автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Повышение интенсивности процесса вибрационной обработки деталей за счет увеличения давления в рабочей камере

На правах рукописи

САНАМЯН Валерий Геворкович

ПОВЫШЕНИЕ ИНТЕНСИВНОСТИ ПРОЦЕССА ВИБРАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ ЗА СЧЕТ УВЕЛИЧЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ В РАБОЧЕЙ КАМЕРЕ

05.02.08 - Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ростов-на-Дону, 1997

Работа выполнена в Донском государственном техническом университете

Научный руководитель: засл. деятель науки и техники

Российской федерации, член-корр. РАТН,

доктор технических наук, профессор Бабичев А.П.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Краплин М.А.; кандидат технических наук Хачатурян Ф.З.

Ведущее предприятие: АО "САНТАРМ"

Защита состоится 22 апреля 1997 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 063.27.03 в Донском государствегшом техническом университете (ДГТУ) по адресу: 344708, г. Ростов-на-Дону, ГСП-8, пл. Ю. Гагарина 1, ауд. 252.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ДГТУ. Автореферат разослан 21 марта 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета К.т.н., доцент

В.С. Дмитриев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Важнейшей задачей современного машиностроения является создание, освоение и внедрение в производство новой высокоэффективной техники и технологии, обеспечивающей рост производительности труда, снижение материало- и энергоемкости, всемерное улучшение качества и эксплуатационных характеристик выпускаемой продукции, повышение ее конкурентоспособности на мировом рынке.

Решение указанной задачи неразрывно связано с совершенствованием известных и разработкой новых методов финишной обработки.

Одним из БшсоксэффскггиБКЫх способов отделочно-зачистной и упрочняющей обработки деталей сложной конфигурации является обработка их в среде свободных рабочих тел, совершающих низкочастотные колебания, получившая название вибрационной обработки (ВиО).

Благодаря своим широким технологическим возможностям, высоким технико-экономическим показателям, а также возможности механизации и автоматизации, ВиО занимает все более важное место среди современных методов финишной обработки. Уже к настоящему времени значительная часть предприятий авиационной, элекгротехшиеской, радио- и. приборостроительной промышленности имеет оборудование и участки ВиО и успешно использует его в технологическом цикле изготовления широкой номенклатуры деталей.

Однако, относительно большая длительность цикла ВиО, особенно при включении вибрационных станков в технологические поточные линии, сдерживает ее применение как при обработке крупных партий деталей сравнительно небольших размеров, так и при обработке деталей больших размеров и веса, в связи с необходимостью создания значительных заделов перед операцией ВиО с большим количеством единиц оборудования.

Основная идея работы состоит в повышении силового воздействия частиц рабочей среды на поверхность обрабатываемых деталей за счет неиспользованных резервов физико-технологических возможностей рабочих сред.

Цель работы - повышение интенсивности процесса ВиО за счет оптимизации физико-технологических свойств рабочей среды путем управления динамическим состоянием массы загрузки рабочей камеры под действием внешней регулируемой нагрузки.

АВТОР ЗАЩИЩАЕТ:

1. Метод интенсификации процесса ВиО, основанный на управлении физико-технологическими свойствами рабочей среды путем всестороннего механического сжатия массы загрузки рабочей камеры вибрационного станка под воздействием внешней регулируемой нагрузки.

2. Механизм взаимодействия частиц рабочей среды с поверхностью обрабатываемой детали и особенности формирования топографии последних в механически сжатой массе загрузки рабочей камеры.

3. Основные закономерности процесса ВиО деталей в условиях механически сжатой рабочей среды.

4. Аналитические зависимости для расчета технологических параметров процесса и прогнозирования результатов обработки в зависимости от степени сжатия рабочей среды.

5. Рекомендации по выбору оптимальных условий обработки деталей сложной формы и проектирования оборудования для ее осуществления в зависимости от назначения и схемы выполняемой операции.

6. Новые технолопгческие схемы ВиО деталей в условиях механически сжатой рабочей среды, а также схемы оборудования для их осуществления. '•

Общая методика исследований. Теоретические исследования выполнялись на основе положений теории вибрационной техники и технологии, механики зернистых сред, динамической теории упругости, технологии машиностроения, теории трения, износа и абразивного разрушения.

При экспериментальных исследованиях использовались различные методы и средства, основанные на применении тензометрии, точного взвешивания и измерений, профилографировашгя, виброметрии, металлографического анализа и др. Расчеты производились посредством вычислительной техники.

Научная новизна. Выдвинута, теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность управления динамическим состоянием массы загрузки вибрационного станка под действием внешней регулируемой нагрузки. Раскрыты закономерности изменешгя физико-технологических свойств виброкипящей рабочей среды при ее механическом сжатии. Установлено, что сжатие рабочей среды при ВиО является 'важным, самостоятельным фактором управления процессом. Разработана модель взаимодействия частиц рабочей среды с поверхностью обрабатываемой детали, раскрывающая особенности формирования топографии последних при различных степенях сжатия массы загрузки. Установлены оп-

тималыше значения степени сжатия рабочей среды для различных схем ВиО. Получены теоретические зависимости для расчета основных технологических параметров ВиО и прогнозирования ее результатов в зависимости от степени сжатия рабочей среды.

