автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Закономерности шумообразования при плоском шлифовании и разработка мероприятий по снижению шума



ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

САЛИКОВ ВЛАДИМИР ФЕДОРОВИЧ

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ШУМООБРАЗОВАНИЯ ПРИ ПЛОСКОМ ШЛИФОВАНИИ И РАЗРАБОТКА МЕРОПРИЯТИЙ ПО СНИЖЕНИЮ ШУМА

05.03.01 - Процессы механической и физико-технической обработки, станки и инструмент

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Чукарин А.Н.

Ростов-на-Дону, 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Стр

ВВЕДЕНИЕ 4

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 7

1.1. Специфика металлорежущих станков как объектов шумоизлучения и 7 источники шума в станках

1.2. Состояние вопроса по изучению уровня шума и вибраций корпусных и 9 базовых деталей

1.2.1. Повышение жесткости стенок корпусных деталей 10

1.2.2. Улучшение демпфирующих свойств корпусных деталей за счет 12 введения в них средств повышения демпфирования

1.2.3. Введение демпфирующих прокладок между стенкой базовых 14 деталей и источником вибраций

1.2.4. Улучшение демпфирующих свойств стенок базовых деталей за счет 15 введения вибропоглощающих покрытий

1.2.5. Улучшение виброакустических характеристик корпусных деталей 16 за счет введения специальных демпфирующих устройств

1.3. Способы снижения шума гидросистем металлорежущих станков 19

1.3.1. Факторы, зависящие от типа и компоновки насоса 19

1.3.2. Фактор наличия нерастворенного воздуха в гидросистеме 21

1.3.3. Зависимость уровня шума гидросистемы от трубопроводов 22

1.4. Способы снижения шума электродвигателей и ременных передач 23

1.5. Влияние на шум станка звукоизолирующих ограждений 24

1.6. Способы снижения шума при резании 26

1.7. Исследования, посвященные шуму станков в целом 31

1.8. Цель и задачи работы 32

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ АКУСТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 35 ПЛОСКОШЛИФОВАЛЬНЫХ СТАНКОВ

2.1. Колебательные модели плоской и коробчатой заготовки при шлифовании 37

2.2. Звуковое излучение при шлифовании полых заготовок 45

2.3. Акустическое излучение при шлифовании консольной заготовки 48

2.4. Колебательная модель плоского шлифования торцом круга 53

2.5. Вывод зависимости собственных частот колебаний шлифовального круга 58

2.6. Снижение акустической активности заготовок и шлифовальных кругов 63 за счет ограждения зоны резания

2.7. Выводы по разделу ■ 64

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВИБРОАКУСТИЧЕСКИХ 66 ХАРАКТЕРИСТИК ПЛОСКОШЛИФОВАЛЬНЫХ СТАНКОВ

3.1. Методика проведения исследований 66

3.1.1. Условия измерения шума и вибраций 66

3.1.2. Оценка звукопоглощения ограждений 69

3.1.3. Определение коэффициента потерь 69

3.1.4. Методы определения модулей упругости шлифовальных кругов 71

3.2. Исследование шума и вибраций плоскошлифовальных станков при 73 шлифовании периферией круга

3.3. Акустические характеристики при шлифовании торцом круга 83

3.4. Экспериментальные исследования модуля упругости шлифовальных 85 кругов

3.5. Выводы по разделу 92

4. МЕТОДИКА ИНЖЕНЕРНОГО РАСЧЕТА ШУМА ПЛОСКОШЛИФО- 93 БАЛЬНЫХ СТАНКОВ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ МЕРОПРИЯТИЙ ПО СНИЖЕНИЮ ШУМА

4.1. Методика инженерного расчета шума 93

4.1.1. Расчеты излучения звука коробчатыми оболочками при плоском 93 шлифовании

4.1.2. Расчет колебательных скоростей шлифовального круга 95

4.1.3. Расчет спектра шума шлифовальных кругов 95

4.1.4. Расчет колебательных скоростей консольной заготовки 97

4.1.5. Расчет спектра шума при шлифовании консольной заготовки 101

4.2. Эффективность мероприятий по снижению шума 102

4.2.1. Ограждение зоны шлифования 106

4.2.2. Ограждение гидростанции 110

4.3. Выводы по разделу 112 ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 113 ЛИТЕРАТУРА 115 ПРИЛОЖЕНИЯ 123

