автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Особенности процесса маятниковой вибрационной отделочной обработки

¡••га од

— 2 0у ^ддр Тульский государственный университет.

на правах рукописи

Ашнпеики КфммИшрашч /'".¥/.<''

' I - /с 1/ ' ' //

УДК ¿21.324 Особенности процесса маятниковой вибрационной отделочной обработки

Специальность: 05.02.08 - Технология маипшосгроеция

Л з т о ре ф е р а т

диссертации ¡¡а соискание учёной степени кандидата технн1;« ких наук

Тула. \Ш

Работа выполнена на кафедре "Технология машиностроения" Приазовского государственного технического университета

Научный руководитель Научный консультант Официальные; оппоненты:

Ведущее предприятие

доктор технический наук, профессор Сергиев А. П. кандидат технических наук, доцент Иванов Б. И." доктор технический наук профессор Корнюхин й. Ф. кандидат технический наук, доцент Степанов Ю. С. концерн "Азовмаш" г. Мариуполь

Защита состоитсг '1Х/С" октября 1996г. ь 14.00 часов на заседании диссертационного совета К 063. 47.01, Тульского государственного университета (300600, г.Тула, пр. Ленина, 92)

О диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета,

Автореферет разослан /У сентября 1996 г. •_

Ученый секретарь . диссертационного совета, • кандидат технических наук, доцент

Е. И.

1. Общая характеристика работы.

Актуальность проблем!*. В современном [ащиностоении наблюдается четкая тенденция к повышению очности обработки И уменьшению шероховатости юверхности. Большое значение приобретает также нешнетоварная и декоративная отделка, В мировой практике еуклонно растет об'- л применения точных заготовок и ехнологических процессов на основе минимальных ехнологических припусков на обработку. Доля отделочно-ачистной обработки все возрастает, поэтому повышение ¡роизводительности труда путем механизации и втоматизации трудоемких ручных операций является одной о актуальных задач технического прогресса.

Особое внимание при этом необходимо уделить •азработке и внедрению оборудования для принципиально ювых технологических процессов, что ставит перед тшиноотроением задачу создания рациональных и кономичесКих конструкций машин, находящихся на уровне ¡учших зарубежных образцов аналогичного назначения.

Виброабразивная обработка является наиболее (ерспективным и производительным методом огделочно-ачистной обработки (ОЗО), Технологические возможности мброобработки охватывают широкий диапазон ОЗО от [ерновых, обдирочных операций до чистового полирования, лянцеванш и матирования.

Появление виброшпиндельной, виброхимической, ¡иброэлектрохимической обработки, а также оптимизация ■ехнологических режимов и совершенствование оборудования (ля вибронбразивнон обработки позволили значительно »асширить технологические возможности ОЗО и обеспечили :е широкое внедрение в промышленности.

Вопросы динамики вибрационных систем и их

взаимосвязь с конструктивными параметрами исследовались •1.11.Блехманом, К.В.Фроловым, И.Ф.Гоичаревичсм, ^.Г.Червонеико, А.П.Сергиевым и др. Технологическим и

практическим вопросам виброабразивной обработки посвящены работы А.П.Бабачева, М.Б.Шаинского, А.П.Сергиева, Б.Н.Картышева, В.А.Повидайло, В.А.Щигеля, Ю.П.Копылова и др.

Однако, обработка деталей в свободных абразивных средах на вибромашинах с целью получения шероховатости поверхности Ка 0,2...0,25 даже на режимах с минимальной интенсивностью представляют значительные техшгческие трудности.

Поэтому актуальным направлением оптимизации процессов шлифования и полирования при вибрационной обработке является изыскание новых законов движения технологической массы загрузки, обеспечивающих минимальную вероятность соударения деталей При одновременной интенсификации процесса обработки, что сводится к созданию вибрационных машин, в которых рабочий орган (контейнер) совершает колебания по траектории, обеспечиващей оптимальный закон перемещения частиц технологической загрузки.