Практическая ценность. Разработана методика расчета объема металла, высотных параметров шероховатости поверхности деталей, продолжительности процесса, требуемого для их достижения. Разработаны научно обоснованные рекомендации по выбору оптимальной степени сжатия рабочей среды для различных технологических схем ВиО. Предложены новые схемы технологических процессов и оборудования для ВиО деталей в условиях повышенного давления в рабочей камере. Разработаны рекомендации по модернизации существующих и проектированию новых вибрационных станков. Созданы опытные и опытно-промышленные образцы оборудования. Выявлена перспективность использования механического сжатия рабочей среды для интенсификации других разновидностей ВиО.

Реализация в промышленности. Основные результаты работы внедрены на двух машиностроительных заводах СССР с общим экономическим эффектом 80166 тыс. рублей в ценах 80-х годов.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава ДГТУ (1980-1954 гг.), региональных научно-технических семинарах "Применение швкочастотньк колебаний в технологических целях" (Ростов н/Д, 1981-1983 гг.; Львов, 1984 г.; Полтава, 1985 г.; Ровно 1988 г.), республиканском семинаре "Малоотходные процессы обработки деталей - резерв экономии металла и снижения трудоемкости" (Киев, 1985 г.), республиканских конференциях "Пути повышения эффективности производства ..." (Махачкала, 1981 г.), "Интенсификация и автоматизация отделочно-зачистной обработки деталей в машиностроении" (Ростов н/Д, 1988 г.), всесоюзных научно-технических конференциях "Оптимизация условий эксплуатации и выбора характеристик абразивного инструмента в машиностроении" (Ленинград, 1981 г.), "Теплофизика тех-нолопгческих процессов" (Ташкент, 1984 г.), "Конструирование и производство сельскохозяйственных машин" (Ростов н/Д, 1985 г.), "Интенсификация технологических процессов механической обработки" (Лешппрад, 1986 г.), "Остаточные напряжения - резерв прочности в машиностроении" (Ростов н/Д, 1991 г.), международной научно-техшгческой конференции "Надежность машин и технологического оборудования" (Ростов н/Д, 1994 г.).

. Публикации. По результатам работы опубликовано 18 печатных ра бот, получено 30 авторских свидетельств на изобретения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационой ра боты. Изложены результаты исследований, представлены научные положе-Ш1я, выдвинутые на защиту.

В первой главе приводится анализ технологических возможностей ВиО, дается характеристика различных ее схем и разновидностей. Представлен обзор работ в области ВиО. Проанализированы основные положения работ А.П. Бабичева, В.И. Дьяченко, Ь.Б. Хороша, Ю.М. Самодумского, В.П. Устинова, В.Б. Юркевича, М.Н. Карташова, М.Е. Шаинского В.А. Власова!, Б.Н. Картышева. JI.K. Зеленцова, Ю.В. "ßfjsiOBa, A.A. Мал-кина, В.А. Анпилогова, А.П. Субача. Ю.Р. Копылова, С.П. Попова, В.П Кольцова. Подчеркивая значимость указанных работ, выполнение которы) позволило ВиО занять важное место среди современных методов отделоч-но-упрочняющей и зачистной обработки деталей отмечается, что в ню решение задач оптимизации и интенсификации процесса ВиО осуществляется, преимущественно за счет характера колебаний рабочей камеры, амплитудно-частотных параметров работы станка, физико-механических г гра1гуломстрических характеристик частиц рабочей среды, состава СОЖ г технологических схем.

Существенным и вместе с тем недостаточно использованным в настоящее время резервом повышешы .интенсивности ВиО является создание равномерного, в том числе повышенного динамического состояния рабочей среды в плоскости поперечного сечения камеры. То есть сшпкенш демпфирующих свойств массы загрузки и исключения зон различной интенсивности процесса с приближением эффективности динамического воздействия частиц рабочей среды на поверхность обрабатываемых деталей в эффективности зон камеры с наибольшей производительностью и выше.

Одним из методов решения указанной задачи является обеспечение равномерной передачи колебательной энергии рабочей среде и увеличение жесткости динамических столбцов частиц, передающих силовые импульсы вглубь массы загрузки от различных участков поверхности рабочей камеры Это достигается путем всесторошюго механического сжатия массы загрузки рабочей камеры под действием внешней нагрузки.

Однако, широкое внедре1ше метода ВиО при повышенном давлении в рабочей камере, особенно при обработке свободно загруженных деталей, все еще сдерживается малой изученностью процесса, отсутствием работ.

