ. Устройство для вибрационной обработки деталей. Кольцов В. П. и Макрицкий Г.Ф. № 4906906/08; Заявлено 04.02.91. Непубл. - С. 3.

46. Патент № 1826367 МКИ3 кл. В 24 В 31/73 РФ. Способ вибрационной обработки. Кольцов В.П. и Филиппов К.Е. № 4850326/08; Заявлено 12.07.90. Непубл. - С. 3.

47. Патент №2064397 МКИ3 кл. В 24 В 31/73 РФ РФ. Устройство для вибрационной обработки. Филиппов К.Е., Кольцов В.П., Беломестных A.C. и Ружников Д.А. Опубл. В Б.И. №21,1996. - С. 3.

Формат 60x84 1/16. Бумага типографская. Печать офсетная. Уся. печ. л. 2,5. Уч.-изд.л. 2,0. Тираж 110 экз. Зак. 68.

ЛР №020263 от 30.12.96 Иркутский государственный технический университет 664074, Иркутск, ул. Лермонтова, 83

/

ЬЕ

9/

?

Ъ?

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ВИБРАЦИОННАЯ ОБРАБОТКА НА СТАНКАХ ИМПУЛЬСНОГО

ДЕЙСТВИЯ

Специальности: 05.02.08 - Технология машиностроения

05.03.01 - Процессы механической и

физико-технической обработки, станки и инструмент

Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук

^ цч V

« ОЬ 19 ' ' На правах рукописи

ИМИР ПЕТРОВИЧ

Научный консультант - заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Промптов А.И.

Иркутск - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................. 5

1. ПРЕДПОСЫЛКИ К СОЗДАНИЮ ВИБРАЦИОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ И ТЕХНОЛОГИИ ИМПУЛЬСНОГО ДЕЙСТВИЯ

1.1. Анализ традиционной объёмной вибрационной обработки........11

1.2. Направления, параметры и показатели исследования и оптимизации объёмной вибрационной обработки.....................................24

1.3. Цель и задачи работы.................................................................26

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИМПУЛЬСНОЙ ЛОКАЛЬНОЙ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ В ЗАГРУЗКУ

2.1. Выбор схемы импульсной передачи энергии в массу загрузки ... 29

2.2. Взаимодействие гранул наполнителя со стенками рабочей камеры ............................................................................................. 37

2.3. Уравнение движения элементарного объёма.............................. 55

2.5. Анализ физической природы напряжений в загрузке рабочей камеры ........................................................................................60

Выводы.................................................................................... 65

3. КОНСТРУКЦИЯ И АНАЛИЗ ПАРАМЕТРОВ СТАНКОВ ИМПУЛЬСНОГО ДЕЙСТВИЯ

3.1. Вибрационные станки импульсного действия.............................67

3.2. Анализ технологических и технических особенностей предложенных схем станков и способа обработки........................1...............79

3.3. Кинематическая модель станка..................................................86

Выводы ......................................................................................95

4. КИНЕМАТИКА ВИБРОИМПУЛЬСНОЙ ОБРАБОТКИ

4.1 Экспериментальные исследования кинематики дна кольцевой рабочей камеры ................................................................................97

4.2 . Измерительно-вычислительный комплекс................................106

4.3. Исследование кинематики дна цилиндрической рабочей камеры

........................................................................................................120

4.2. Исследования характера деформации дна контейнера...............124

4.4. Экспериментальные исследование движения частиц загрузки в рабочей зоне ...................................................................................129

4.5. Исследование циркуляции загрузки в цилиндрической камере... 136 Выводы ....................................................................................145

5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ВИБРОИМПУЛЬСНОЙ ОБРАБОТКИ

5.1. Методика проведения экспериментов.......................................147

5.2. Влияние технологических параметров станка на производительность и шероховатость получаемой поверхности..............................157

5.3. Исследование факторного пространства виброимпульсной обработки в цилиндрическом контейнере................................................170

5.4. Виброимпульсная обработка закреплённых деталей..................183

Выводы.....................................................................................186

6. РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

6.1. Универсальный станок импульсного действия. Технологическая модель станка...........................................................................188