Цель работы. Целью работы является повышение производительности процесса по металлосъему и улучшение качества обработанных поверхностей деталей за счет выбора рациональных соотношений конструктивных и технологических параметров (состав среды, уровень наполнения, СОЖ, режимы движения и т.д.) разработанной конструкции маятниковой вибрационной машины.

Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие задачи:

• экспериментально изучить влияние конструктивных и технологических параметров при отделочной вибрационной обработке на производительность процесса и качество поверхнЬсти;

• оценить особенность и целесообразность, применения для отделочных операций маятниковой вибрационной машины;

® разработать и изготовить установку, содержащую трехвальный инерционный вибратор и механизм регулирования суммарного годографа возмущающих сил; в провести комплексные экспериментальные исследования

динамических и эксплуатационных характеристик; * разработать опытно-промышленную вибрационную машину маятникового типа для отдельных операций.

Автор защищает.

1 .Результаты комплексных экспериментальных исследований влияния конструктивных и технологических факторов на производительность процесса и качество поверхности.

2. Конструкцию опытной вибромашины, содержащую трехвальный инерционный вибратор и механизмы регулирования суммарного годографа возмущающих сил,

предназначенную для исследования его влияния на производительность процесса и качество поверхности деталей.

3. Математическую модель динамики маятниковой вибромашины, предназначенную для исследования динамических процессов.

4. Конструкцию и результаты исследований опытно-промышленных базовых моделей маятниковых вибрационных машин МВМ-25А, МВМ-23Б, МВМ-50.

О б ш а я методика исследования. Для решения поставленных задач использовались известные методы изучения динамики машин, процессов взаимодействия деталей с обрабатывающей средой, основанных на фундаментальных положениях теории колебаний, теории механизмов и машин, технологии машиностроения. Исследования проводились но. опытных образцах оборудования, специально разработанного для

осуществления возможности широкого изменения

конструктивных параметров и динамических характеристик системы.

Математическая модель разрабатывалась с использованием современного математического аппарата и ЭВМ. Технологические эксперименты проводились на деталях реального производства.

В экспериментах использовались современные приборы и методы измерений:

« для оценки съема металла - аналитические весы типа АВД-200;

о для оценки шероховатости поверхности - профилограф-профилометр модели 201 и датерффероыетр модели МИИ-4У4.2;

о дня исследования движешь потоков частиц применялась скоростная съемка при помощи камеры ""Пуск-16".

Научная новизна.

1. Экспериментально установлено существование р технологической среде ( предмет обработки и обрабатывающий материал) и вибрирующем контейнере шести зон, характер движения и условия обработки в которых зависят от годографа возмущающих сил.

2. Предложена схема и обоснованы параметры конструкции вибромашины с .трехвалькым вибратором, позволяющим управлять годографом возмущающих сил и процессом обработки.

Практическая ценность работы.

Технология процесса маятниковой вибрационной обработки и опытно-промышленные вибромашины моделей МВМ-25А, МВМ-25Б, МВМ-50А и ВПМ- 100С для ее реализации позволили интенсифицировать существующие технологические процессы виброобработки и повысить нх производительность на 50... 100%. Рекомендации, касающиеся

ехнологаческих параметров, прежде всего вели'чичы, формы г угла наклона годографа итоговой возмущающей силы, юложены в основу внедренных новых техно логических фоцессоа виброобработки. Рекомендации, касающиеся инструктивных параметров, использованы при

фоектирвании вибратора и других узлов вибромашины.

Реализация работы в промышленности.

Технология виброобра бопси и установки ШЗМ-25А, ^ВМ-25Б (2шт), МВМ-50А внедрены на "Автоматно-<еханическом заводе (г.Челябшгек), ПО "Завол Арсенал" г.Киев), концерне '"Азовмаш" и заводе "Оюгябрь'' г.Мариуполь), ПО "КМЗ" (г. Красногорск).