раскрывающих ее особенности и технологические возможности. В соответствии с этим были сформулированы следующие задачи исследования:

- исследование основных закономерностей изменения динамического состояния виброкипящей рабочей среды под действием внешней регулируемой нагрузки;

- изучение физико-технологических свойств механически сжатой рабочей среды в процессе ВиО;

- разработка методики, экспериментального оснащения и средств измерения параметров механически сжатой рабочей среды, подвергаемой вибрациошюму воздействию;

- теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение возможности повышения интенсивности ВиО за счет механического сжатия массы загрузки рабочей камеры;

- исследование механизма и особенностей взаимодействия частиц рабочей среды с обрабатываемыми деталями, формировать их топографии и поверхностного слоя при ВиО в условиях повышенного давления в рабочей камере;

- экспериментальные исследования влияния основных технологических параметров и прежде всего степени сжатия массы загрузки рабочей камеры на производительность процесса ВиО и качество обработанной поверхности;

- разработка научно-обосновагшых рекомендаций по выбору оптимальных условий ВиО в механически сжатой рабочей среде, модернизации существующих и разработке новых конструкций вибрационных станков;

- разработка технологических процессов и конструкций вибрационных станков, опытно-промышленная апробация и внедрение их в производство.

Во второй главе представлены результаты теретических исследований. На основе анализа уравнений А.П. Бабичева и закономерностей распространения ударных волн в зернистых средах (в том числе и массе загрузки рабочей камеры вибрационного станка) установлена связь основных параметров ВиО с упругодиссипативными и инерционными свойствами используемых рабочих сред.

Выявлено, что в качестве критериев, определяющих упругодиссипа-тивные и инерционные свойства массы загрузки рабочей камеры при ВиО, могут быть приняты коэффициенты Ке и р, являющиеся физико-механическими характеристиками виброкипящей рабочей среды, отражающие ее способность воспринимать и передавать в глубь массы загрузки внешние динамические воздействия (Ке - коэффициент эффективности

передачи колебательной энергии от грузонесущего органа частицам сред! Р - коэффициент затухают энергии частиц среды на фронте раснростр; няюшихся ударных волн).

Исходя из положений механики зернистых сред и динамической тес рии упругости показано, что величина указанных параметров являете функцией пористости рабочей среды и может регулироваться в достаточг широких пределах за счет снижения последней путем механического ежг тия рабочей среды. При этом сжатие среды является важным самосто; тельным фактором управления процессом ВиО. Анализ комплекса явлени сопровождающих мехашгческое сжатие рабочей среды, позволяет сделат вывод о том, что снижение пористости массы загрузки рабочей камер при ВиО будет оказывать двоякое влияние: с одной стороны будет повк шать пространственную неоднородность динамического состояния масс! загрузки и увеличивать усилия взаимодействия ее компонентов за счет уве личения равномерности прилегания массы загрузки к стенкам камеры снижения коэффициента р, с другой стороны будет ограничивать возмож ность изменения точек контакта компонентов массы загрузки за счет со; дания кинетически устойчивых структур, препятствующих относительном перемещению.

Для определения оптимальных условий ВиО рассмотрена взаимо связь между усилием сжатия рабочей среды и свободой относительного пе ремещешш ее компонентов. Принимая во внимание, что нагрузка, прила гаемая к массе загрузки вибрационного станка, распространяется равно мерно по всему объему, а основным видом сопротивлешм перемещения! ее компонентов являются силы трения, пропорциональные усилиям ежа тия, за базовую принята методика решения известной задачи о перемеще ниях частицы зернистого наполнителя относительно других под действие} вибраций в условиях непрерывно возрастающих сил 'фения. Согласно ука занной методики для описания относительных перемещений частицы ра бочей среды можно воспользоваться дифференциальным уравнением (И.И Быковский)

— = Ата2 (бш таг + (р) -— (1

Л т

где А и ю - соответственно, амплитуда и частота вибрационного воздейст вия, ш - масса частицы среды, т. - модуль силы трения, V - скорость час тицы.

Из (1) следует, что функциональная зависимость между параметрам! а = Р / тАсо2 и Т1 = Аг / Ак , характеризующими степень сжатия рабочег

среды и свободу относительного перемещения ее компонентов носит монотонно убывающий характер и описывается уравнением

/Т ТС 71СХ

1] = л/1-а -а(—-агсБта-агссоБ—), при 0 < а < 0,54; (2)

Т1= 2л/1-а2 -а(л-2агс5ша), при 0,54 < а < 1. (3)

При этом в диапазоне (2) в течение каждого периода колебаний частица в своем относительном движении осуществляет непрерывное перемещение, а в (3) совершает остановки конечной длительности, величина которой при приближении а к 1 стремится к 2п/а> (т. е. периоду). Приведенные сведешш показывают, что по мере механического сжатия рабочей среды при ВиО будет наблюдаться рост геометрических размеров следов обработки при монотонном, в соответствии с параметром г|, снижении равномерности их распределешзд по поверхности обрабатываемой детали. Последнее наиболее заметно будет проявляться в интервале 0,54 < а < 1, когда за период колебаний происходит частичное разрушение кинетически устойчивых структур, и окажется несущественным в диапазоне 0 < а < 0,54, соответствующем условиям полного разрушения создаваемых кинетически устойчивых структур. Следует отметить, что описанная модель справедлива для схем ВиО, при которых сжатие рабочей среды не снижает разности инерционных свойств частиц среды и обрабатываемых деталей. В противном случае, рост следов обработки будет наблюдаться в ограничешюм диапазоне значений п., в котором увеличение усилий динамического контакта компонентов массы загрузки за счет улучшения упругодиссипативных свойств рабочей среды будет превалировать над снижением их величины из-за уменьшения разности инерционных свойств обрабатываемых деталей и частиц среды.

