автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Совершенствование вибрационной обработки деталей на основе создания новых схем вибрационного воздействия

На правах рукописи

Давыдова Татьяна Еазгеновда

'ис

СоварйзкствозшЕге ззйршяоккоЭ сбрабэтйз датада-® на основа создаю« копит схем еабр ацзоиксл -с ^оздейстпкя

Специальность 05. 02.08 - Технология машностроэкгш

Авторафарат диссертации на соискание ученой степени кащидата технических наук

Ростов-на-Доку - Г986г.

Работа выполнена в Донской государственном техническом университете

Научный руководитель:

засл. деятель науки и техники РФ, чпен-корр. PATH, доктор технических наук, профессор БАБИЧЕВ А. П.

Официальные оппоненты:

засл. деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор МАРТЫНОВ А. Н.

кандидат технических наук, доцент СИБИРСКИЙ В. В.

Ведущее предприятие:

АО "РОСТОВГАЗОАЛПАРАТ"

Защита состоится 26 ноября 1996 г. в 10.00 на заседании диссертационного совета Д. 0Б3.27.03. при Донском государственном технической университете, а. 252 : 344010. г. Ростов-на-Дону. пл. Гагарина, I. ДГТУ.

С диссертацией моаш ознакомиться в библиотеке Донского государственного технического университета.

Автореферат разослан " О^КЛ^^ 1996г: Ученый секретарь

диссертационного совета. /У^Г) Р

к.т.н.'. доцент Шттеъ Ъ.С.

а

ОБЩАЯ ХАРАКТЕГЛИИНД РАБОТЫ

Актуальность темы. Одной из основных тенденций современного машиностроения является растущая потребность в улучшении качества, повышении долговечности и надежности выпускаемых машин и изделий, улучшении их товарного вида. Важное значение в обеспечении этих показателей отводится финишным методам обработки, к числу которых относится вибрационная обработка деталей (ВиО).

Благодаря своим технологическим преимуществам ВиО получила широкое распространение, а процесс подвергается глубоким исследованиям. Возможности ВиО далеко не исчерпаны, в связи с чем очевидна необходимость создания и исследования ее новых разновидностей с целью интенсификации процесса и улучшения качества обработки.

Решение этой задачи может быть реализовано различными путями. Наиболее приемлемым является создание новой схемы ВиО. обеспечивающей эффективность процесса за счет более высоких амплитуд колебаний рабочей камеры.

Поэтому следует считать актуальными исследования, направленные на разработку новей разновидности ВиО на станках с шарнирвд-рычажным приводом.

Цель работы. Совершенствование вибрационной обработки деталей на основе комплексных исследований технологических параметров процесса с использованием щаркирно-рычажного привода вибрационного воздействия.

Научная новизна.

1. Изучено движение абразивной среды в рабочей камере станка с шарнирно-рычажшм приводом колебаний.

2. Исследован механизм взаимодействия абразивной гранулы с поверхностью заготовки и определены динамические параметры взаимодействия.

3. Установлены зависимости для определения скорости и ускорения частицы рабочей среды, на основании которых обоснованы оптимальные конструктивные параметры станка и технологические режимы обработки.

4. Разработана модель съема металла с поверхности обрабатываемой заготовки в условия* новой схемы вибрационного воздействия'.

5. Получены зависимости, отражающие влияние реггимов обработки на шероховатость поверхности и износ абразивной среды, которье

установлены в результате постановки пятифак то рного эксперимента.

6. Разработана методика расчета основных технологических параметров процесса.

Практическая ценность работы.

1. Получены математические модели, определяющие влияние режимов обработки на шероховатость поверхности и износ абразивной среды.

2. Рекомендованы технологические параметры процесса ВиО в рабочей камере с шарнирно-рычажным приводом, обеспечивающие получение заданной шероховатости поверхности при рациональном использовании абразивного материала.

3. Разработана методика расчета основных технологических параметров процесса на операциях шлифования, полирования и удаления заусенцев.

4. Даш рекомендации для оптимального выбора режимов обработки и конструкции станка с шарнирно-рычажным приводом.

Автор защищает.

1. Теоретическую модель процесса динамического взаимодействия единичной частицы с поверхность» заготовки.

