автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Интенсификация процесса виброабразивной обработки наложением ультразвукового воздействия

На правах рукописи

Вяликов Иван Леонидович

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ВИБРОАБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКИ НАЛОЖЕНИЕМ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ИС7 Ш 5 I

Ростов-на-Дону 2014

005548101

005548101

Работа выполнена на кафедре "Технология машиностроения" Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Донской государственный технический университет».

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор,

зав.каф. «Технология машиностроения»

ФГБОУ ВПО ДГТУ

Тамаркин Михаил Аркадьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

зав. каф. «Эксплуатация и ремонт машин» ФГБОУ ВПО РГУПС Бойко Николай Иванович

кандидат технических наук, доцент, доцент каф. «Технология машиностроения» ФГАОУ ВПО СКФУ Плеханов Николай Викторович

Ведущее предприятие: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова» ФГБОУ ВПО ЮРГПУ (НПИ).

Защита состоится "24" июня 2014 г. в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.058.02 в Донском государственном техническом университете по адресу: 344010, г.Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1, ауд. 252.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ДГТУ.

Отзыв в двух экземплярах, заверенный печатью, просим высылать в диссертационный совет по указанному адресу.

Автореферат разослан 23 апреля 2014 года

Ученый секретарь диссертационного совета д-р техн. наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. В современном машиностроении основное влияние на качество и эксплуатационные свойства поверхности деталей оказывают финишные операции. Задача повышения качества продукции связана с совершенствованием известных и разработкой новых, эффективных методов финишной обработки, среди которых ведущее место занимает вибрационная обработка (ВиО). Большой интерес специалистов к этому процессу объясняется её широкими технологическими возможностями и существенными технико-экономическими преимуществами.

Непрерывное совершенствование процесса приводит к созданию новых разновидностей ВиО на основе комбинирования различйыхсхем обработки и воздействия различных видов энергии (тепловой и механиче-; ской, механической и химической, электрической и химической и Др.). Это позволяет увеличить производительность обработки, улучшить качество выпускаемых изделий; снизить себестоимость их изготовления и таким образом интенсифицировать известные технологические процессы, а также реализовать новые физико-химические эффекты при обработке деталей. Поэтому направление, связанное с разработкой новых комбинированных методов, вибрационной обработки деталей и их технологий является весьма актуальным.

Диссертация посвящена разработке и комплексному исследованию нового комбинированного метода - виброабразивной ультразвуковой обработки (ВиАУЗО), который обеспечивает интенсификацию процесса-виброабразивной обработки наложением ультразвукового поля.

Степень разработанности проблемы.

Большой вклад в разработку теоретических основ вибрационной обработки и ее практического использования внесли работы: А.П. Бабичева, Ю.В. Димова, И.Ф. Гончаревича, В.П. Кольцова, А.П. Субача, М.А. Тамаркина, В.А. Анпилогова, М.Е. Шаинского, а также зарубежных специалистов Матсунаги М., Хагиуды У. (Япония), К. Веллингера (ФРГ), В. Брандта (США) и др.

Известно, что ультразвуковые колебания успешно используют для интенсификации различных процессов механической обработки заготовок.

В работах О.В. Абрамова, Б.А. Аграната, Л. Бергмана,Л.Д. Розен-берга и других установлено, что эффективность использования ультразвуковых колебании при обработке свободным абразивом зависит от амплитуды и частоты колебаний, физико-механических свойств обрабатываемых материалов, статической нагрузки, вида абразива и его концентрации в суспензии и связывается с увеличением активности абразивных зёрен, изменением кинематики и динамики взаимодействия обрабатываемой поверхности с инструментом, кавитационными явлениями в жидкой фазе, снижением усилий обработки и т.д.

Вышесказанное позволяет прогнозировать повышение эффективности виброабразивной обработки при наложении ультразвукового воздействия.

Цель работы - установление закономерностей и разработка комбинированного метода высокоэффективной виброабразивной ультразвуковой обработки на основе комплексных исследований параметров процесса.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Разработка технологических схем виброабразивной-ультразвуковой обработки.

2. Обоснование параметров обуславливающих эффективность процесса ВиАУЗО.

3. Теоретические исследования процесса кавитационно-абразивного разрушения металла в ультразвуковом поле.

4. Установление основных закономерностей влияния УЗК на производительность процесса и качество обрабатываемой поверхности.

5. Разработка рекомендаций по проектированию средств технологического оснащения для ВиАУЗО.

6. Разработка методических рекомендаций для проектирования эффективных технологических процессов ВиАУЗО.

Предмет исследования - основные закономерности удаления металла и формирования шероховатости поверхности при ВиАУЗО. . ^ Объект исследования - технологический процесс виброабразивной ультразвуковой обработки деталей.

Методологической базой исследования является анализ основных закономерностей процессов протекающих под воздействием высокочастотных и низкочастотных колебаний при обработке металлов свободным абразивом.

Теоретической базой исследования являются основные положения технологии машиностроения, теории абразивной обработки и теории ультразвуковой обработки.

Эмпирической базой исследования являются современные методы изучения съема металла и качества обработанной поверхности. Научные результаты, выносимые на защиту: раскрыта сущность совместного воздействия низкочастотных и высо-■ кочастотных колебаний при обработке деталей свободным абразивом;

механизм кавитационно-абразивного разрушения при ВиАУЗО; теоретико-вероятностная модель процесса съема металла; получена аналитическая зависимость изменения шероховатости обработанной поверхности при ВиАУЗО;

разработана методика расчета и выбора рациональных параметров ВиАУЗО при решении различных технологических задач;

Научная новизна результатов исследования.Разработан комбинированный метод виброабразивной ультразвуковой обработки на основе совмещения низкочастотных и высокочастотных колебаний и предложена эффективная технологическая схема его реализации.