Апробация работы. Основные результаты жботы докладывались и обсуждались на региональных тучно-иссчедовательских семинарах "Применение тезкочастотных колебаний в технологических цехах" г.Иркутск, 1986г., г.Ростов-на Дону, 1987г.); семинарах "Новые направления зачисягной и отделочной обработки в свободных абразивных средах" (г.Мариуполь, 1987г.) и "Механизация отдслочно-зачистных работ" (г.Ижсбск, 1988г.); тучно-технической конференции "Итснсификация и ттоматизация отделочио-зачистной обработки деталей чашин'и приборов" (г.Ростов-на-Дону, 1988г.); научно-гехническом семинаре "Бескислотные способы удаления зкалины" (г.Днепропетровск, 1989г.); республиканской конференции "Прогрессивная технология и оборудование для зтделочно-зачиетной обработки деталей в свободных абразивных средах" (г.Мариуполь, 1990, 1992, 1995гг.)

II у б л н к а ц и и. По теме диссертации опубликовано 2 статьи.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, выводов, приложения, списка литератры. Содержит 140 страниц машинописного текста, в том числе 33 рисунка, 4 таблицы, список литературы Етз 82 наименований.

2. Основное содержание работы.

Во введении обоснована актуальность работы, ее практическая значимость, сформулированы основные положения диссертационного исследования.

В первом разделе диссертации рассматривается физическая сущность процесса вибрационной обработки незакрепленных деталей свободными абразивными средами и виды существующего оборудования для реализации этого процесса. Выполненный в разделе обзор сделан на основе отечественной и зарубежной литературы, авторских сввдетельств и патентов.

На основе аналитического обзора сделан вывод о том, что сущестующие работы, освещающие процессы при вибрационной обработке, затрагивают отдельные ее аспекты, касающиеся проблемы высокопроизводительных технологий и оборудования для вибрационного шлифования и полирования. В основном решении этой проблемы авторы видят на пути дальнейшего совершенствования и создания абразивных сред и специальных растворов. На этом фоне практически, можно считать отсутствуют разработки, наравленные на создание высокоэффектиных технологий внброполирования, в которых решение вопроса получения низкой шероховатости достигалось бы в основном за счет совершенствования кинематических схем машин. Это особенно актуально, если учесть все более ужесточающиеся требования к созданию экологически чистых технологических процессов,

исключающих применение активных химических растворов.

К числу основных параметров рассматриваемого процесса относятся характер движения рабочей камеры и частиц рабочей среды, их скорости и ускорения; сила микроударов. Сами эти параметры зависят от конструкции вибраторов, формы рабочей камеры и других характеристик чибромашины.

Многообразие конструкций вибрационных машин говорит о целенаправленном поиске технических решений по созданию высокопроизводительных способов механического воздействия на обрабатываемые детали.

В то же время исследования и анализ конструкция вибрационных машин показывает, что их кинематика не позволяет осуществлять регулировку траектории колебшшП контейнера, необходимую для подбора режимов обработки, оптимальных для различных типов деятелей.

Нами были проведены эксперименты по изучение движения потоков частиц в рабочей камере с помощью скоростной съемки. В результате установлены несколько зон потоков движения. Однако формализировать существование этих зон движения обрабатывающей среды пока не удалось. Все вышеуказанное и определило цель и задачи настоящего исследования.

Во втором разделе приводятся методика и результаты комплексных экспериментальных исследований по установлению взаимосвязи между конструктивными и

технологическими параметрами с одной стороны ц качественными характеристиками процесса ( производительность по металлосъему и шероховатость поверхности) с другой.

Исследования, имеющие предварительный характер, проводились на экспериментальной вибромашине с ре гулируемыми конструктивными параметрами и одновалъным центробежным вибратором. Исходный режим работы вибромашины: амплитуда колебании 2.05 мм, число оборотов вибратора п=1460 об/шш. Абразивный накошпе-ль - хорошо обкатанный диабаз грануляций 15-20 мм. Образцы - цилиндры dxl=20x50мм средней массой ЮОг из стали 45 в состоянии поставки. Рабочая жидкость - двухпроцентный водный раствор кальцинированной соды, заливался н каждом эксперименте в объеме 1л из заранее приготовленной емкости. После каждого эксперимента абразивный наполнитель

промывался и дополнялся до первоначальной массы .30 кг. Время обработки - 1 час.