2. Зависимости для определения скорости и ускорения частицы рабочей среды, на основания которых установлены оптимальные конструктивные параметры станка и технологические режимы обработки.

3. Модель процесса съема металла с поверхности заготовки в условиях новой схемы вибрационного воздействия.

4. Методы и результаты экспериментальных исследований влияния ' технологических факторов на шероховатость поверхности я износ абразивной среды.

5. Методику расчета основных технологических параметров процесса. .

Метода исследований. Теоретические исследования выполнены с использованием аппарата теоретической механики, трения и износа, теории упругости, абразивного разрушения, шлифования, виброабразив-ноЛ обработки, теории соударения твердых тел. теории вероятности.

При проведении экспериментальных исследований использовались методы, иснопанны© на Применении точного взвешивания. профипомет-рии. оптических измерений, корреляционного анализа. Обработка ре-чуш.тптгщ Исследований' осуществлялась На персональном компьютере Т'.'.пл юн р-с о использованием рд^рлботанных для ;гтй [доли специаль-

ньк программ.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались ка ежегодных научных конференциях профессора к.о7преподавательского состава ДГТУ в 1992-199Вгт., региональном научно-техническом семинаре "Применение низкочастотньк колебаний в технологических целях" ( Воронеж. 1993г.. Ростов-на-Дону. 1935г.), международных научно-технических конференциях "Применение колебаний а технологиях: расчет и проектирование машин для реализации технологий" С Винница, 1994г.), "Совершенствование процессов финишной обработки в машно- и приборостроении. экология и защита окружающей среды" ( Минск. 1995г.), "Ресурсосберегающая технология машиностроения" (Москва. 1995г.). "Современные- проблемы машиностроения и технический прогресс" (Севастополь. 1996г.).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 8 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и общих выводов, списка литературы из 95 наименований. Диссертационная работа изложена на 183 страницах, содержит 43 рисунка, 13 таблиц, и приложение.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, изложены основные научные положения, выдвинутые на защиту.

В первой главе представлен анализ основных направлений совершенствования методов отделочно-зачистной обработки, дается обзор кинематических схем и технологических возможностей ВиО и ее разновидности на основе работ А.П. Бабичева. В.к. Георгиева, И.®. Гончаре вина. В. А. Григорьева. В. И. Дьяченко. Б. Н. Картьшева. Э.Л Когана. Д. Д. Малкина, А. Н. Мартынова. И. В. Политова. О. М. Самодумского. Ю. Р. Копшова. М. А. Тамаркика. Б. Б. Ходоша.. М. Е. Шаянского и др.

Развитие вибрационной технологии на протяжении зсего периода и особенно в настоящее время сопровождается изысканием путей интенсификации процесса по различным направлениям. Наиболее известным и широко используемым приемом интенсификации процесса является выбор режимов обработки. Установлено, что повышение амплитуда колебаний сопровождается ростом интенсивности обработки. Однако для укаяаншх параметров существуют значения.• превышение которых недопустимо по

конструктивным соображениям, но интенсивность ВиО может быть повышена за счет создания новых схем и конструкций, обеспечивающих работу на повышенных амплитудах.

В связи с этим возникла необходимость в разработке новой схемы ВиО - вибрационной обработки деталей в рабочей камере с иар-нирда-рычаянш приводом. Сущность ее состоит в том. что от вращающегося привода через эксцентриковый диск.1 С рис. I) с эксцентриситетом "е". ка котором установлен ведущий палец Я. вращающийся вокруг оси 0. сообщдется колебательное движение траверсе 3, соединенной шарнирно с подвеской 4. На противоположном конце траверсы установлена рабочая камера 5. в которой размещены рабочая среда В и обрабатываемые заготовки 7.

На сновании р Лот. посвященных исследованию процесса ВиО в рабочей камере с иа^.-шрш-рычаЕныы приводом, сделаны следующие выводы: I. В результате проведенных экспериментальных исследований выявлены широкие технологические возможности процесса ВиО. 2. Име-

7/7 ГП 7 У ТТ1~77Т7Т7Т~

Рис. I. Схема станка с шарнирно-рычажньм

I

приводом;

I - пксцентриковый диск; 2 - ведущий палец; 3 - траверса; 4 - подвеска; 5 - .рабочая камера; В - рлооча:,! среда; 7 - обрабатываемые заготовки.