Выявлены предпосылки и разработана модель кавитационно-абра-зивного разрушения поверхности металла в ультразвуковом поле. Установлены закономерности влияния технологических параметров ВиАУЗО на производительность процесса и качество обработанной поверхности.

Теоретическая значимость работы заключается в создании комплекса теоретических моделей процесса обработки, отражающего его основные закономерности и составляющие основу практических действий технолога при проектировании эффективных технологических процессов.

Практическая значимость работы заключается в создании методики инженерных расчетов рациональных технологических параметров ВиАУЗО и научно-обоснованных рекомендаций по проектированию средств технологического оснащения процесса.

Соответствие диссертации паспорту научной спеииально-сти 05.02.08 - Технология машиностроения. Диссертация посвящена совершенствованию существующих и созданию новых технологических процессов изготовления изделий требуемого качества и соответствует пунктам области исследования №2 (Технологические процессы, операции, установы, позиции, технологические переходы и рабочие хода, обеспечивающие повышение качества изделий и снижение их себестоимости), №3 (Математическое моделирование технологических процессов и методов изготовления деталей и сборки изделий машиностроения), №4 (Совершенствование существующих и разработка новых методов обработки и сборки с целью повышения качества изделий машиностроения и снижения себестоимости их выпуска).

Апробация и реализация результатов исследования. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на научно-практической конференции «Миссия молодежи в науке» (ЮФУ Таганрог 2010), Международном научно-техническом семинаре «Вопросы вибрационной технологии» (ДГТУ Ростов-на-Дону 2011), Международном научно-техническом семинаре "Применение низкочастотных колебаний в технологических целях" (ДГТУ Ростов-на-Дону 2011), Международной научно -практической конференции в рамках VII промышленного конгресса Юга России «Инновационные технологии в машиностроении и металлургии» (ДГТУ Ростов-на-Дону 2011), XV Международной научно - технической конференции: «Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологий» (ОрелГТУ Орел 2012), Международной научной конференции «Механика ударно-волновых процессов в технологических '

системах» (ДГТУ Ростов-на-Дону 2012), «Научно-техническая конференциях профессорско-преподавательского состава, сотрудников и студентов» (ДГТУ Ростов-на-Дону 2011,2012,2.013), Международных научно-технических конференциях: Состояние и перспективы развития сельскохозяйственного машиностроения "Интерагромаш" (Ростов-на-Дону 2013, 2014), Международной научно-технической конференции «Наукоёмкие комбинированные и виброволновые технологии обработки материалов» (ДГТУ,Ростов-на-Дону 2013), ХЬой Международной научно-практической конференции «Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации», Юго-Западный гос. ун-т., (Курск,2014).

Разработанная на основании результатов исследований технология ВиАУЗО и средства технологического оснащения процесса прошли промышленные испытания на ОАО "Роствертол" и рекомендованы к внедрению в производство.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 4 в журналах, рекомендованных ВАК Российской Федерации (всего 5,45 р. л., лично автором - 3,75 п. л.).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и рекомендаций, списка использованной литературы из 104 наименования, изложена на 141 странице, содержит 19 таблиц, 62 рисунка и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, направленной на решение важной научно-технической задачи - повышение эффективности финишной обработки деталей на основе интенсификации вибрационной обработки наложением ультразвукового воздействия.

Первая глава содержит аналитический обзор и анализ выполненных ранее исследований, посвященных интенсификации вибрационной обработки. Показана эффективность применения ультразвука в технологических целях, а так же его влияние на повышение интенсивности металлообработки. Раскрыты предпосылки применения ультразвуковых колебаний для интенсификации виброабразивной обработки.

На основании результатов анализа априорной информации сформулированы цель и задачи исследований.

Вторая глава посвящена выбору и обоснованию технологической схемы виброабразивной ультразвуковой обработки. Рассмотрены различные варианты наложения ультразвукового поля на массу загрузки рабочей камеры при виброабразивной обработке. Дана сравнительная оценка влияния расположения ультразвукового поля в рабочей камере на повышение эффективности процесса. Проведено обоснование эффективных условий реализации процесса ВиАУЗО

Результаты проведённых исследований представленные на рис. 1, показали, что больший эффект воздействия ультразвукового поля на интенсификацию процесса виброабразивной обработки достигается при расположении ультразвукового преобразователя в центральной зоне рабочей камеры (рис, ?). Это позволило именно этот вариант расположения ультразвукового поля в рабочей камере вибростанка положить в основу технологической схемы реализации виброабразивной ультразвуковой обработки (ВиАУЗО),

а,<

I, мин

Рис. 1. Влияние схем расположения ультразвукового преобразователя на сьём металла (материал Д16Т): обозначение схем 1 - над свободной поверхностью обрабатывающей среды, 2 - вместо задней стенки рабочей камеры, 3 - в центральной зоне рабочей камеры.

СО

Рис. 2. -Технологическая схема виброабразивной ультразвуковой обработки: 1-ультразвуковой преобразователь, 2- деталь, 3 - крышка, 4 - рабочая камера, 5 - ультразвуковое поле, 6 - абразивная среда, 7- упругие элементы, 8-вибратор

Глава третья посвящена раскрытию технологических закономерностей виброабразивной ультразвуковой обработки, дан анализ исследований технологического эффекта воздействия потока гранулированной абразивной среды на поверхность деталей. Проведены теоретические исследования влияния ультразвукового поля на разрушение поверхностей детали в процессе ВиАУЗО.