6.2. Основные задачи оптимизации виброимпульсной обработки на базе технологической модели станка............................................ 193

6.3. Станки и способ вибрационной обработки, реализующие импульс-

ную локальную передачу энергии в массу загрузки...................201

6.4. Опыт практического использования станков импульсного действия............................................................................................207

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.............216

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................................219

ПРИЛОЖЕНИЕ 1.......................................................................231

ПРИЛОЖЕНИЕ 2.......................................................................232

ПРИЛОЖЕНИЕ 3 ......................................................................233

ПРИЛОЖЕНИЕ 4.......................................................................234

ПРИЛОЖЕНИЕ 5.......................................................................235

ПРИЛОЖЕНИЕ 6.......................................................................236

ПРИЛОЖЕНИЕ 7.......................................................................237

ПРИЛОЖЕНИЕ 8.......................................................................238

ВВЕДЕНИЕ

Насыщение отечественного рынка потребительскими товарами зарубежного производства, необходимость выхода российской продукции на мировые рынки предъявляют всё возрастающие требования к качеству изготовляемых изделий и их внешнему виду, что обусловливает увеличение объёма и повышение уровня выполнения финишных операций.

Одним из эффективных решений этой проблемы является широкое использование объёмной вибрационной обработки. Высокие показатели универсальности, производительности и качества поверхности обработанных деталей прочно закрепили за ней место среди перспективных способов финишной доводки деталей и обеспечили постоянное внимание отечественных и зарубежных исследователей и производственников. В большом числе работ А.П. Бабичева, Ю.В. Димова, Б.Н. Карташова, Ю.М. Кулакова, Г.В. Литовки, Ю.М. Самодумского, Л.И. Сердюка, А.П. Субача, М.А. Тамаркина, В.О. Трилисского, В.Б. Труни-на, В.П Устинова, М.Е. Шаинского и других исследователей показаны тенденции и пути развития вибрационной технологии и оборудования для её реализации. Результаты теоретических и экспериментальных исследований достаточно подробно раскрывают физическую картину распространённых процессов вибрационной технологии.

Тем не менее, существующее вибрационное оборудование в силу ряда недостатков, обусловленных самим принципом его работы - вибрационным движением рабочей камеры, не позволяет полностью раскрыть широкие возможности процесса. В частности, на нём невозможно реализовать оптимальную - импульсную передачу энергии в массу загрузки. Остаётся открытым вопрос оснащения многономенклатурного производства мелких деталей станками с высокой технологической

гибкостью. Поэтому создание высокопроизводительной широкоуниверсальной отделочно-зачистной технологии и оборудования с высокими эксплуатационными характеристиками является актуальной задачей.

Внося вклад в её решение автор работы предложил и теоретически обосновал оригинальную конструктивную схему вибрационного оборудования. Выполненные по этой схеме станки имеют неподвижные рабочие камеры с эластичным дном, под которым движутся ролики, обеспечивающие импульсное воздействие на массу загрузки. На этом принципе разработаны однокамерные и многокамерные станки разной производительности для мелкосерийного, серийного и массового видов производства. Рабочей средой служит абразив, используемый на традиционных вибрационных станках. Для новой схемы оборудования разработан способ вибрационной обработки абразивным зерном в жидкости. Способ и конструктивные варианты станков защищены 11 авторскими свидетельствами и патентами. Такие станки были названы вибрационными станками импульсного действия, а технология, реализуемая на них, - вибрационной импульсной обработкой.

Проведённые испытания показали возможность эффективного использования нового вида вибрационного оборудования, выявили допустимые пределы регулирования параметров обработки.

Анализ технических возможностей предложенных технологии и оборудования позволил наметить основные области, пути и варианты их использования, выявить наиболее важные направления аналитических и экспериментальных исследований.

Вибрационные станки, выполненные по новой схеме, освободились от традиционного дебалансного вибратора и упругой подвески рабочих камер. Неподвижное положение рабочей камеры и импульс-

ный характер колебаний обусловили заметные изменения в процессах, протекающих в массе загрузки.