Определение съема металла и параметров шероховатости поверхности деталей. При аналитических исследованиях съема металла (()) и параметров шероховатости Яа усх) формирующейся поверхности обрабатываемых деталей исходили из того, что главная отличительная особенность исследуемого процесса состоит в интенсификации механических и физико-химических процессов, происходящих в локальных зонах динамического контакта компонентов массы загрузки рабочей камеры, при сохранении качественной картины известных закономерностей разрушения материала в массе свободных рабочих тел, подвергаемых вибрациям. Механическое сжатие рабочей среды будет способствовать увеличению размеров следов обработки, объема металла, удаляемого при единичном воздействии, росту количества следов обработки за счет увеличения вероятности более плот-

ной упаковки частиц среды, контактирующих с обрабатываемой деталью (Р) и вероятности образования следов обработки (Pi).

При выводе теоретической зависимости для расчета Q использована методика, заключающаяся в определении съема металла (усредненного по сечению рабочей, камеры) за один акт динамического воздействия частиц рабочей среды на поверхность обрабатываемой детали (q) с последующим суммированием количества таких актов за период обработки cot

Q=(l + 0,2P)qP1tBt|i, (4)

уп

где - площадь поверхности детали, Syn - площадь элементарной ячейки упаковки частиц рабочей среды.

Зависимости для расчета q и геометрических размеров следов обработки получены с учетом работ Е.Ф. Непомнящего и М.А. Тамаркина. Согласно результатам исследований:

q = 15,5K~°'75KaR3

K^KAAcjsiny(Prp/3cas)

(ctgy-Dp; (5)

К 1 ~ ехр[Р(1 - Ы)] 0,5 ГДС Р(М-1) Е ' ( )

КЭф - усредненный ио сечению рабочей камеры коэффициент эффективности динамического воздействия частиц рабочей среды на обрабатываемую поверхность; Кд - коэффициент, учитывающий изменение амплитуды колебаний рабочей камеры по мере механического сжатия массы загрузки; И - размер гранулы, равный радиусу описанной окружности; у - угол взаимодействия гранулы с обрабатываемой поверхностью; Ргр - плотность материала гранулы;

Кк - коэффициент, учитывающий влияние зернистости абразивной гранулы на фактическую площадь контакта; с - коэффициент, оценивающий несущую способность контактной поверхности;

аз - предел текучести материала детали; f - коэффициент трения;

N - диаметр рабочей камеры, выражений в размерах частиц рабочей среды

(Ы = ёк / сЦ); р - плотность материала детали;

Кд - коэффициент диспергирования материала детали.

Принимая во внимание сложность теоретических исследоваггай по определешпо значений Ке, (3, КА, Кд, Р и Рь а также учитывая прибли-жешшсть получаемых при этом результатов (что дает большие погрешности при расчетах), величины указанных параметров и их зависимость от а определялись экспериментальным путем.

Исследования механизма формирования поверхности деталей при ВиО в механически сжатой рабочей среде позволили установить, что, несмотря на отличие физико-технологических свойств свободнозагруженной и механически сжатой рабочих сред, закономерности формирования поверхностного слоя деталей при этих процессах имеют большое сходство. Основные их отличия заключаются в количестветгых показателях, обу-словлешгых увеличением глубины следов обработки и повышением интенсивности срезания микрогребешков исходной шероховатости. Исходя из этого, при выводе зависимостей для расчета ожидаемых значештй и в качестве базовых были приняты известные модели, дающие удовлетворительные результаты при описании формирования шероховатости поверхности деталей и позволяющие учитывать специфику исследуемого процесса. Установлено, что для случая сглаживания исходных, относительно грубых микронеровностей, когда шероховатость обработанной поверхности определяется количеством снимаемого металла, расчет И2 может быть произведет) по формуле

(1 + 0,2Р)Р)дта1 4Кпр112р

К-г об = К-г исх--" Г2-' ^

где Кпр - коэффициент, учитывающий вид профиля удаляемой шероховатости.

Достигаемая при этом установившаяся шероховатость (после удаления исходных микронеровностей) будет характеризоваться параметром 11а, определяемым из уравнения:

Яа = 0,09Кшл/ЬЬед/г0; (8)

где - усредненная по сечению рабочей камеры максимальная глубина внедрения абразивной гранулы в поверхность обрабатываемой детали

Ь = 2КэфКААгаК5ту(ргр/ЗКксст5)0'5; (9)

го - номинальное число вершин зерен абразива, расположенных под единицей поверхности связки; Ьед - единичная длина профиля;

Кш - коэффициент, учитывающий наиболее вероятное удаление деталей относительно стенок рабочей камеры и влияние наплывов вытесненного металла ira шероховатость поверхности.

