автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Обработка изделий из полудрагоценных и поделочных камней на вибрационных станках импульсного действия

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

РУЖНИКОВ ДМИТРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ОБРАБОТКА ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПОЛУДРАГОЦЕННЫХ И ПОДЕЛОЧНЫХ КАМНЕЙ НА ВИБРАЦИОННЫХ 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

кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, доцент Кольцов В.П.

Иркутск - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................4

1. ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1. Оборудование и технология вибрационной обработки импульсного действия.................................................................. 7

1.2. Результаты исследований оборудования и технологии виброимпульсной обработки..........................................................17

1.3. Роль жидкости в процессах объёмной вибрационной обработки..21

1.4. Цель и задачи диссертационной работы.................................26

ГЛАВА 2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ЗАГРУЗКИ ПРИ ОБРАБОТКЕ

2.1. Движение и взаимодействие частиц загрузки в рабочей зоне, за-

полненной жидкостью ........................ ••....................28

2.2. Динамическая модель движения жидкости в контейнере станка

..........................................................................................38

2.3. Анализ силовых процессов в рабочей зоне контейнера............46

ВЫВОДЫ.............................................................................52

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ПЛАНИРОВАНИЯ, ПРОВЕДЕНИЯ И ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

3.1. Оборудование, условия проведения экспериментов, средства измерения и контроля...................................................................53

3.2. Исследуемые показатели и параметры процесса, пределы и уровни их варьирования...............................................................59

3.3. Методика планирования и обработки результатов классических экспериментов ...........................................................................63

3.4. Методика факторного эксперимента....................................67

3.5. Обработка полученных данных...........................................71

ВЫВОДЫ ............................................................................73

ГЛАВА 4. КОНТАКТНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЗОНЕ ОБРАБОТКИ МЕЖДУ АБРАЗИВНЫМИ ЧАСТИЦАМИ И ДЕТАЛЯМИ

4.1. Исследование микрорельефа поверхности при виброимпульсной обработке...................................................................................74

4.2. Влияние регулируемых технологических параметров на производительность обработки и качество поверхности..........................................................................................86

4.3. Исследование факторного пространства виброимпульсной обработки.......................................................................................94

4.4. Сравнительный анализ способов обработки ........................101

ВЫВОДЫ ..........................................................................104

ГЛАВА 5. ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ

5.1. Применение способа обработки в абразивных зёрнах на различных операциях..........................................................................105

5.2. Разработка новых вариантов виброимпульсного оборудования ...............................................................................................108

5.3. Технология обработки полудрагоценных камней и поделочных материалов...............................................................................111

5.4. Основные положения технологических рекомендаций по обра ботке поделочных материалов и полудрагоценных камней на виброим пульсном оборудовании.............................................................121

ВЫВОДЫ...........................................................................122

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.............................................122

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ......................................................124

ПРИЛОЖЕНИЕ 1.................................................................138

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 ................................................................144

ПРИЛОЖЕНИЕ 3.................................................................151

ПРИЛОЖЕНИЕ 4.................................................................153

ВВЕДЕНИЕ

Первостепенная роль в повышении технического уровня и улучшении качественных показателей всех отраслей материального производства принадлежит машиностроению. В настоящее время перед ним стоит задача создания и привлечения наиболее конкурентноспособных технологий и оборудования окончательной обработки, которые могли бы не только увеличить производительность, улучшить эксплуатационные характеристики и внешний вид выпускаемых изделий, но и существенно снизить себестоимость продукции. Большой объем операций отделочно-зачистной и упрочняющей обработки (до 20% от общего объема операций) выполняемых с помощью ручного инструмента или средствами малой механизации делают эту задачу особенно актуальной.

Одним из её решений является широкое использование вибрационных технологий. Широкие возможности вибрационной обработки в сочетании с высокой производительностью на очистных, доделочных, шлифовально-полиро-вальных и упрочняющих операциях ставит ее в число наиболее перспективных и динамично развивающихся способов обработки и упрочнения деталей машин и приборов. В настоящее время специалисты различных отраслей машиностроения ведут исследования в этой области. Отечественные учёные А.П. Бабичев, Димов Ю.В., Литовка Г.В., Субач А.П., Тамаркин М.А., Кольцов В.П., Копылов Ю.Р., Трилисский В.О., Самодумский Ю.В., Сергиев А.П., Трунин В.Б., Устинов В.П., Шаинский М.Е., Филиппов К.Е., Беломестных A.C. и др. много сделали для изучения вибрационной обработки её теоретических и прикладных аспектов, создания новых разновидностей оборудования и технологии.