Особенности ВиАУЗО заключаются в том, что в процессе обработки, поверхности деталей одновременно подвергаются динамическому воздействию потоков абразивных частиц, движение которых инициируется низкочастотными колебаниями стенок рабочей камеры и кавитационно-абра-зивному разрушению, обусловленному ультразвуковым полем, генерируемым ультразвуковым преобразователем.

Несмотря на то, что ведущим процессом в условиях ВиАУЗО является виброабразивный, осуществляющий съем металла и формирование параметров качества поверхностного слоя, введение ультразвукового поля позволяет дополнительно осуществлять процесс съёма металла мельчайшими тонкодисперсными частицами, вследствие предварительного разрушения поверхностного слоя обрабатываемых деталей за счёт кавитационно-абразивного воздействия.Знергетической основой протекания этого процесса являются ударно-волновые явления, активируемые ультразвуковым полем.

Рассмотрение процесса, протекающего в ультразвуковом поле, как дисси-пативного,на основе энергетического подхода позволило обосновать в общем виде структурную схему расчётной модели кавитационно-абразивного разрушения поверхности в виде (1),

V Р

у =--У±1л- , (1)

го ехР[ -

ЯТ

где 1 _ г„ехр| "" ~ \ - продолжительность элементарного акта

Я-Т

усталостного разрушения, 1/У- объём материала разрушаемого в процессе кавитационно-абразивного воздействия, Рр - вероятность реализации фактического ударно-импульсного деформирования микрообъёма поверхности, т0 - постоянная времени равная периоду атомных колебаний, ц,-

энергия активации разрушения материала, /? - структурно-чувствительный коэффициент, о- эквивалентное напряжение, Я- универсальная газовая постоянная, Г- абсолютная температура.

Предложенная модель учитывает:

8

-дискретный характер кавитационно-абразивного 'разрушения материала поверхностного слоя в пространственном и временном измерениях; -наличие процесса накопления повреждений; ■ -вероятностный характер процесса разрушения.' :

С целью использования полученной расчётной модели в инженерной практике принят ряд допущений:

1) в качестве количественной характеристики металла, накапливающего повреждения принят активированный: к разрушению микрообъём равный молярному объёму цп, который при вероятностной оценке определяет общий съём металла с поверхности, подвергнутой кавитационно-абразив-ному разрушению в ультразвуковом поле.

2) вероятность разрушения мольного объёма оценивается соотношением:

рр=Ъ " <2>

р- удельное давление в зоне контакта микрочастиц с обрабатываемой поверхностью;

//В-твёрдость материла обрабатываемой поверхности.

Обоснование параметров кинетической модели кавитационно-аб-разивного разрушения в ультразвуковом поле с позиции энергетического подхода к процессу усталостной повреждаемости и разрушения поверхности, а так же с учётом виброабразивной обработки, позволяет представить скорость съёма металла в процессе ВиАУЗО следующим образом:

Ко г-; Р2('Щ +Кч р (АНП-0.3У,пру (3)

где /у геометрическая вероятность события, заключающегося в том, что любая точка квадрата упаковки покрывается пятном контакта за один цикл воздействия массы абразивных гранул;

Р2- вероятность события, заключающегося в том, что взаимодействие абразивной частицы с поверхностью детали приведет к микрорезанию; о) - частота колебаний рабочей камеры, с1;

ц - съем металла при единичном взаимодействии абразивной гранулы с поверхностью детали, кг,

Кч- корректировочный коэффициент интенсивности процесса кавитационно-абразивного разрушения;

Рк- вероятность того, что за один оборот массы загрузки деталь попадает в зону ультразвукового воздействия и подвергается кавитационно-абра-зивному разрушению, N - количество молярных объёмов одновременно подвергаемых кавитационно-абразивному разрушению на площади квадрата упаковки при нахождении детали в зоне ультразвукового воздействия, Д/уг, - предельное искажение кристаллической решетки равное разности теплосодержания (энтальпии) материала в твердом состоянии, при температуре плавления и энтальпии при 293°К , Уш - молярный объём материала, разрушаемого в процессе кавитационно-абразивного

воздействия, рт - плотность материала обрабатываемой детали, р- удельное давление в зоне контакта микрочастиц с обрабатываемой поверхно-стью;ЯЯ-твёрдость материла обрабатываемой поверхности, т0 - постоянная времени равная периоду атомных колебаний, Rr- радиус гранулы абразивной частицы.

На основании анализа формирования шероховатости поверхности при ВиАУЗО предложена следующая аналитическая зависимость:

««(О = Raycr)exp(- 4у° t) + Raycn (4)

\ исх^г /

где Rauci - среднее арифметическое отклонение профиля исходной шероховатости; Ra- среднее арифметическое отклонение профиля установившейся шероховатости; ки - коэффициент интенсивности изменения параметров микропрофиля, с'1, зависящий от режимов обработки и характеристик рабочих сред.

Важное значение при проектировании технологических процессов имеет возможность определения необходимого времени обработки. В общем виде уравнение для оценки продолжительности вибрационной ультразвуковой обработки можно представить как:

гДе Qxp~ объём металла, который необходимо удалить с поверхности детали для решения технологической задачи; Уо - скорость разрушения поверхности в процессе обработки.