ВВЕДЕНИЕ

Повышение производительности металлорежущего оборудования, мощности приводов и быстроходности рабочих органов современных металлорежущих станков сопровождаются повышением виброакустической эмиссии во всех ее источниках. Длительное воздействие на человека шума и вибрации повышенных уровней приводит к шумовой и вибрационной болезням, занимающим второе и третье места в списке профессиональных заболеваний и составляющим более 30% из общего их числа [1, 2]. Напротив, улучшение шумовых характеристик оборудования приводит к повышению производительности труда и снижению производственного брака. Снижение шума промышленного оборудования, как установлено проведенными исследованиями, влияет на повышение производительности труда в гораздо большей степени, чем использование работающими индивидуальных средств защиты от шума. Кроме того, виброакустические характеристики оборудования являются одним из основных интегральных показателей его качества и надежности. Поэтому борьба с шумом и вибрациями является важной проблемой в машиностроении и имеет не только научно-техническое, но и социально-экономическое значение.

Работа по снижению шума станков должна начинаться на стадии их проектирования, так как проводить ее на станках, находящихся в эксплуатации, либо весьма затруднительно, либо вовсе не возможно, и тогда приходится мириться с существующим уровнем шума и всеми отрицательными последствиями этого явления.

Шлифовальные станки широко используются в мехобработке. Такие типы шлифовальных станков, как плоскошлифовальные, работают при высоком уровне технологических нагрузок и создают - особенно на станках среднего и крупного размера - уровни шума, превышающие нормативные величины.

Методика проектирования вышеуказанного типа шлифовальных станков, которая бы конкретизировала общие положения по проектированию станков с учетом допустимых уровней шума, отсутствует. Поэтому назначением настоящего исследования является решение важной проблемы - снижение шума плоскошлифовальных станков. На защиту выносится основные положения решения этой проблемы:

1. Закономерности шумообразования плоскошлифовальных станков при различных условиях обработки.

2. Акустические модели системы шлифовальный круг - заготовка и ее отдельных элементов для различных типов кругов, заготовок и условий их обработки.

3. Методика инженерного расчета акустических характеристик системы круг-заготовка при плоском шлифовании на стадии проектирования.

4. Результаты экспериментальных исследований виброакустических характеристик плоскошлифовальных станков.

5. Способы снижения шума, возбуждаемого в станках на холостом ходу и при резании. ;

Научная новизна. Теоретически изучены основные закономерности формирования звукового поля плоскошлифовальных станков. Разработаны математические модели акустического излучения шлифовальных кругов и заготовок различных конфигураций, обрабатываемых на этих станках. Получены аналитические зависимости для определения уровней шума заготовок и инструмента при различных условиях шлифования, позволяющие расчетным путем учесть вклад от различных источников в шумовые характеристики станка в целом.

Практическая ценность. На основе теоретических исследований процессов шу-мообразования плоскошлифовальных станков разработана инженерная методика расчета акустического излучения, которая позволяет на стадии проектирования наметить пути конструктивных решений по доведению уровней шума до нормативных значений. Предложены конструкции оригинальных ограждений зоны шлифования и гидростанции, которые рассчитывались по критерию требуемой величины звукоизоляции в соответствующих частотных диапазонах.

Исследования проводились с привлечением основных положений теории колебаний, технической акустики, энергетических методов расчета структурного шума и статистических методов обработки экспериментальных данных.

Экспериментальные исследования проводились в цехах ряда ростовских предприятий (АО "Красный Аксай", АО "Ростсельмаш", "Квант" и др.) и в лабораториях кафедры "Технология конструкционных материалов" Донского государственного технического университета (ДГТУ).

Точный расчет экономической эффективности от снижения шума не может быть произведен из-за отсутствия надежных методик определения таковой. Однако

можно оценить эффективность от производства и использования новых средств труда с улучшенными качественными показателями. Она составила 3,5 млн. руб. в ценах 1997 года.