Особенности исследуемого процесса в уравнениях (4, 7 и 8) учитываются при определешш q, Р, Pj, h и Кш.

В третьей главе изложена методика экспериментальных исследований. Основная серия экспериментов выполнялась на вибрационном станке УВТ4x10 с использованием цилиндрических рабочих камер емкостью 10, 20 и 30 дм3. Сжатие рабочей среды осуществлялось посредством приспособления, состоящего из поршня, нажимного винта и динамометра. Исследования эффективности передачи и распространения силовых импульсов в рабочей среде, характер их распределения в плоскости сечения камеры выполнены с помощью специального датчика и манипулятора. Регистрация силовых импульсов осуществлялась осциллографом Cl-29. Замеры производились, как при свободноскоординировашюм, так и жестко закрепленном (независимо от виброплатформы) положении датчика с ориентацией плоскости чувствительного элемента к стенкам камеры.

Изучение формы, характера строения, взаимного расположения, измерение размеров и фотографирование следов обработки производились на микроскопе МБС-2. Эксперименты выполнены с использованием специального приспособления, позволяющего вести обработку отдельных элементов поверхности образцов в фиксированный момент времени при установившихся режимах работы станка.

Образцы изготовлялись из стали 30 (as = 300 МПа и 400 МПа), стали 45 (as = 600 МПа и 1000 МПа), стали У10А (crs = 600 МПа), чугуна ВЧ 4212 (os = 300 МПа), латуни ЛС 59-1 (as = 300 МПа), сплава Д16ЧТ (as = 250 МПа) и других материалов. Требуемые характеристики обеспечивались соответствующим видом термообработки.

В качестве рабочих сред использовались бой абразивных кругов на керамической и вулканитовой связке твердости СТ-ЧТ, грануляции 3 -5...35 - 40 мм, зернистости 4 - 40, формованный абразив ПТ 15, фарфоровые шары диаметром 8, 10 и 12 мм, Байкалит грануляции 3 - 5...50 - 60 мм, стальные шары диаметром 8 мм. Измерение съема металла осуществлялось весовым методом с использованием аналитических весов АДВ-200. Контроль шероховатости и запись профилограмм производились на про-филометре-профидографе модели 201. Исследование микротвердости и микроструктуры выполнялись на приборах ПМТ-3 и МИМ-8.

Интенсивность наклепа при упрочняющей обработке оценивалась по величине стрелы прогиба образцов-свидетелей. Измерения осуществлялись

индикаторным прибором с ценой деления 0,001 мм. Регистрация параметров колебаний рабочей камеры производилась приборами ВР-1 и 2ТСт-32-488. Обработка экспериментальных данных выполнялась посредством вычислительной техники.

В четвертой главе изложены результаты экспериментальных исследований. Установлено, что во всем диапазоне 0 < а < 1 по мере удаления от стенок камеры (>■)) величина регистрируемых силовых импульсов (Б) уменьшается по закону близкому к экспоненциальному, причем качественная картина функциональной зависимости Б = Г(Г\!) не изменяет своего характера при изменении зоны камеры и условий обработки. При этом отмечаются лишь их количествешпле отличия. От яичия отмечаются также и в вычисленных значениях р. Большие значения (3 наблюдаются в зонах камеры с исходной низкой производительностью, меньшие - с более высокой.

Описанная закономерность особенно наглядна в диапазоне 0 < а < 0.2. Наряду с этим, при увеличении а наблюдается рост И во всех зонах камеры, которые монотонно приближаются к некоторому постоянному значению, характерному для данных условий ВиО. При этом отмечается разная скорость роста И по зонам камеры, что хорошо видно из результатов измерений И в нижней и верхней зонах камеры. Так, если при а = 0,2 Рн/Рв составляет 2,8 , то при а — 0,4; 0.6; 0,8 Рн/Рв составляет соответственно 1,7; 1,3; 1,05 , а при а = 1 Ги и Гв практически не отличаются. Повышение а сопровождается также и снижением р, причем скорость снижения Р, также как и Р неодинакова в плоскости поперечного сечения камеры, наибольшие ее значения имеют место в зонах с наибольшими исходными значениями р. Это особенно заметно при перемещетги датчика вдоль вертикальной оси камеры. Здесь увеличение а от 0,2 до 0,8 сопровождается снижением р в 2,1 раза в направлении "верх - 1шз" ив 1,4 в направлении "низ - верх". Описанная закономерность изменения динамического состояния рабочей среды приводит к выравниванию ее физико-технологических свойств по зонам камеры. При этом усредненная по периферии камеры величина Р с увеличением а возрастает по закону близкому к линейному (Ке) и монотонно (по закону близкому к экспоненциальному) снижается по мере удале1шя от стенок камеры. Уравнение, описывающее зависимость Б от а и N. может быть представлено в виде:

Р= 1^(1 + 1,15а)ехр[р(1-Ы)]. (10)

Анализ результатов, полученных при свободноскоординированном положении датчика показал, что описанная закономерность повышения Р

при такой схеме ВиО регистрируется в ограниченном диапазоне а, превышение которого сопровождается заметным снижением Б, величина которых по мере приближения а к 1,0 стремится к 0. Установлено, что верхняя граница указанного диапазона зависит от вида применяемой рабочей среды и лежит в пределах а — 0,55 - 0,65. Математическая обработка результатов эксперимента показала, что усредненная по сечению рабочей камеры КЭф может быть рассчитана по уравнению:

РоО-М)

1 - ехр и----

(1+ 1,15а) Т1У ехра

Кэ* = КэФ°"-1-Реахр[Ро(1-^] "" (П)

где V - коэффициент, зависящий от зернистости абразивных гранул.

Изучение поверхности образцов показало, что во всем диапазоне 0 < а < 1 на них наблюдаются следы обработки, форма которых в плане приближается к эллиптическому пятну контакта. Отмечается большое сходство в строении следов, полученных при различных условиях обработки. Измерения показали, что в диапазоне 0 < а < 0,3-0,4 наблюдается рост следов до 15 -20 %. Увеличение а > 0,3-0,4 сопровождается уменьшением их размеров, величина которых при приближешш а к 1 стремится к 0. При этом скорость относительного изменения следов определяется зернистостью гранул и возрастает с ее увеличением. Установлено, что при а > 0,9 топография поверхности детали представляет собой сетку с треугольной ячейкой, в вершинах которой имеет место скопление большого числа следов обработки. По мере снижения а в диапазоне 0,5 < а < 0,9 отмечается рассредоточение следов обработки, образующих в своей совокупности замкнутые кривые строчечного типа эллиптической или петлеобразной формы. Наблюдается рост радиуса указанных кривых и их пересечение. Дальнейшее снижение а в диапазоне 0 ^ а < 0,5 характеризуется нарушением сплошности кривых с уменьшением протяженности отдельных участков и повышением их разноориентировашюсти. Приближение а к 0 сопровождается образованием сильно разбросанных следов без определенной их ориентации. Наблюдешгя за динамикой развития топографии во времени показали, что во всем диапазоне 0 < а < 0,7-0,8 формируется изотропный микрорельеф, характерный для ВиО.

Описанные закономерности подтверждают правильность моделей, принятых при теоретических исследованиях, что даст основания определить численные значения коэффициентов КЭф 0 и V путем сравнения расчетных и экспериментальных следов обработки. Установлено, ЧТО Кэф о —

0,875 , а N3 гранул 4-8; 16-25; 32-40 соответствуют следующие значения V 0,9-1,0; 1,1-1,2; 1,35-1,45.

Оценка вероятности треугольной упаковки частиц рабочей среды при контакте с поверхностью обрабатываемой детали (Р) производилась путем изучения топографии поверхности образцов, прошедших кратковременное ВиО в различных зонах камеры. Форма упаковки частиц рабочей среды оценивалась по относительному расположению следов обработки. Исследования показали, что относительное расположение следов при ВиО, в значительной степени, соответствует треугольной или квадратной упаковке частиц среды. При этом Ртр выше в нижних слоях массы загрузки, Р^ - в верхшгх. Установлено, что увеличение а сопровождается ростом Ргр во всех зонах камеры, а нижняя граница пределов изменения а, при котором обеспечивается изотропная форма упаковки, соответствует а = 0,8-0,9. Обработка результатов наблюдений показала, что зависимость Р1р от а описывается уравнением:

Р= 1-0,55 ехр(-4ос). (12)

Контроль амплитуды колебаний рабочей камеры (Л) при различных значегшя а позволил выявить, что с увеличением а наблюдается снижение А. Установлено, что для типовых станков в диапазоне амплитудно-частотных параметров, применяемых в практике ВиО, указанная взаимосвязь может быть описана уравнением:

Ла = А0(1-0,38а1'27). (13)

Оценка вероятности Р1 выполнена путем сопоставления доли единицы поверхности деталей, покрытых следами обработки (ЛБД с расчетными их значениями (Л$р) при со1 колебагагях рабочей камеры. Определено, что механическое сжатие рабочей среды при ВиО способствует увеличению вероятности ?1 . При этом функциональная зависимость Р1 от а описывается уравнением:

Р! =0,65(1 +0,58а°'68). (14)

Исследоваш1я съема металла показали, что в диапазоне 0 < а < 0,30,45 наблюдается рост интенсивности ВиО до 2,5 и более раз. При этом отмечается повышение равномерности обработки на 25-35 %. Увеличите а > 0,45 сопровождается снижением съема металла, который при а > 0,8 стремится к 0. Установлено, что аОПт ~ 0,45 соответствует гранулам N3 = 4-8, а аопт ~ 0,3 - N3 = 32-40. Отклонение экспериментальных аопт от теоретического сст = 0,54 объясняется приближенностью теоретической модели, в которой не учтена шероховатость частиц рабочей среды. Значения