В качестве функции QKp будем рассматривать металлосъём с поверхности детали с целью решения одной из следующих технологических задач:

- удаление дефектного слоя (после литья, штамповки и т.п.)

t = __

д ' (6)

РгР2о) V (kHTs-o.2Vmp\

НВ т0ехр{—'? дг j

где At - толщина дефектного слоя,

Р„, - плотность материала обрабатываемой детали,

-удаление заусенцев

Р1Р2Ы V +К,Гу--ТЗЯ^азТ^т

НВ г0ехр[— !Гг )

где

Ц -толщина заусенца у основания, соизмеримая с его высотой, - радиус абразивной гранулы,

- скругление острых кромок до определенного радиуса

1к ■

2Д гГ2

Р Р ыУ +К 4 ^пркгрк

ИВ г0ед:р(-—

где г- радиус скругления острой кромки,

(8)

- достижение заданной установившейся шероховатости

л. _ _кПр[{гисх4Н^_

Ш РРоуУ иг. ' (9)

где кпр- коэффициент, учитывающий вид профиля исходной шероховатости;

1<2исх~ шероховатость исходной поверхности.

Четвёртая глава содержит методику и результаты экспериментальных исследований ВиАУЗО деталей.

Приведены технические характеристики оборудования и приборов для экспериментальных исследований процесса ВиАУЗО, дано описание образцов и специальных приспособлений, характеристики рабочей среды.

При проведении экспериментальных исследований решался следующий комплекс вопросов:

- определение технологических возможностей ВиАУЗО,

- установление закономерностей влияния на процесс кавитационно-абразивного разрушения: объёма ТЖ в рабочей камере; параметров ультразвукового поля; зоны распространения ультразвуковых колебаний в рабочей камере вибрационного станка;

- исследования профиля и микропрофиля поверхности деталей, подвергнутых кавитационно-абразивному разрушению;

- обоснование адекватности расчетной модели для оценки ВиАУЗО,

- разработка методических и технологических рекомендаций по практи-

ческому использованию ВиАУЗО для отделочной обработки деталей.

Результаты экспериментальных исследований, представленные на рис. 3 показали, что наибольший эффект кавитационно-абразивного разрушения достигается при объёме ТЖ в рабочей камере в диапазоне 0.15-0.25 от её объёма.

О, г 0,05 0.04 Б 0,04 О.ОЗБ 0,03 0,025 0,02 0,015 0,01 0,005 О

.Й

0.

к

И,

и

од

УжД/к

0,2 0,3 0,4 0,5

Рис. 3 - Зависимость кавитационно-абразивного разрушения микропрофиля от объёма ТЖ в рабочей камере.

Дальнейшее повышение объёма снижает интенсивность кавита-ционно-абразивного разрушения в ультразвуковом поле. С целью изучения распространения ультразвуковых колебаний в рабочей камере вибрационного станка УВГ-40 проведён эксперимент с закреплением, на разном расстоянии от ультразвукового преобразователя , образца прямоугольной формы 10x100x2,5, материал Д16Т, время обработки: I = 30 мин(рис. 4).

. у

ЧТУ й/

Рис. 4.Схема проведения экспериментальных исследований: 1-рабочая

камера,

2- приспособление для закрепления образцов, 3 - образец , 4 - ультразвуковой преобразователь

Результаты экспериментальных исследований представлены на рисунке 5.

о;* I 3 0.' \

о I

Рис. 5. Результаты исследования влияния распространения ультразвуковых колебаний на съём металла и шероховатость поверхности.

О влиянии параметров ультразвукового поля наглядно свидетельствуют результаты проведённых в работе экспериментальных исследований, представленные на рис. 6, которые показали, что изменение амплитуды колебаний ультразвукового цилиндрического магнитострикционного преобразователя с 2мкм до 10 мкм позволяет повысить интенсивность ка-витационно-абразивного разрушения микропрофиля поверхности образцов в 1,6 раза.

-а--

-ф—

____о~

------

—а

□ д:6

Рис. 6. Зависимость интенсивности разрушения микропрофиля образцов от амплитуды колебаний ультразвукового поля

Результаты экспериментальных исследований влияния продолжительности ВиАУЗО на величину съёма металла и шероховатость поверхности при размещении ультразвукового преобразователя в центральной

зоне рабочей камеры представлены на рисунках 7 и 8.Обработка проводилась при следующих амплитудно- частотных параметрах рабочей камеры: А= Змм, <у=24,7; и ультразвукового преобразователя: 1=6А, 11=2408,

Рис. 7. Влияние продолжительности ВиАУЗО на величину съёма металла при размещении ультразвукового преобразователя в центральной зоне рабочей камеры

ОВжЛУЗО О В(Ю

а) материал сталь 45

И, мин

6) материал Д16Т

Рис. 8. Влияние продолжительности ВиАУЗО на шероховатость поверхности при размещении ультразвукового преобразователя в центральной зоне рабочей камеры

На рисунках 9 и 10 представлены изменение опорных кривых в процессе ВиО и ВиАУЗО образцов из алюминиевого сплава Д16Т и стали 45.

Опорная кривая профиля шероховатости на начальном участке при ВиАУЗО располагается выше, чем у аналогичного профиля шероховатости, достигаемого при ВиО (рис. 9,10).

Рис. 9 Изменение опорных кривых в процессе ВиО и ВиАУЗО образцов из сплава Д16Т:

1 - исходный профиль, Яа = 7.04 мкм;

2 - ВиО, 60 мин, Яа = 3.94 мкм;

3 - ВиАУЗО, 60 мин, Ра = 3.05 мкм.