Внедрены мероприятия по снижению шума рассматриваемых типов станков за счет звукоизоляции зоны резания быстросъемными ограждениями с необходимой величиной звукоизоляции и другие мероприятия.

Диссертация состоит из четырех разделов, включающих анализ состояния вопроса, цель и задачи исследования (первый раздел), теоретическое исследование шума при шлифовании на плоско-, бесцентрово- и обдирочно-шлифовальных станках

*

(второй раздел), экспериментальные исследования виброакустических характеристик шлифовальных станков указанных типов и способов снижения шума (третий раздел), методику инженерных расчетов снижения шума (четвертый раздел).

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Изучению виброакустических характеристик технологического оборудования, распространению звуковых волн в конструкциях и излучению их в окружающую среду и разработке практических рекомендаций по снижению шума и вибраций посвящено большое количество работ отечественных и зарубежных ученых. Наиболее существенные результаты получены в авиационной, судостроительной, полиграфической промышленности, при расчете строительных конструкций и кабин и салонов транспортных и дорожных машин. В этих областях известны работы С. П. Алексеева, Ю. И. Бобровницкого, И. И. Боголепова, Л. П. Борисова, М. Д. Генкина, Д. Р. Гужаса, В. И. Заборова, Н-..И. Иванова, Б. И. Климова, И. И. Клюкина, Л. Ф. Логунова, Л. Г. Мунина, А. С. Никифорова, Г. Л. Осипова, А. В. Римского-Корсакова, Б. Д. Тартаков-ского, И. Е. Цукерникова, Е. Л. Шендерова, Е. Я. Юдина и др., а также зарубежных ученых А. Баранека, Л. Крамера, Е. Майера, К. Веспфаля, М. Хекла.

Металлорежущие станки представляют собою специфический вид оборудования, исследование шума которого в силу ряда исторических и технических причин было начато позже вышеуказанных объектов других отраслей промышленности. В настоящее время в области исследований шума металлорежущих станков известны работы Б. Е. Болотова, Б. Г. Заверняева, М. П. Козочкина и С. Н. Панова. Последнее десятилетие характерно ведущей ролью кафедры "Металлорежущие станки и инструменты" Донского государственного технического университета, которая развивает методы расчета шума станков на стадии их проектирования и ведет широкие исследования шумовых характеристик отдельных элементов конструкции станков, а также самих станков различных типов. Это работы Ä.H. Чукарина, A.A. Феденко, И.А. Ба-лыкова и др.

1.1 Специфика металлорежущих станков как объектов шумоизлучения и источники

шума в станках.

Специфика металлорежущих станков как объектов шумоизлучения состоит в следующем:

- множественность источников шума в станках;

- значительные поверхности шумоизлучения;

- высокая интенсивность излучения;

- повышение уровня звуковой эмиссии в связи с процессом резания;

- то обстоятельство, что станки, как правило, устанавливаются в производственных помещениях (цехах) на достаточно малых расстояниях один от другого, в связи с чем операторы, работающие на станках, находятся в весьма интенсивном звуковом поле, акустическая напряженность и конфигурация которого зависят от конкретных условий.

Источники шума в станках можно разделить на конструктивные и технологические.

*

К первым относятся:

- шумы, создаваемые приводными механизмами: зубчатыми и ременными передачами, подшипниковыми узлами и другими элементами механического силового привода;

- шумы, создаваемые корпусными деталями и возбуждаемые элементами кинематических цепей, а также элементами ограждений и кожухов;

- шумы, возникающие от работы вспомогательного оборудования: электродвигателей, гидросистем, стоек ЧПУ, насосов, вентиляторов и др.

Технологические источники шума:

- шумы, создаваемые режущим и вспомогательным инструментом (шлифовальные круги, фрезы и др. инструмент, станочные приспособления);

- шумы, создаваемые обрабатываемыми заготовками под действием процесса резания.