квдиеся сведения об исследуемой схеме процесса ВиО не отражают механизм взаимодействия абразивной гранулы с поверхностью заготовки. 3. Недостаточно полно выявлены конструктивные параметры станка с шарнирно-рычажным приводом. 4. Не установлен механизм съема металла с поверхности заготовки при ВиО на станке с шарнирно-рычаяным приводом. 5. Не определены оптимальные зависимости влияния режимов обработки на шероховатость поверхности и износ абразивной среды. 5. Отсутствует методика расчета основных технологические параметров процесса.

На основании проведенного анализа сформулирована цель и задачи исследований:

- исследовать механизм взаимодействия абразивной гранулы с поверхностью заготовки в условиях ВиО на станке с шаркирно-рычагньы приводом колебаний рабочей камеры;

- исследовать кинематические параметры станка с шарнирш-ры-чажным приводом.

- теоретически и экспериментально исследовать процесс съема металла с поверхности заготовки;

- разработать модель формирования шероховатости поверхности заготовки и износа абразивной среды в зависимости от режимов обработки;

- определить оптимальные технологические режимы обработки для получения заданной шероховатости поверхности с учетом рационального использования абразивной среды;

- разработать пути интенсификации процесса.

Во второй главе представлены результаты теоретических исследований. Выявлена картина движения абразивной среды в-. рабочей4 камере станка с шарнирно-рычажным приводом, сообщающим более высокие амплитуды колебаний по сравнению с известными схемами ВиО. Установлено., что абразивная среда и обрабатываемые заготовки за время одного колебания рабочей камеры, движущейся по замкнутому керавнобокому овалу, из состояния плотной среды переходят в движущийся циркуляционный поток, который под действием импульса колебаний в конце движения по своей траектории уплотняется в нижней части рабочей камеры с последующим повторным переходом в движущийся циркуляционный поток. Процесс обработки повторяется а непрерывном режиме с частотой, соответствующей частоте вращения эксцентрикового диска.

В качестве обобщенного параметра процесса ВкО рассматривается

сипа взаимодействия частиц среда и обрабатываемых поверхностей заготовок. Для расчета ее значения использовано уравнение А. П. Бабичева:

Р С в'У 1

га. • £Г_* К« к' к_ й ' » * а . ( I )

к

г

где в»4 - приведенная ыасоа абразивной гранулы;

vl - скорость взаимодействия; ач - предел текучести материала; к - радиус гранулы; к*,к1»,кд ~ эмпирические коэффициенты, характеризующие соответственно; многократность приложения нагрузки; одновременность действия частиц: демпфирующие свойства среда;

а - коэффициент, определявший количество энергии взаимодействия частиц, идущей на упругий отскок ее к на перемещение свободно загругенной заготовки.

Интенсивность процесса ВкО и его результаты в значительной мера зависят от параметров колебания рабочей камеры и формы траектории. которые являются исходнь&ш при проектировании и наладке станка на необходимый регзш работы, а тажхе создают предпосылки к оптимизации технологических процессов. Для решеная указанных задач проведен кинематический анализ станка с шарнирно-рьгаагным приводом. Установлены зависимости для определения скорости и ускорения частиц рабочей среды, которые позволили разработать специальную программу на персональном компьютере тала хен рс и обосновать оптамальнье параметры станка и технологические режимы обработки.

Для случая абразивного износа в прессе ВиО в рабочей камере с шарнирно-рьпахным приводом принята модель Арчарда дня контактирующих поверхностей:'

^ . р

V т К ■ а ---. • ( 2 )

ат

где V - объем материала, удаляемого с мягкой поверхности в процессе износа; я - путь скольжения; я - нормальная сила;

аг - предел текучести мягкого материала; к - коэффициент износа ;

а - коэффициент, учитывающий наличие жидкостного контакта. Путь скольжения находится по уравнению:

Б ■ А • к ( 3 )

а

где а - амплитуда колебаний рабочей камеры;

- коэффициент, учитывающий уменьшение амплитуды колебаний частиц среды по мере удаления от стекок рабочей камеры.