Рис, 10. Изменение опорных кривых в процессе ВиО и ВиАУЗО образцов из стали 45:

1 - исходный профиль, Яа = 3.64 мкм;

2 - ВиО, 60 мин, Яа = 2.26 мкм;

3 - ВиАУЗО, 60 мин, Яа =2 .37 мкм;

Исследование микрорельефа обработанной поверхности осуществлялось на сканирующем зондовом микроскопе «№поес!иса1:ог»: образцы 15x1.5x2, материал Д16Т, после 60 минут обработки.

Результаты исследований представлены на рисунке 11

, ' 0,0 рт

а - исходный образец: материал Д16Т

2,6 (1П1 -0,0 мгг

б - обработанная поверхность ВиО - ВиАУЗО

в - Обработанной поверхности

Рис. 11 30 - визуализация обработанной поверхности - материал Д16Т, время обработки 1 час, площадка 30x30 мкм

Исследование изменения профиля поверхности в зависимости от метода обработки представлены на рисунке 12.

а) б)

Рис. 12. а - микропрофиль обработанной поверхности - ВиО Б - микропрофиль обработанной поверхности - ВиАУЗО

В целом результаты экспериментальных исследований подтвердили правильность теоретических зависимостей,

предложенных в главе 3 описывающих механизм удаления металла при ВиАУЗО и формирования шероховатости обработанной поверхности.

Пятая глава содержит разработку рекомендаций по проектированию средств технологического оснащения для ВиАУЗО на основании результатов теоретических и экспериментальных исследований: приведены рекомендации по выбору габаритных размеров и характеристик ультразвуковых преобразователей; предложены типовые конструкции крепления ультразвуковых лреобразователей в рабочей камере.

Разработаны технологические рекомендации по проектированию рациональных технологических процессов ВиАУЗО при решении различных технологических задач.

Приведены рекомендации по выбору характеристик абразивных рабочих сред и обеспечению стационарного циркуляционного движения массы загрузки.

После выбора нескольких сочетаний технологических режимов производится расчёт съёма металла, шероховатости обработанной поверхности и времени обработки для решения соответствующей технологической задачи.

На основании технико-экономического сравнения выбирается наиболее приемлемый вариант сочетания технологических режимов.

В диссертации представлен пример расчета технологического процесса ВиАУЗО деталей небольших размеров ОАО «Роствертол», на отде-лочно-зачистных операциях. Предложенный технологический процесс рекомендован для внедрения, что подтверждается соответствующим актом промышленных испытаний.

Общие выводы и рекомендации.

1. На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований установлены закономерности и разработан высокоэффективный комбинированный метод виброабразивной ультразвуковой обработки.

2. Разработана технологическая схема и образцы лабораторно- промышленного оборудования для ВиАУЗО.

3. Произведено теоретическое обоснование повышения эффективности вибрационной обработки при наложении ультразвукового воздействия.

4. Наложение ультразвукового поля позволяет повысить производительность процесса на 15-20% при одновременном улучшении качества обработанной поверхности (уменьшение шероховатости Иана 10-15%).

5. Разработаны методические рекомендации для проектирования эффективных технологических процессов ВиАУЗО.

6. При проведении экспериментальных исследований влияния объема технологической жидкости на установившуюся шероховатость поверхности и съем материала детали установлены рациональные значения её объема при которых рекомендуется обработка деталей - от 0,15 до 0,25 объёма рабочей камеры.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Вяликов И.Л. Технологическая схема обработки деталей приборов на вибрационно-ультразвуковой установке / И. Л. Вяликов// Вестник Донск. гос. техн. ун-та. - 2012. - № 1(62), вып. 1. - С. 109-113.

2. Вяликов И.Л. Разработка и исследование технологической схемы виброультразвуковой обработки / А.П. Бабичев, М.А. Тамаркин, И.Л. Вяликов, Н.С. Коваль// Упрочняющие технологии и покрытия / 2012. - № 8.-С. 29-32.

3. Вяликов И.Л. Интенсификация,Процесса вибрационной обработки путем ультразвуковой активации частиц обрабатывающей среды / И. Л. Вяликов // Вестник Дон. гос. техн. ун-та. - 2013. - № 1-2 (70-71). -С. 62-66. . ;

4. Вяликов И.Л. Оценка эффективности влияния ультразвуковых колебаний на повышение интенсивности вибрационной отделочной обработки деталей /В.А. Лебедев, И.Л. Вяликов//Наукоемкие технологии в машиностроении. М. 2014. № 4.

Статьи в других изданиях:

5. Вяликов И.Л. Технологическая схема обработки деталей на вибрационно-ультразвуковой установке / М.А. Тамаркин, И.Л. Вяликов// Вопросы вибрационной технологии: межвуз. сб. науч. ст. по материалам междунар. науч.-техн. семинара "Применение низкочастотных колебаний в технологических целях" /ДГТУ.- Ростов-н/Д, 2011.- С. 30-36.

6. Вяликов И.Л. Интенсификация ударно-волновых явлений вйб-' рационной обработки в результате наложения ультразвукового воздействия /М.А. Тамаркин, И.Л. Вяликов, B.C. Минаков// Механика ударно-волновых процессов в технологических системах. Сб. тр. Междунар. науч. конф., Ростов н/Д, 2012.-С. 16-21.