Проведённый комплекс экспериментальных исследований движения и циркуляции компонентов загрузки позволил установить область наиболее производительного режима вибраций загрузки для станков импульсного действия.

Для этой области на базе теории движения сыпучих тел в трубах и бункерах построена аналитическая модель гранулированной рабочей среды, взаимодействующей с неподвижной стенкой контейнера. Исследования модели позволили вывести зависимости для сил и напряжений внутри и между компонентами загрузки, усилия и давления на стенки рабочей камеры, установить условия самоторможения частиц у стенки рабочей камеры, получить уравнение движения элементарного объёма загрузки в рабочей камере.

Для углублённых теоретико-экспериментальных исследований динамики частиц в цилиндрической камере был создан измерительно-вычислительный комплекс по вводу и численному анализу информационных сигналов с датчиков, расположенных в пространстве рабочей камеры. Данные, полученные с помощью этого комплекса, позволили определить значения скоростей частиц загрузки в различных зонах рабочего пространства контейнера, установить характер влияния конструктивных параметров станка на величины скоростей и ускорений частиц.

На основе анализа физических процессов, связанных с передачей движения в гранулированной среде, построена общая картина послойного движения компонентов загрузки в рабочей зоне цилиндрического контейнера. Вскрыт механизм возникновения нормальных и касательных сил и давлений, действующих между слоями при виброимпульс-

ной обработке в свободном абразиве. Показана их связь с удельными силами трения между элементами загрузки.

На базе проведённых исследований разработан универсальный станок импульсного действия. Рассмотрены несколько вариантов практического использования перспективных схем станков в автоматизированном производстве.

С помощью классических и факторных экспериментов проведен широкий комплекс исследований влияния конструктивных и режимных параметров на производительность и качество обработки. Полученные результаты представлены в работе в табличной и графической форме.

Создана технологическая модель процесса в виде совокупности зависимостей производительности и качества обработанной поверхности, полученных при экспериментальном исследовании факторного пространства серийных образцов станков, которую предлагается использовать как основную характеристику вибрационного оборудования. Предусмотрено её представление в виде таблиц или формул в паспорте станка или в виде приложений к нему на дискете или компакт-диске. С помощью персонального компьютера и разработанных программ легко определить оптимальные режимы обработки или законы управления ими для широкого круга практических задач.

Результаты работы внедрены на Иркутском релейном и Ижевском электромеханическом заводах. На опытном производстве научно-исследовательского учреждения ИрГТУ изготовлено и реализовано различным предприятиям 11 вибрационных станков. В Амурском государственном университете в 1992 - 95 годах были проведены всесторонние исследования универсального станка, которые подтвердили

его высокие эксплуатационные данные. Акты использования и внедрения разработок прилагаются.

В представленной работе автор защищает следующие основные положения:

• обоснование и схему локальной импульсной передачи энергии в массу загрузки, в виде эластичной оболочки, обкатываемой роликами, как одного из перспективных путей повышения производительности вибрационной обработки;

• конструктивную схему станка для вибрационной обработки с неподвижной рабочей камерой, имеющей эластичное дно, обкатываемое роликами;

• результаты аналитического исследования силового поля рабочей камеры вибрационного станка импульсного действия;

• методику исследования кинематики и динамики предложенного оборудования;

• результаты теоретических и экспериментальных исследований кинематики и динамики дна и загрузки, производительности и качества работы станков, их эксплуатационные характеристики;

• способ вибрационной обработки абразивным зерном в жидкости;

• варианты исполнения станков для вибрационной обработки, реализующих импульсный локальный способ передачи энергии в массу загрузки;

• технологическую модель станка в виде зависимостей производительности и качества поверхности типовых деталей от параметров станка (и методику для её построения), как основную характеристику станка и базу для расчёта оптимальных условий обработки конкретных деталей.

Работа выполнена на кафедре металлорежущих станков и инструментов и в лаборатории робототехники и вибротехнологии научно -

исследовательского учреждения Иркутского государственного технического университета в соответствии с межвузовской программой "Ресурсосберегающие технологии машиностроения". В 1992 - 1994 годах работа проводилась в рамках договора с Малым государственным предприятием "Фонд изобретений России".