Так, на кафедре металлорежущих станков и инструментов Иркутского государственного технического университета создали новый тип вибрационного оборудования и технологии, основанного на импульсной передаче энергии в массу загрузки. Его авторы определили область использования, провели комплекс теоретических и экспериментальных исследований разработали реко-

мендации по использованию, выявили преимущества по сравнению с традиционным оборудованием.

Особенности новых станков, в виде неподвижной рабочей камеры с эластичным дном и роликами заметно изменили динамику взаимодействия частиц загрузки с поверхностью деталей и условия управления процессом обработки. Расширились возможности использования и регулирования рабочей жидкости. Это позволило авторам [91] предложить способ вибрационной обработки абразивным зерном в жидкости наиболее перспективный при обработке изделий из камня. Сибирь богата уникальными месторождениями полудрагоценных и поделочных камней, промышленная обработка которых в её регионах получает всё большее распространение. Тем не менее, при изготовлении украшений и изделий из камня доля операций, выполняемых вручную или средствами малой механизации, остается все еще весомой. Несмотря на сравнительно значительные объёмы выпуска изделий из полудрагоценных и поделочных камней в источниках технической информации практически нет обоснованных практических рекомендаций по их механизированной обработке

В связи с этим остро ощущается недостаточность информации о новом виде вибрационной технологии и обращается самое серьезное внимание на изучение характера контактного взаимодействия зерен наполнителя с поверхностью деталей.

Проведённый комплекс экспериментальных исследований движения и циркуляции компонентов загрузки позволил установить область наиболее производительного режима вибраций загрузки для станков импульсного действия и составить технологические рекомендации для обработки изделий из полудрагоценных и поделочных камней .

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

Разработаны совокупности зависимостей производительности обработки, радиусов скругления острых кромок и износа абразива, полученных при экспериментальном исследовании факторного пространства серийных образцов станков, на базе которой молено определить оптимальные режимы обработки или законы управления ими для широкого круга практических задач.

Результаты работы внедрены на Иркутском экспериментальном заводе «Сибирский сувенир». Акт использования и внедрения разработок прилагается.

В представленной работе автор защищает следующие основные положения:

1. Эффективность использования виброимпульсной обработки абразивным зерном в жидкости при производстве изделий из полудрагоценных и поделочных камней.

2. Силовую модель процесса.

3. Модель движения жидкости в контейнере виброимпульсного станка.

4. Зависимости, связывающие съем материала, скругление кромок детали и расход абразива с технологическими параметрами.

5. Результаты электронно- микроскопического исследования обработанной поверхности, позволившие установить закономерности ее образования.

6. Конструктивные модификации виброимпульсных станков.

7. Технологические рекомендации по обработке полудрагоценных и поделочных камней.

Работа выполнена на кафедре оборудования и автоматизации машиностроения 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".

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1. Оборудование и технология вибрационной обработки импульсного

действия

Вибрационная обработка представляет процесс съема материала и формирования требуемой микрогеометрии поверхности деталей под воздействием вибраций (низкочастотных колебаний), который протекает в условиях абразивного контакта деталей и рабочих гранул в контейнере вибрационного станка (виброустановки) [16-20,38,40,53,74,116-137].

Образование микрорельефа поверхности в процессе обработки происходит путем последовательного нанесения гранулами абразива большого числа следов, многократно пересекающихся в различных направлениях. Сглаживание выступов микронеровностей предыдущей операции происходит путем постепенного их скругления. Изменение высоты профиля для данных условий процесса происходит за определенный период времени, после чего их размер и профиль стабилизируются. Дальнейшая обработка не оказывает существенного влияния на величины параметров профиля микронеровностей [16]. Отличительной особенностью такого микрорельефа по сравнению с фрезерованием, точением, шлифованием поверхности является его нерегулярность и анизотропность.

На микрогеометрию и физико-механические свойства поверхностного слоя деталей оказывают влияние режимы вибрирования, форма и размеры рабочей камеры, высота загрузки, характеристики и размеры гранул рабочей среды, механические свойства обрабатываемого материала и т.п.