7. Вяликов И.Л. Разработка конструкции рабочей камеры с применением ультразвукового преобразователя для вибрационного станка УВГ 4*10 / А. О. Воронцов, О. Ю. Гвоздиков // Инновационные технологии в машиностроении и металлургии: сб. ст. Междунар. науч. - практ. конф. в рамках VII пром. конгр. Юга России - Ростов н /Д, 2011 - С. 309-315.

8. Вяликов И.Л. Исследование влияния наложения ультразвукового поля на процесс вибрационной обработки деталей/ Р.В. Гребёнкин// Состояние и перспективы развития сельскохозяйственного машинострое-ния"Интерагромаш 2013", - Ростов н /Д, 2013.- С. 211-213.

'9. Вяликов И.Л. Обоснование формы и места размещения источника ультразвуковых колебаний в рабочей камере для повышения интенсивности вибрационной обработки/ М.А. Тамаркин, И.Л. Вяликов, Р.В. Гребёнкин// Междунар. научно-техническая конференция: «Наукоёмкие комбинированные и виброволновые технологии обработки материалов» - Ростов-н/Д. -2013.

10. Вяликов И.Л. Математическое моделирование процесса виброабразивной ультразвуковой обработки деталей. /М.А. Тамаркин, Э.Э. Тищенко, И .Л. Вяликов// Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации: сборник научных трудов Х1-ой Межд. науч.-практ. конф. Том 4. Юго-Зап. гос. ун-т. - Курск,2014 - 384 с.

В печать

Объём О усл. п. л. Офсет. Формат 60x84/16.

Бумага тип №3. Заказ №2¥£тираж-Л?#экз. Цена свободная

Издательский центр ДГТУ

Адрес университета и полиграфического предприятия: 344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина,!.

На правах рукописи

0420145954:

ВЯЛИКОВ Иван Леонидович

Интенсификация процесса виброабразивной обработки наложением ультразвукового воздействия

05.02.08 — Технология машиностроения

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Тамаркин Михаил Аркадьевич

Ростов-на-Дону 2014 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.................................................................. 4

Глава 1 Состояние вопроса. Цели и задачи исследований............... 6

1.1. Обзор исследований в области интенсификации 6 виброабразивной обработки..........................................

1.1.1 Направления интенсификации вибрационной 6 обработки

1.1.2 Методы интенсификации ВиО, основанные на комбинировании различных видов энергетического воздействия............................................................... 12

1.2 Технологические возможности и закономерности ультразвуковой обработки............................................ 18

1.2.1 Применение ультразвуковых колебаний в технологических процессах механической обработки......... 18

1.2.2 Закономерности влияния ультразвуковых колебаний

на эрозию твёрдых тел................................................. 19

1.2.3 Предпосылки применения ультразвуковых колебаний для интенсификации виброабразивной обработки............... 30

1.3 Цель и задачи исследований.................................... 32

Глава 2. Выбор и обоснование технологической схемы

виброабразивной ультразвуковой обработки..................... 34

2.1 Варианты наложения ультразвукового поля на массу загрузки рабочей камеры при виброабразивной обработке ... 34

2.2 Сравнительная оценка влияния расположения ультразвукового поля в рабочей камере на повышение эффективности процесса.............................................. 38

2.2.1 Источники ультразвуковых колебаний, оборудование и среды...................................................................... 38

2.2.2 Методика исследований и результаты сравнительной оценки..................................................................... 43

2.3 Обоснование эффективных условий реализации процесса ВиАУЗО.................................................................. 45

Глава 3. Технологические закономерности виброабразивной

ультразвуковой обработки............................................ 51

3.1. Технологический эффект воздействия потока гранулированной абразивной среды на поверхность деталей . 51

3.2. Технологический эффект обработки поверхностей

детали в ультразвуковом поле.................................... 57

3.2.1. Механизм кавитационно-абразивного разрушения при

ВиАУЗО.................................................................. 57

3.2.2 Кинетическая модель повреждаемости и разрушения поверхности детали в ультразвуковом поле при ВиАУЗО .... 59

3.3 Формирование шероховатости поверхности при ВиАУЗО 80

3.4 Оценка продолжительности ВиАУЗО................................................82

Глава 4. Экспериментальные исследования процесса ВиАУЗО................88

4.1 Исследование эффективности влияния ультразвукового поля на разрушение поверхности........................................................................88

4.1.1 Технические средства исследований................................................88

4.1.2 Методика и результаты экспериментальных исследований........................................................................................................................95

4.2 Исследование производительности процесса ВиАУЗО

и качества поверхности деталей..........................................................................104

4.2.1 Методика и технические средства исследований..................104

4.2.2 Исследование съёма металла при ВиАУЗО................................106

4.4.3 Исследование шероховатости поверхности при ВиАУЗО....................................................................................................................................113

Глава 5. Практическое использование результатов исследований............120

5.1 Рекомендации по проектированию средств технологического оснащения ВиАУЗО........................................................120

5.2 Методические рекомендации для проектирования эффективных технологических процессов ВиАУЗО..................124

5.3 Практическое применение технологии ВиАУЗО..................127

Заключение и основные выводы по работе................................................130

Библиографический список....................................................................................131

Введение

В современном машиностроении основное влияние на качественные и эксплуатационные показатели деталей оказывают финишные операции. Задача повышения качества продукции связана с совершенствованием известных и разработкой новых, эффективных методов финишной обработки, среди которых ведущее место занимают методы вибрационной обработки (ВиО). Большой интерес специалистов к этому процессу объясняется его широкими технологическими возможностями и существенными технико-экономическими преимуществами. Область использования вибрационной технологии в различных отраслях производства достаточно многогранна и имеет тенденцию к дальнейшему расширению. В машиностроении - это отделочно-зачистная и отделочно-упрочняющая обработка, вибрационная стабилизирующая обработка, совмещенные процессы отделочной обработки и покрытий, мойка и сушка, транспортирование, совершенствование процесса сборки, интенсификация гальванических и химических процессов, усталостные испытания материалов, изменение параметров процесса и состояния материала и др.