Объем металла, удаленного при единичном взаимодействии абразивной частицы с поверхностью обрабатываемой заготовхи определяется по установленной зависимости;

я «ег «К»к «8с

» Т "> В

кчя-к

Vе

где с - коэффициент, оценивающий несущую способность контактной поверхности.

В процессе обработки поверхность заготовки непрерывно подвергается динамическому воздействию абразивных частиц. Количество взаимодействий. приходящееся на единицу поверхности заготовки з единицу времени, носит случайный характер и его невозможно функциональна связать с режимами обработки, Известно, что характер протекания таких процессов можно описать, используя аппарат теории вероятности.

Суммарное количество взаимодействий на площади квадрата упаковки. приводящих к микрорезаниа. можно найти из выражения,-

МГ " ' Р1 ' г ' ь • (5)

где р^ - геометрическая вероятность события, заключающаяся в том. что любая точка квадрата упаковки покроется пятном контакта;

Ра - вероятность события,- заключающегося в том. что взаи-

ыодействие абразивной гранулы с поверхностью заготовки приведет к микрорезанию ; г - частота колебаний рабочей камеры; ь - время обработки. При определении вероятности р4 в случае преобладания тангенциального взаимодействия абразивных гранул с поверхностью заготовки и образования эллиптических пятен контакта используется схема Бер-нулли. Оценка искомой вероятности:

П • л « Ь

= - , ( 6 )

ГГ'а1 + Л'О'л * Оа

гда а - большая полуось эллипса контакта; ь - малая полуось эллипса контакта; в - диаметр абразивной гранулы. В случае, когда площадь поверхности заготовки больше квадрата упаковки, общее число взаимодействий, приводящих к микрорезанию (М. А. Таыаржин);

■ -

М в М -----( 7 )

Р Р

Я-ЕВ.УП.

*

где - площадь поверхности заготовки;

3ю1 уа " гаадг«ь квадрата упаковки, пригашаем ^ ^^

Н «Р • Р • 1 • -:--( 8 )

р ' г

Й

ва.уп

С учетом вышеуказанного, всходя из уравнения (4) и переходя от объема к массе. получена, зависимость для определения съема металла с обрабатываемой поверхности:

I га •«Г. -Я'к •!

»Г т

----

• 1с

Д

-'■■' ■'. -- В -Р «Р в

12 3

О»*, «-к -:-------, ( 9 )

а

а «С я

т кв.уп.

где р - плотность материала заготовки, кг/м3.

В третьей главе изложена методика экспериментальных исследований. Исследования проводились на станке с шарнирно-рычажным приводом. с объемом рабочей камеры I.3 дм3 . Амплитуда колебаний рабочей камеры регулировалась от 7 до 58 мм изменением величены эксцентриситета и соотношением длин плеч траверсы. Контроль съема металла осуществлялся на аналитических демпферных весах модели ВЛА-200 с точностью измерения до 0.2 мг.износ абразивного материала определялся весовым способом. Измерение шероховатости поверхности и запись профилотраымы осуществлялись на профилометре модели 296 и на профилометре-профилографе модели 201. Изучение внешнего вида и 'измерение размеров отдельных следов обработки осуществлялось на микроскопе МБС-2. Расчет параметров шероховатости поверхности производился на ЭВМ хвн РС по специально разработанной программе. Исследовалась группа образцов из различных материалов, охватывающих широкий диапазон механических свойств: сталь 3; сталь 45; алюминиевый сплав Д-16; латунь ЛС 59-1. Образцы изготавливались из пруткового проката в виде цилиндров.

В качестве рабочих сред при проведении экспериментальных исследований использовались формованные абразивные материалы, грануляцией 5-15 мм. зернистостью М14-20. Исследования процесса проводились с применением технологических жидкостей. Влияние режимов обработки на шероховатость поверхности и износ абразивной среды реализован в дробном факторном эксперименте с полу репликой 23"1.

В четвертой главе изложены результаты экспериментальных исследований ВиО. осуществляемой в рабочей камере с тарнирно-рътагшш приводом. Установлена форма траектории движения рабочей камеры..