Кд определялись сопоставлением экспериментального съема металла с расчетными его значениями. Установлено, что Кд в механически сжатой рабочей среде лежит в пределах 0,82-0,25 и определяется не только свойствами материала детали, но и динамическим состоянием среды. Установлено также, что Кд = Кд 0 ПШ> где ш - коэффициент, зависящий от зернистости гранул. Значения т лежат в пределах ш = 0,2-0,3...0,7-0,8 и возрастают с увеличением N3. Определены границы частот и размеров абразивных гранул, обеспечивающих рост съема металла: со = 50(1+0,7а0-75); с1 = 55(1-0,625а).

Исследования шероховатости поверхности детали показали, что ВиО в диапазоне 0 < а < 0,4 сопровождается увеличением уст на 30-35 %. Время достижения Яа усх при этом сокращается до 2-2,5 раз. Увеличение а > 0,4 характеризуется снижением И.а уст, который при а ю 0,6 приближается к Ыа уст, соответствующим а = 0, время обработки при этом возрастает. Установлено, что при а = 0,3-0,4 длительность процесса, необходимая для достижения Яа > Ка уст сокращается до 2,8 и более раз. Из сопоставления расчетных и экспериментальных значений Иа уст выявлено, что лучшая их сходимость достигается при пользовании значением Км, определенным из соотношения:

где с - коэффициент, зависящий от физико-механических свойств обрабатываемого материала. Значения с лежат в пределах 1,15-1,25...1,4-1,45 и возрастают с увеличением пластичности.

Исследования упрочнения деталей в среде стальных шаров позволили установить, что оптимальное значение а при этих операциях ВиО лежит в пределах а = 0,4-0,5. В указанном диапазоне а обеспечивается рост интенсивности обработки до 2 и более раз, повышение равномерности на 30-35 и более процентов, сокращение периода насыщения поверхности наклепом в 1,25 раза, повышение степени упрочнения на 20-30 %, распространение упрочнения на глубину до 600-800 мкм.

В пятой главе представлены примеры и даны рекомендации по практическому применению результатов исследований. Приведена методика расчета съема материала, высотных параметров шероховатости поверхности деталей, продолжительности процесса, требуемого для их достижения. Даны рекомендации по модернизации и созданию новых станков. Показаны особенности и приведены примеры модернизации (в том числе в производственных условиях) станков с емкостью рабочей камеры 350 дм3 , 200

при 0 < а < 0,4 при а > 0,4

дм3 , 10-15 дм3. Представлены новые конструкции станков для различных схем ВиО (свободная загрузка, закрепление, протягивать). Описана опытно-промышленная модель станка проходного типа, обеспечивающая при а ~ 0,6-0,7 повышение интенсивности съема материала в 3 и более раза, увеличение равномерности обработки до 90 %.

Показана перспективность применения эффекта повышенного давления при других разновидностях ВиО. На основании предварительных исследований установлено, что в диапазоне а = 0,8-0,9 при шпиндельной вибрационной обработке достигается рост интенсивности обработки до 6 раз, увеличение равномерности съема металла на 30-35 %. Вибрациошгая термомеханическая обработка в диапазоне а — 0,35-0,45 обеспечивает повышение производительности обработки до 2-2,5 раз, снижение пористости и увеличение плотности наносимых покрытий до 2 раз, увеличение равномерности плакирования на 20-30 %. В диапазоне а =0,3-0,4 при вибрационной электрохимической обработке отмечается рост съема металла в 1,5-1,8 раз, повышения равномерности обработки до 20 и более процентов.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Выдвинута, теоретически обоснована и экспериментально подтверждена гипотеза о возможности повышения производительности процесса ВиО на основе управления динамическим состоянием рабочей среды под действием внешней регулируемой нагрузки.

2. Исследованы основные закономерности изменения физико-технологических свойств вибрирующей рабочей среды под действием внешней сжимающей нагрузки.

3. Установлено, что механическое сжатие массы загрузки рабочей камеры сопровождается весьма сложным комплексом явлений, проявляющихся главным образом в:

- улучшении условий передачи и распространения силовых импульсов от источника колебаний в глубь рабочей срелы;

- выравнивании усилий динамического взаимодействия компонентов массы загрузки в различных зонах рабочей камеры;

- повышении плотности взаимной ориентации частиц рабочей среды, увеличении сил сцепления между ними и снижении подвижности их в массе загрузки.

4. Разработана физическая модель процесса, раскрывающая сущность и особенности взаимодействия частиц рабочей среды с обрабаты-

ваемой поверхностью в условиях изменяемого давления в рабочем камере.

5. Исследован механизм взаимодействия частиц рабочей среды с об рабатываемыми деталями, формирования топографии поверхност] и поверхностного слоя последних. Установлено количественно различие геометрических размеров, числа и картины относительно го расположения единичных следов обработки, интенсивност; съема металла, высоты микронеровностей и скорости достижени установившейся шероховатости, степени и глубины наклепа пр: ВиО в механически сжатой рабочей среде.