Непрерывное совершенствование процесса приводит к созданию новых разновидностей ВиО. Предпосылкой к их разработке является принцип комбинирования различных схем обработки и воздействия различных видов энергии (тепловой и механической, механической и химической, электрической и химической и др.). Совершенствуя существующие методы вибрационной обработки и создавая новые, можно увеличить производительность обработки, улучшить качество выпускаемых изделий, снизить себестоимость их изготовления, так как совмещенные процессы позволяют не только интенсифицировать известные технологические процессы, но и реализовать новые физико-химические эффекты при обработке деталей. Поэтому разработка новых комбинированных методов обработки деталей и их технологий является весьма перспективным направлением в развитии науки и создании новой техники.

Диссертация посвящена установлению закономерностей и разработке комбинированного метода высокоэффективной виброабразивной ультразвуковой обработки на основе комплексных исследований параметров процесса.

В работе на основании теоретических и экспериментальных исследований:

- предложена технологическая схема для реализации этого метода обработки, которая положена в основу разработки лабораторно-промышленного оборудования ВиАУЗО;

- установлены основные закономерности, обоснованы технологические параметры и условия эффективного протекания процесса ВиАУЗО;

- разработаны технологические рекомендации по использованию новой технологии в производстве.

Работа выполнена на кафедре «Технология машиностроения» Донского государственного технического университета.

Глава 1. Состояние вопроса. Цели и задачи исследований

1.1 Обзор исследований в области интенсификации виброабразивной обработки

1.1.1 Направления интенсификации вибрационной обработки

Повышение качества изделий машиностроения сопровождается возрастающими требованиями к совершенствованию технологии их изготовления. Важная роль в решении задач технологического обеспечения качества деталей и изделий принадлежит финишным методам обработки.

Одним из прогрессивных методов обработки деталей в современном производстве является вибрационная обработка в абразивной среде, которая получает все более широкое применение на операциях очистки литья, снятия заусенцев, скругления острых кромок, нанесения покрытий, шлифования, полирования, отделки поверхности деталей с целью повышения их качества.

Практика вибрационной обработки, а также результаты исследований ее различных аспектов показывают, что производительность процесса и качество поверхности деталей находятся в тесной зависимости от механических свойств обрабатываемого материала, режимов обработки, от форм и размеров применяемых камер, способа размещения деталей в камере, характеристики абразивной среды, вида технологической жидкости.

Понятие «вибрационная технология» появилось в 70-е годы как следствие развития метода вибрационной обработки, который по своему содержанию существенно отличается от традиционных методов обработки и характеризуется более высокой интенсивностью и производительностью, оригинальными качественными показателями, способствует разработке экологически чистых ресурсосберегающих технологий [15].

Вибрационная обработка в зависимости от характера 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 частицами рабочей среды, совершающими в процессе работы колебательное движение.

Сущность вибрационной обработки, технологическая схема которой представлена на рис. 1.1, заключается в следующем. Обрабатываемые детали загружаются в рабочую камеру, заполненную гранулированной средой требуемой характеристики. Рабочая камера, установленная на упругой подвеске, может колебаться в различных направлениях. Колебания рабочая камера получает от инерционного вибратора с частотой до 50 Гц и амплитудой от 0,5 до 6 - 8 мм. В процессе обработки детали и частицы гранулированной среды относительно перемещаются, совершая два вида движений: колебания и медленное вращение всей массы загрузки (циркуляционное движение). От стенок рабочей камеры вибрация передается прилегающим слоям гранулированной среды, которые сообщают ее следующим слоям и т.д.

1

Рис. 1.1. Схема процесса вибрационной обработки [15]: 1 - рабочая камера; 2 - пружины; 3 - дебалансный вибратор; 4 - основание; 5 - шланги для подачи и слива технологической жидкости; 6 - помпа; 7 — бак-отстойник

В процессе обработки детали занимают различные положения в рабочей среде, что обеспечивает достаточно равномерную обработку всех поверхностей. Большое количество микроударов, действующих на обрабатываемую деталь одновременно в различных направлениях, способствует (в некоторой степени) удержанию ее во взвешенном состоянии, исключая грубые забоины и повреждения. Это позволяет обрабатывать детали малой жесткости. Большинство операций ВиО производится с непрерывной или периодической подачей технологической жидкости (ТЖ). Это создает условия протекания химических и электрохимических процессов. Объем рабочей камеры может изменяться от 0,1 дм3 до нескольких м3, что позволяет проводить обработку различных по размерам деталей (от игл клапанов до панелей крыла самолета). Основными технологическими факторами являются амплитуда и частота колебаний, характеристики рабочей среды, материала деталей и время обработки.

Большой вклад в разработку теоретических основ вибрационной обработки и ее практического использования внесли труды учёных:

A.П. Бабичева, П.С. Берника, Ю.В. Димова, И.Ф. Гончаревича,

B.П. Кольцова, Ю.Р. Копыл ова, А.П. Сергиева, А.П. Субача, М.А. Тамаркина, М.Е. Шаинского, С.Н. Шевцова, а также зарубежных специалистов Матсунаги М., Хагиуды У. (Япония), К. Веллингера (ФРГ), В. Брандта (США) и др. [7,10,15,17,29,30,32,43,59,61,69,70,71,74,80,92,95].