Исследовано влияние режимов обработки процесса на сгем металла. Установлено, что на производительность процесса по исследуемой схеме большее влияние оказывает амплитуга колебаний. Это об-ьясняетоя ростом съема металла при единичном взаимодействий абразива за счет увеличения составляющих параметров полезней раооты -силы и пути взаимодействия гранулы с поверхностью заготовки.

Исследовано влияние зернистости и трануляции рабочей среди на сгем металла и получены соответствующие зависимости.

Анализ результатов теоретических и экопершентзлыт исоподо-ваний показывает, что предложенная модель сгема ыоталхи с гмперг гости заготовки адекватна и позволяет с достаточной точностью прог-

позировать удаление металла с поверхности заготовки (рис. 2).

Обработанная поверхность отличается высокой степенью однородности к определяется режимами обработки и характеристикой абразивных гранул.

С целью получения заданной шероховатости поверхности при рациональном использовании абразивной среды были проведены исследования при постановке дробного факторного эксперимента с полурепликой 2*~\ В качестве параметра оптимизации был принят износ абразивной среды I ( х /час). Для облегчения расчетов разработана специальная программа на персональном компьютере типа. гвк РС в среде ро$з»»о. Результаты экспериментов при обработке латуни ЛС 59-1 представлены выражениями:

= 0.593858 - 0.204168Х| - 0.40167Х, 0.148335хз+ 0Д06Б68Х4 + 0.035389х4хз + 0.089737Х4ХВ + 0.05182х1хз - О.И7543ХаХ4 + 0.102376*^ + ( 10 )

0.298852Х* + 0.273573Х* + 0.073874Х* + +0.137070Х* + 0.181307Х*

4 5

V, = 9.498254 +2.83418ЭХ, +0,549ГЛХа +4.2092Ха +1.885015К4+ + 0.835007Хя +1,560765»^ +0,637006*^+ 1.16658*,^ -- О.ББВбОЗХ^ +0.605408Х3Х5 +0.88473Х Х + +0.738118х.хв +0,551172*/.. -1- 0.406189», + ( И )

+0.455482Х* +1.452715х* -1.190142Х*

ж 3 5

где х^ - частота колебаний рабочей камеры; хг - соотношение длин плеч траверсы; Х1 - величина эксцентриситета;

- зернистость абразивной среда; »5 - грануляция абразивной среды.

Последующие исследования относились к установлению условий процесса, обеспечивающих наименьший износ абразивной среды при заданной шероховатости поверхности, то есть нахождения условного минимума функции при ограничениях, наложенных функцией *Иц .

Эта задача решена графическим способом путем построения двухмерных сечекка поверхностей отклика V . совмещенных с двухмерными сечениями поверхностей отклика *в и выборе условных экстремумов.

Q,z 0,05 0,0 ь 0,03 0,02 0,01

45 30 60 75 ±tM(w

Рис. 2. Сравнение влияние времени обработки lia съеи металла в результате теоретических и экспериментальных исследований;

1 - сталь 3;

2 - латунь ЛС 59-1;

- теоретическая зависимость;

---экспериментальная зависимость.

С помощью полученных совмещении« двухмерных сечений повер-шос-тей откликов чг » *Яо ( рис. 3) можно назначить режимы обработки, обеспечивающее достижение заданной шероховатости поверхности пр" рациональном использовании абразивной среды. Полученные реяшы по всем исследуемым материалам сведены в та6лн.;ы.

В пятой главе на основании проведенных исследований разработана методика расчета основного и штучного времени пра ВкО в исспеду-

емьк условиях. Приведены примеры расчета технологических процессов на операциях отделотао-з ачистной обработки. Приводятся результаты исследования параметров микропрофиля поверхности.

Описано практическое применение результатов исследований. Предложены пути интенсификации процгоса.

1.2,3,4,5,6,7.8,9.10.11.12 - шероховатость поверхности соответственно 0,65;0.75; 0,85; 0.95; 1.05; 1.15; 1,25; 1,25; 1.45; 1.55; I, Б5;" 1.75 МКМ; ' 1Л1,ш,IV. - износ абразивной среда' соответственно 7; 3; 9; 10 х^час.

овщйк выводи

1. Проведен комплекс теоретических и экспериментальных исследований новой схемы процесса ЕиО с шарнирно-рычаж&м приводом, обеспечивающим высокие амплитуды колебаний рабочей камеры. Изучена картина движения абразивной среда в рабочей камере станка.