.6. Исследованы основные закономерности протекания процесса Ви( в условиях повышенного давления в рабочей камере. Установлен] оптимальные значения степени сжатия рабочей среды.

7. Получены аналитические и эмпирические зависимости для расчет технологических параметров ВиО и прогнозирования ее результа тов в зависимости от степени сжатия рабочей среды. Уточнен] уравнения, описывающие функциональную зависимость съема ме талла и среднего арифметического отклонения профиля устанс вившейся шероховатости поверхности от условий ВиО.

8. Разработаны научно обоснованные рекомендации по выбору опта мальной степени сжатия рабочей среды для различных технологи ческих схем ВиО.

9. Получено уравнение для расчета нагрузки, обеспечивающей трс буемую степень сжатия рабочей среды при различных условиях о£ работки.

10. Предложены новые схемы технологических процессов (а.с. ССС 859125; 975354; 1211337; 1301666) и оборудования (а.с. ССС 1071409; 1110614; 1206065; 1220751; 1222509; 1263502; 128479Î 1294587; 1296379; 1360974 и др.) для осуществления ВиО в услови ях повышенного давления в рабочей камере.

11. Разработаны рекомендации по модернизации существующих проектированию новых вибрационных станков, созданы опытные опытно-промышленные образцы оборудования, разработаны внедрены в производство двух предприятий СССР технологически процессы ВиО, позволившие получить экономический эффм 80166 тысяч рублей в ценах 80-х годов.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

1. Санамян В.Г., Кулешов Б.В. Исследование влияния избыточного давления в рабочей камере на интенсивность процесса вибрационной обработки // Прогрессивная отделочно-упрочняющая технология: Межвуз. сб. научн. тр. -Ростов н/Д, 1981. -С. 180-183.

2. Санамян В.Г., Пичко Ю.А. Влияние давления в рабочей камере на интенсивность процесса вибрационного упрочнения // Пути повышения эффективности производства, качества выпускаемой продукции и экономии материальных, энергетических ресурсов за счет внедрения прогрессивных техпроцессов механической обработки и формообразования: Тез. докл. конф. - Махачкала, 1981.-С. 109-110.

3. Санамян В.Г., Сибирский В.В. Конструктивные особенности рабочих камер для вибрационной обработки деталей в условиях повышенного давления // Повышение качества и эффективности производства деталей сельскохозяйственных машин: Межвуз. сб. научн. тр. -Ростов н/Д, 1982. -С. 146-148.

4. Тамаркин М.Л., Санамян В.Г. Исследование процесса единичного взаимодействия при вибрационной обработке // Прогрессивная отделочно-упрочняюшая технология: Межвуз. сб. научн. тр. -Ростов н/Д, 1982. -С. 7275.

5. Бабичев А.П., Анкудимов Ю.П., Санамян В.Г. Влишше уплотне-1шя рабочей среды на пористость металлических покрытий, наносимых при вибрационной обработке с нагревом // Прогрессивная отделочно-упрочняющая технология: Межвуз. сб. научн. тр. -Ростов н/Д, 1982. -С. 29-32.

6. Бабтгчев А.П., Санамян В.Г., Тамаркин М.А. Повышешге равномерности обработки деталей сложной формы за счет изменяемого давления в рабочей камере вибрационной установки // Прогрессивная отделочно-упрочняющая технология: Межвуз. сб. научн. тр. -Ростов н/Д, 1983. -С. 34.

7. Санамян В.Г., Волошин А.И. Опыт промышленного внедрения процесса вибрационной обработки в условиях повышенного давления в рабочей камере // Прогрессивная отделочно-упрочняющая технология: Межвуз. сб. научн. тр. -Ростов н/Д, 1984. -С. 18-20.

8. Санамян В.Г., Анкудимов Ю.П., Кононенко С.Д. Влияние механического сжатия рабочей среды на ее динамическое состояние при вибрационной обработке // Совершенствование процессов отделочпо-

упрочняющей технологии: Межвуз. сб. научн. тр. -Ростов н/Д, 1986. -С. 3235.

9. Анкудимов Ю.П., Кононенко С.Д., Санамян В.Г. и др. Выбор режима вибрационной отделочно-упрочняющей обработки теоретико вероятностным методом // Оптимизация и интенсификация процессов от делочно-зачистной и упрочняющей обработки: Межвуз. сб. научн. тр. Ростов н/Д, 1986. -С. 37-41.

10. Санамян В.Г. Об особешюстях вибрационной обработки деталей в рабочей камере при повышенном давлении // Интенсификация и авто матизация отделочно-зачистной обработки деталей машин и приборов Тез. докл. конф. -Ростов н/Д, 1988. -С. 64-65.

Материалы диссертации защищены А. с. СССР №№:

859125; 975354; 1071409; 1110614; 1206065; 1211337; 1220751; 1222509 1263502; 1284798; 1294581; 1301666; 1585123.