Дальнейшее совершенствование процесса и развитие ВиО как одного из производительных и универсальных способов финишной обработки различных по форме и размерам деталей ведётся в направлении поиска путей интенсификации и расширения её технологических возможностей и создания на этой основе новых методов обработки.

Повышение интенсивности вибрационной обработки производится из соображений изменения параметров процесса взаимодействия рабочей среды с обрабатываемой поверхностью детали с целью:

- устранения зон малой эффективности обработки в рабочей камере;

— обеспечения равномерности обработки деталей сложной формы;

- возможности обработки труднообрабатываемых материалов;

— улучшения качества поверхности и эксплуатационных свойств деталей;

- повышения производительности процесса.

В настоящее время сформировались два основополагающих направления повышения эффективности ВиО (рис. 1.2). Первое -интенсификация процесса путём конструктивных изменений оборудования и комбинирования кинематических схем, второе - путём комбинирования различных видов энергии, сообщаемой массе загрузки рабочей камеры.

г ....... ........... .......................

Направления интенсификации ВиО

1 1

Г комбинирование различных видов энергии конструктивное изменение оборудования

-манипуляторы

-экраны-вставки

-подвижные и неподвижные

приспособления

- Виброабразивная электрофизическая обработка (ВиЭФО);

- Вибрационная механико-термическая обработка (ВиМТО);

- Вибрационная магнитоабразивная обработка (ВиМгАО);

- Вибрационная механотермомагнитная обработка (ВиМТМгО);

- Виброабразивная электрохимическая обработка (ВиАЭХО)

Рис. 1.2. Направления интенсификации ВиО [15]

Вопросу интенсификации за счёт конструктивных изменений посвящено большое количество работ [11,13,17,20,29,33,57,70,82,91]. В первую очередь, это реализуемая кинематика ВиО, обусловленная

процессом передачи энергии от рабочих элементов (стенки камеры) через рабочие среды к обрабатываемой поверхности детали. К настоящему времени разработано большое количество разнообразных вибрационных станков отечественного и зарубежного производства, обеспечивающих различную динамику процесса ВиО. Так, например, в работах [13,20,69,72,74] описываются конструкции оборудования, отличительной особенностью которого является расположение вибратора в различных положениях относительно рабочей камеры, что существенно сказывается на характере взаимодействия частиц гранулированной среды с обрабатываемой поверхностью. При этом важную роль играет тип источника возбуждающих колебаний, которые определяют траекторию движения стенок рабочей камеры с загруженными в неё деталями и обрабатывающей средой. В ходе эволюции оборудования для осуществления ВиО появились установки, реализующие колебания камеры с различными характеристиками колебаний - дорезонансные, резонансные и зарезонансные.

В работах [15,92] на основании проведённых исследований показано влияние соотношения геометрических размеров рабочей камеры на характер движения гранулированной среды. Установлено [92], что важным фактором интенсивности процесса ВиО является массоразмерное соотношение рабочей среды и обрабатываемых деталей, а также общий объём загрузки рабочей камеры. Для наиболее распространенных конструкций рабочих камер прямоугольной и торовой формы коэффициент объёма загрузки должен составлять 0,7-0,8.

Рядом исследователей [9,31, 61, 91] доказано, что введение в рабочую камеру различных вставок, перегородок, дополнительно передающих колебания частицам рабочей среды, позволяет активировать циркуляцию рабочей среды и таким образом повысить интенсивность обработки.

Возможность управления интенсивностью виброобработки в результате изменения динамического состояния гранулированной среды

путём её уплотнения в рабочей камере достаточно глубоко исследована в трудах Ю.Р. Копылова, С.Н. Шевцова, В.Г. Санамяна [ 43,56,70,92].

В работах С.Г. Емцова, В.М. Георгиева, Г.Г. Цорданиди [33,72,91] на основе комбинирования кинематических схем взаимодействия обрабатываемых деталей с обрабатывающей средой предложены и исследованы такие технологические схемы обработки, как

виброшпиндельная, вибромаятниковая, позволяющие повысить

эффективность обработки деталей типа тел вращения, а также деталей, имеющих фасонные сферические поверхности.

Обобщая первое направление интенсификации ВиО, можно отметить следующее.

1. Предложенные конструктивные способы интенсификации ВиО решают в основном задачи, связанные с изменением динамики движения частиц обрабатывающей среды. Изменение динамического состояния среды приводит к повышению силовых факторов контакта частиц с обрабатываемой поверхностью.

2. Введение в рабочую камеру дополнительных элементов способствует устранению зон с малой эффективностью в рабочей камере и тем самым обеспечивает равномерность динамического воздействия частиц на обрабатываемую деталь.

Последнее обстоятельство является наиболее эффективным решением задачи с точки зрения интенсификации процесса. Что же касается влияния изменения динамических характеристик гранулированной среды на интенсификацию процесса ВиО, то как показывает анализ исследований в этом направлении, вышерассмотренные решения обеспечивают их на 20-30%. Однако это увеличение не приводит к значительному повышению производительности процесса и не всегда обеспечивает расширение технологических возможностей ВиО (особенно при обработке внутренних поверхностей).

Наиболее предпочтительно второе направление интенсификации ВиО, связанное с комбинированием видов энергии в различном сочетании для воздейств