1. ПРЕДПОСЫЛКИ К СОЗДАНИЮ ВИБРАЦИОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ И ТЕХНОЛОГИИ ИМПУЛЬСНОГО ДЕЙСТВИЯ

1.1. Анализ традиционной объёмной вибрационной обработки.

Согласно [5] вибрационная обработка в зависимости от применяемой рабочей среды представляет собой механический или химико-механический процесс съема мельчайших частиц металла и его окислов с обрабатываемой поверхности а также сглаживание микронеровностей путем их пластического деформирования рабочей средой, совершающей в процессе работы колебательное движение.

Для создания колебаний в вибрационных машинах используют вибраторы динамического и кинематического типов. Первый из них получил наибольшее распространение в вибрационном оборудовании самого различного назначения [5,8,20,98,99,104,106,107]. Второй вид по разным причинам находит в промышленности весьма ограниченное применение.

Основные разновидности универсальных станков для объемной вибрационной обработки достаточно полно представлены в работах [5,6,8,9]. Принципиальные схемы наиболее широко распространенных станков с дебалансным механическим вибратором показаны на рис. 1.1, а станки, имеющие электромагнитный инерционный вибратор, показаны на рис. 1.2,

Конструктивно первые представляют следующее. Рабочая камера станка 1 жестко закреплена на виброплощадке 2. К ней или непосредственно к рабочей камере крепится дебалансный вибратор 3, Виброплощадка установлена с помощью упругих связей 4 на массивном основании 5.

Рис,1.1, Схемы универсальных вибрационных станков с механическим дебалансным вибратором

/ , \

ГР

/ , \

Т

а

5

п ; г

/ I V

>

[

_2_ 4

Рис, 1,2, Схемы вибрационных станков с электромагнитным вибратором

Вращение вибратору передается через клиноременную передачу от электродвигателя, размещенного на основании. Возмущающая сила, создаваемая вращающимся дебалансом, сообщает рабочей камере с находящейся в ней загрузкой колебания по эллиптической или круговой траектории, В зависимости от типа вибрационного станка привод рабочей камеры может осуществляться различным количеством вибраторов (от одного до шести).

Вес колеблющихся частей (даже без учета массы загрузки) составляет 30-40% от общего веса станков такого типа (рис, 1,1 и 1.2), что создает значительные нагрузки на подшипниковые узлы вибратора.

Приводы станков с электромагнитным вибратором, в большинстве случаев, имеют небольшую мощность, а амплитуда их колебаний не превышает 3-4 мм. Реализация высокопроизводительных режимов обработки на них весьма проблематична, поэтому далее в работе они не рассмотрены.

Современные вибрационные станки, как правило, работают в за-резонансных режимах обработки. Для того, чтобы войти в такой режим, необходимо преодолеть резонансную зону, в которой резко возрастают размахи колебаний, Для этого необходимо иметь двигатель мощностью в 5 - 6 раз выше, чем мощность, потребная для работы в зарезонансном режиме [20], Для той же цели можно использовать вибраторы специальных конструкций, обеспечивающих при запуске плавный переход в зарезонансные режимы при меньшей мощности двигателя или вибраторы с безрезонансным эффектом, но обычно это усложняет конструкцию и снижает надежность работы оборудования.

У большинства универсальных станков для вибрационной обработки контейнер колеблется по гармоничному закону, при этом дета-

ли и частицы рабочей среды совершают движение, которое можно условно разделить на циркуляционное и колебательное. Циркуляция совершается со сравнительно небольшой скоростью и имеет направление, обратное вращению вала вибратора. Колебания частиц, как правило, происходят с частотой равной, частоте колебаний контейнера. При перемещении частиц цикл колебательного движения условно может быть разбит на три основные этапа: совместное с контейнером, свободное движение и удар [10,14,35,36,53,54,]. Передача импульса от стенки рабочей камеры происходит на этапе совместного движения, что сопровождается последовательным вовлечением в движение все более удаленных слоев загрузки и образованием уплотненной зоны, В процессе взаимодействия массы �