Все образцы предварительно были обработаны в вибромашине до одинаковой исходной шероховатости. В каждом эксперименте использовались по 5 образцов. Повторное использование образцов исключалось благодаря, их сквозной нумерации. Съем металла и шероховатость поверхности оценивались для каждого образца и вычислялось среднее арифметическое значение из 5 образцов при взвешивании на аналитических весах 2-го класса типа АДВ-200 и из 25 значений шероховатости, полученных на профилографе - профилометре модели 201. Контрольные образцы выборочно замерялись дополнительно на интерферометре модели МИИ-4У4.2.

Влияние измерения массы вибратора при том же возмущающем моменте производились за счет замены одних дебалансов другими.

В результате проведенных исследований по полному факторному эксперименту по методу Бокса-Уилстона получены уравнения регрессии для исследуемых параметров:

М 102« 2.34-0.12Х |+ 0,01 Хг-0,2Х} + 0,1Х4 Яа 101» 55,4- 4,5 X I + 8,7 X? -13,6X1 -1,6Х4

где •

М - мета;;:иосъем в г/час,

В.а -шероховатость поверхности иосле внброабразшшой обработки, мкм (Яа). \

Результаты исследований отражены в соответствующих графиках диссертации.

Далее в этом разделе приведены . некоторые консгруктивные схемы с различными вариантами возбуждения колебаний с целью специализации этих вибромашин для

различных видов изделий ( полирование плоских деталей, снятие заусенцев и т.д.). Конструкции этих машин разработаны с участием автора и защищены авторскими свидетельствами,

В третьем разделе рассмотрена динамика маятниковой вибрационной машины с плоским движением рабочей камеры, Расчетная схема машины представлена на рис. 1. Задачей динамического расчета является выбор таких параметров установки, которые обеспечивают необходимую амплитуду и частоту колебаний контейнера с обрабатываемыми деталями.

По конструкции подвижная часть маятниковой вибрационной, машины состоит из рабочего контейнера, шарнирно подвешенного на виброплатформе, упруго установленной на основании. К данной части контейнера жестко крепится блок вибраторов, состоящий из трех де-балансовых валов.

Такая система имеет семь степеней свободы. В качестве обобщенных координат приняты вертикальное и

горизонтальное смещения точки О;

координаты

41 = У . 42= X угол поворота контейнера ■ сц = ф

угол поворота упругой подвески (виброплатформы с пружинами)

~ фп

и углы ловоротой

45 = ф1 , 4« = ф2 , Я7 = фз небалансов 1,2 и 3 соответственно.

После вычисления кинетической энергии системы, ее производных, потенциальной энергии и обобщенных сил и подстановки их в уравнений Лагранжа 2-го рода, полу-тли

Рис. 1 Расчетная схема конструкцш маятниковой

вибрационной машины: х, Хс, у, ус, - координаты центра жесткой упругой и центра масс контейнера, сро-угол поворота контейнера; срьфг фз -угяы поворотов дебалансов; М, пи, гаг, Шз -массы контейнера, подвески и дебалансов; 1с, 1п- моменты инерции контейнера и упругой подвески относительно их центра масс; Сх, Су, - горизонтальные и вертикальные жесткости пружины; Ь - расстояние от точки подвеса О до центра масс контейнера С; а - расстояние от точки подвеса О до оси упругих опор; Сг эксцентрисы дебалансов; Х|, >'1- координаты осей дебалансов; 1я , У- координаты осей дебалансов относительно точки подвеса.