За десятилетия исследования и широкого использования вибрационной обработки в отечественной промышленности трудами многих исследователей созданы научные основы, отражены тенденции и направления развития её технологии и оборудования. Результаты этих работ существенно расширили область использования и подняли производительность

технологических операций. Вместе с тем возможности существующих процессов и оборудования вибрационной технологии в значительной мере исчерпаны.

Авторы работ [1,54,55,63,64] нашли выход повышения эффективности вибрационной технологии в замене характера силового воздействия на массу загрузки рабочей камеры. Как правило, на существующих станках её колебания носят гармонический характер. Предложенный авторами локальный импульсный характер передачи энергии в рабочую среду заметно расширил возможности абразивного воздействия на обрабатываемую поверхность. Это объясняется тем, что при локализации участка импульсной передачи энергии в рабочую среду силовое воздействие на неподвижную загрузку вызывает сопротивление сыпучей среды сдвигу, обусловленное действием множества элементарных сил трения, распределённых по поверхности возможного разрушения и направленных в сторону, противоположную сдвигающей силе. В загрузке возрастают силы сопротивления (напряжения), при которых и происходит разрушение (сдвиг) слоев рабочей среды. Одновременно с этим после сдвига происходит интенсивное перемещение отдельного объёма в общей массе абразива и деталей, что обуславливает относительные перемещения её частиц и значительные силы между ними по границе раздела подвижной и неподвижной зон загрузки рабочей камеры [63,64].

Таким образом, предложенный способ передачи энергии в рабочую камеру создаёт дополнительные факторы силового воздействия на содержимое рабочей камеры.

Конструктивная реализация этого способа привела к созданию вида вибрационного оборудования с неподвижной рабочей камерой, эластичное дно которой обкатывают ролики (рис. 1.1) [1,55,63,111,112].

По принципу работы и характеру воздействия предложенный способ передачи колебаний загрузке и тип вибратора относятся к кинематическому виду.

Рис. 1.1. 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 авторам 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 величина вдавливания роликов в эластичное дно камеры, а частоту колебаний / - частота прохождения роликов под дном контейнера т. е. произведение частоты вращения приводного вала п на количество роликов N , расположенных на нем.

/ . (1.1)

В первом приближении характер колебаний дна контейнера и загрузки при работе в режимах с подбрасыванием и допущении, что при прохождении ролика контакт между дном и роликами не прерывается, имеет вид, показанный на рис. 1.2. По вертикальной оси на рисунке отложена амплитуда колебаний, а по горизонтальной оси - время, сплошной линией показана траектория колебаний дна, пунктирной - загрузки. Т -период импульсного колебания дна контейнера, ^ - время движения загрузки. Соотношение между ¿и Т определяет режим колебательного движения.

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

А

Т

А

о

/ Г

г м-►

Т

Рис. 1.2. 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 в движении разрыхленную массу загрузки. При этом у дна частицы загрузки уплотняются, движутся с ним и подбрасываются вновь. При подбрасывании

и после него уплотнённая часть загрузки сталкивается с движущимися навстречу частицами, разрыхляется, движение вверх прекращается, частицы начинают падать вниз и т. д. Загрузка находится в состоянии близком к псевдосжижен-ному. Отдача энергии 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.

На основе показанной выше схемы были разработаны конструкции однокамерного и многокамерного вариантов вибрационных станков [55,64,111]. Оба варианта спроектированы на базе единых привода и станины.

В отличие от обычных традиционных конструкций виброустановок, где передача силовых импульсов от рабочего органа в обрабатываемую среду происходит одновременно на большой площади, у станка импульсного действия этот процесс происходит быстрее и имеет локальный характер, что позволяет сконцентрировать энергию колебаний и интенсифицировать взаимодействия между собой частиц загрузки. При работе происходит лишь периодическое изменение формы деформируемого рабочего органа (эластичного дна), под воздействием вращающихся роликов. Станок практически полностью уравновешен, что резко снижает уровень шума и вибраций при его работе, уменьшает динамические нагрузки на элементы конструкции и создает возможность для реализации более интенсивных режимов обработки. По мнению авторов, особенности конструкции обеспечили станку следующие преимущества.

1. Возможность независимой установки и регулирования режима колебаний в каждом контейнере, что позволяет одновременно обрабатывать

детали шести наименований, различных по жесткости и требованиям к обработанной поверхности;

2. Неподвижность контейнеров во время обработки, что облегчает возможность монтажа дополнительного оборудования;

3. Пониженный уровень вибрации и шумов работающе