2. Проведен анализ кинематики шаргарно - рьпзгного механизма и установлены зависимости для определения скорости и ускорения частицы рабочей среды, позволяготде при помощи специально разработанной программы на 1вм рс обосновать оптимальные конструктивные параметры станка и технологические режимы обработки,

3. Исследован механизм взаимодействия абразивной гранула с поверхностью заготовки в условиям вибрационного воздействия. На этой основе получена зависимость, позволяйся определить силу взаимодействия частицы рабочей среды с поверхностью обрабатываемой заготовки.

4. Разработана модель съека металла с поверхности обрабатываемой заготовки в условиях новой схеиы ВиО, Экспериментально подтве,-рздена адекватность полученной модели съема металла, доказана возможность использования получении закономерностей в технологических расчетах.

5. Выполненные экспериментальные исследования показали, что на интенсивность съема металла наиболее существенное влияние сказывают амплитуда и частота колебаний рабочей камеры и характеристика абразивной среды.

6. Получены зависимости, отражающие влияние режимов обработки на шероховатость поверхности и износ абразивной среды.

7. Оптимизация полученных зависимостей позволила установить режимы обработки, обеспечивающие получение заданной шероховатости поверхности при рациональном использовании абразивной среды.

8. разработана методика расчета основных технологических параметров процесса, позволяюйдя определить время, необходимое для получения заданной шероховатости поверхности или время для удаления заусенцев.

9. Результаты исследований прошли проъъшмгаюе испытание и рекомендованы для внедрения в производство. При этом отмечена экономическая целесообразность предложенного нового технолопгсеского процесса, обеспечивающего погашение интенсивности обработки, более высокое качество обработанной поверхности, улучшение товарного вида

15

изделий.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах: I. Бабичев А.П.. Аля Саед Бакир. Давьщова Т.В.. Рысева Т.Н., Совершенствование и интенсификация ВиО за счет создания новых конструкций рабочих камер //Материалы Международной научно-технической конференции "Применение колебаний в технологиях. Расчет и проектирование машин для реализации технологий". Винница. 1994.

2. Бабичев А. П.. Давыдова Т. В. Исследование шероховатости поверхности цшшндртескик деталей при обработке по эксцентриковой схеме // Материалы Международной научно-технической конференции "Применение колебаний в техшлоплх. Расчет и проектирование машин для реализации технологий". Винница. 1994. - с. 36-37.

3. Бабичев А. П., Рысева Т. Н.. Давьщова И. В.. Давьщова Т. В. Общие принципы проектирования автоматизированного оборудования для вибрационной обработки деталей // Материалы Международной научно-практической конференции "Ресурсосберегающая технология машиностроения". Москва. 1993. -с. 201-202.

4. Бабичев А. П.. Рысева Т. Н. . Давыдова Т. В., Саед Бакир Аля. Совершенствование конструкции рабочих камер вибрационных станков. Е; //Вибрации в технике и технологиях. 1995, & I. -с.8-11.

5 Бабичев А. П.. Дальдова Т. В.. Волков Р. В.. Саед Бакир Аля. Совершенствование конструктивно-технологических схем ВиО // Тезисы докладов Международной научно-технической конференции "Современные проблемы машиностроения и технический прогресс". Севастополь. 1996.- С. 12.

6. Давьщова Т. В. Исследование кинематики шарнирно-рычажного механизма станка. //Тезисы докладов Международной научно-технической конференции "Современные проблемы машиностроения и технический прогресс". Севаотопо.л. 1996. - с.70-71.

7. Давыдова Т. В. Исследование шероховатости поверхности и из носа абразивной среда в зависимости от режимов обработки в рабочей камере с шарнирно-рычажньм приводом. // Вопросы вибрационной технологии: Межвуз.сО. науч. тр. - Ростов н/Дону. 1996.

8. Давьщова Т. В.. Вовченко С. В.. Даьъдов В. Н. Аналитическое исследование кинематики шарнирно-рычажного механизма.// Динамика, прочность к надежность сельхозмашин; МежЕуз. сб. науч. тр. - Ростов к/Дону. IВД^

-с. 35.

1Б