систему из семи неяинейных дифференциальных уравцеый. Из-за сложности вывода и громоздкости самих уравнений 01ш здесь не приводятся. Однако, считая кол -бания системы малыми, ее можно линеаризовать, Линеаризованная система из четырех уравнений имеет вид:

1

- О

+ £ '»Л, - £ '»А ып <Р+ т3£ъ эт <ру) + 1 — 1

+(с1 + а)>>-(с1-с:)«Ро = о

I

V • / \ !

1 4 2, П! \ 'у, : }\

+ v.

+ <р

Л , Л . ]

, = I ' / = I J

3 1

+ 2 Т т , (/у со $<р ! + /г_ ят р , ) I +

+ Л (

I '"Л. ]

Уместно обратить внимание на структуру полученных уравнений.

Они получились неразделенными относительно всех переменных. Это объясняется тем, что инерционные связи между координатами х ,у, ф0 ,ф более тесные, чем связи между линейными координатами.

Для исследования собственных частот рассматриваемой системы была составлена программа с использованием стандартной программы решения частотного определителя "п"-го порядка. Программа позволила исследовать влияние всех конструктивных параметров системы в широком диапазоне юс изменения, реально реализуемых в опытно-промышленной вибромашине. '

В четвертом разделе приведено исследование влияния конструктивных и технологических параметров на процесс обработки. Для проведения исследований по влиянию конструктивных и технологических параметром на процесс обработки были разработаны и изготовлены две экспериментальные вибромашины с маятниковой подвеской рабочих контейнеров МВМ-25Э и МВМ-50Э.

Данные вибромашины должны были обеспечить:

« проведение визуального наблюдения и съемки, в том числе скоростной, особенности движения рабочей среды в контейнере вибромашины; в изучение влияния конструктивных параметров, прежде

всего уровня подвески, на процесс обработки; ® проведение экспериментов по влиянию технологических

параметров на процесс обработки; » исследование влияния годографа возмущающей силы при вибрационной обработке.

Принципиальным отличием конструкций указанных машин была установка на модели МВМ-25Э одновального вибрационного возбудителя обычного типа, а к модели МВМ-

¿ОЭ дебалансового блока с тремя дебалансовыми валами, соединенными между собой посредством зубчатых колес. При этом блок валов имел возможность поворота вокруг оси на 360«. :

Первая серия экспериментов заключалась в определении зр.^исрмости величины съема металла и шероховатости поверхности от расстояния упругой подвески до дна контейнера и уроинл загрузки. Методика проведения этой серии опытов была аналогичной методике, изложенной во р^дслс. ?::г"ер"?'?"ттл пробудились при •<«>*••* вариантах взаимного расположения валов в дебалаьсовом блоке. При всех измерениях строились соответствующие графики.

Вторая серия экспериментов заключалась в определении влияния угла наклона годографа возмущающей силы на величину съёма металла и шероховатость поверхности. Эти зависимости представлены на графиках (рис. 2 и 3). Они

покг.ямнают, чи; .членение угла наклона годографа смл

отг;пспт':лы1о о "Л! рабочего контейнера позволяют достичь •шачэтеяъпого лзменевпя силовой сгоу;ггур:.т иол л распределе-хтч колебании >1 • ляссе ^аг;>уп:а.

1'.<'.зможиосгь управления структурой силового поля и ш.-дапие наперед зг,данной структуры, главным образом за сч» т наечг'сша. мгсшш, открывает возмолсность оптимального осу травления процесса обработан дай различных аэдев деталей.

Полученные результаты были • взяты за основу при рзз^збитгее п изготовлении опытне-промытленя ых шя'тахсзыя. знбрсмашап .моделей МВМ-25, МВМ-50, а также при модернизации серийной вибромашины ВПМ-100С.

Выполненные кооягдойиши-. пооволил-л также сравнивать существующие машины (пемалтмьколого типа) и маятниковые вибромашины. Результаты этого сравнения приведены на ряс. 4 и 5 и говорят в пользу маятниковых внбромапшн.

70

о

* -V 60

t

• 50

а

i «)

2 S 30

I го

10

/} j

V V J. -у

k.JJ

60

120

iso

»гм миро« «аадвиемг» uni, 0 , грк

Л, У

Рис.2 Зависимость съема металла от угла поворота дебалансного блока при уровне загрузки контейнера: 1 - 25%, 2 - 50%, 3 - 75%, 4 - 100 %. •

Рис. 3 Зависимость шероховатости поверхности от угла поворота дебалансного блока при уровне загрузки контейнера: 1 - 25%, 2 - 50%, 3 - 75%, 4-100%.

CresotssjaSM i«Bwsriw- «wrtate coessHi»

9|«H» МрсбОТШ WC

Чмтот» - te/mw

ДЦ>ИМЧМД к*.П04НМТ*4Ь - 0в«Т1*О ффвДМвЯ гм,и» ГМКМ*Л»4 Вия.

Рис. 4 Зависимость величины шероховатости поверхности

4«?Y»p«w Ст«*» <3 ♦ ©оотолвя.» лойгаввк Vsccnra «мЬам*1 в - nsUQfi ob/«*« леев**»««» - -«Г

Рис. 5

Ораннительпые характеристики по времени обычных и маятниковых машин

Пятый раздел посвящен практическому применению результатов исследования. В результате проведенных исследований был получен большой фактический материал, который положен в основу разработанного опытно-промыленного оборудования. При разработке машин учитывались также санитарно-технические нормы на оборудование, вопросы эргономики и дизайна, предложения со стороны предприятий, имеющих опыт эксдлуатации подобного оборудования. В разделе описаны конструкций и особенности базовых опытно-промышленных вибромашин моделей МВМ-25А, МВМ-25Б, МВМ-50, при разработке которых использованы принципиальные устройства по А.С.СССР N0 1520772 и 1508488. Была также . модернизирована вибромашина ВМП-100С.

Созданные машины использованы на предприятиях: "Автоматно-механический завод" (г.Челябинск), ПО "Завод Арсенал" (г.Киев), концерн "Азовмаш" (г.Мариуполь).

З.Общие выводы.

1. На основе экспериментальных исследований влияния конструктивных и технологических параметров вибромашин на производительность процесса по съему металла и шероховатость поверхности разработана математическая модель в виде уравнений регрессии, допускающая обоснованный выбор этих параметров при проек тировании вибромашин.

2.Впервые предложен способ оценки производительности по съему металла и шероховатости поверхности с помощью годографа возмущающих сил.

3. Разработаны устройства, защищенные авторскими свидетельствами, позволяющие управлять величиной и ориентацией годографа возмущающих сил.

4. Разработана математическая модель для исследования динамики маятниковой вибромашины. Разработана также программа для вычисления на ЭВМ собственных частот колеблющейся системы.

5. Разработаны и внедрены в производство базовые вибромашины МВМ-25А, МВМ-25Б, МВМ-50 и выполнена модернизация на базе серийной вибромашины ВПМ-100

<1.Публик5цги по работе

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1 .Сергиев А.П., Антипенко Е.И.,Иванов О.В. Чистовая обработка деталей в маятниковых вибромашинах // Вестник цриазовского гостехуниверситета. г.Мариуполь 1995 с. 148-150

¿.Антипенко Е.И.¡Сергиев А.П. Иванов О.В. Об одном интегральном критерии при вибрационной абразивной отделочной обработке. - Мариуполь, 1995-7с,-Деп. в ГИТБ Украины 28,02.96 № 652-Ук9б.

Водяшхло ■ печать /<? РШ'б'.Фертп бумага GOatSí t/ÍG. Буша плгеграф. ffi X . Сфсепия псатк. Уса. веч-t. f, СХ Уса. г^.чпт. { 0</, Уч.-жяд-л. ? <«Тврк* вез. Заказ 7JÁ'

Тульский гасудврствешшЙ ymorepcHigf. 300600, Туля, просо. Лея юга, S2.

Бояраалелигие оперативкой вакгргфив Тульского государственного унмьег.-esfcaa. 3SCC0O Тула, ул-Баяе/яи* £5/.