В станках шлифовальной группы такие элементы главного привода, как зубчатые колеса, не применяются. Для их приводов характерны ременные передачи, приводы с асинхронными двигателями, двигателями постоянного тока и мотор-шпиндели, а также подшипники качения.

Широкое использование получила гидравлика, в системе которой источниками шума являются гидронасосы, трубопроводы и регулировочная аппаратура (дроссели, золотники, клапаны). Звучащими элементами являются шлифовальные круги и заготовки.

Все указанные источники, в свою очередь, возбуждают шум корпусов бабок, стоек, столов, станин.

Поэтому рассмотрим состояние вопроса в части снижения шумовых характеристик

- корпусных деталей;

- приводов с ременными передачами, электродвигателей и мотор-шпинделей;

- подшипников качения;

- системы заготовка-шлифовальный круг;

- звукоизолирующих ограждений; ^

- элементов гидравлической системы;

- станков в целом.

Следует отметить, что вентиляторы, применяемые в гидросистемах станков, обычно имеют небольшие мощности (и производительности) и создают низкие уровни шума, поэтому рассматриваться в рамках настоящей работы не будут.

В настоящее время подробно изучены теоретически и экспериментально процессы шумообразования токарных, фрезерных и сверлильных станков. Для них общими вопросами являются процессы шумоизлучения корпусных и базовых деталей, а различие заключается в акустике системы заготовка-инструмент.

I

1.2. Состояние вопроса по изучению уровня шума и вибраций корпусных и базовых

деталей

На корпусные и базовые детали приходится основная доля акустической мощности, излучаемой станком [3-10]. Он представляет собою тонкостенные коробчатые оболочки, состоящие из пластинчатых элементов с ребрами жесткости, изгибные колебания которых и являются причиной излучения шума.

Возбуждение изгибных колебаний стенок производится такими источниками, как располагающиеся в стенках элементы кинематики - подшипники качения, силовые и другие элементы, прикрепленные к корпусам (магнитные столы, приспособления, трубопроводы гидропанели), возбуждаемые процессом резания (фрезерования, шлифования и т. п.) или колебаниями жидкой среды при работе насосов, дросселей,

клапанов; электро- и гидродвигатели; коробки скоростей и редукторы. В станинах основными путями снижения шума корпусных и базовых деталей являются:

- повышение жесткости стенок корпусных деталей;

- введение в толщину стенок средств повышения демпфирования;

- введение демпфирующих прокладок между корпусными деталями и прикрепленными к ним источниками вибраций;

- введение вибропоглощающих покрытий;

- введение специальных демпфирующих устройств в корпусные детали.

Теоретический расчет шума корпусных деталей в основном производится на

основе энергетического баланса. Опыт показывает, что у большинства станков максимум излучения приходится на частотный диапазон 50-1000 Гц, где коэффициент потерь колебательной энергии минимален.

1.2.1. Повышение жесткости стенок корпусных деталей

Этот прием преследует цель повышения механического сопротивления стенок и мест расположения подшипников качения.

Известны конструкции, в которых толщина несущих стенок вблизи бобышек, в которых располагаются подшипники, делается равной ширине прилива. По данным [7, 9] этот метод позволяет снизить уровень шума, излучаемого корпусной деталью до 5 дЬА (рис. 1.1).

Повышение жесткости корпусных деталей достигается также за счет увеличения толщины стенок (что сопровождается увеличением металлоемкости корпусной детали пропорционально увеличению толщины стенки), введения ребер и перегородок (незначительное повышение металлоемкости), рационального перераспределения толщины стенок без увеличения общей металлоемкости детали.

В работе [12] приведены результаты замеров вибрационных и шумовых характеристик шпиндельных бабок токарного станка модели 1А616 с разными толщинами стенок (рис. 1.2).

Г"

а

б

"П У

Рис. 1.1. Элементы корпусов для увеличения механического сопротивления: а - несущие стенки, б - крышки с ребрами жесткости.

Увеличение жесткости конструкции смещает собственные частоты в высокочастотную область, в которой ниже уровень возмущающих нагрузок и выше импеданс стенок. Замена плоских элементов конструкции на сферические или цилиндрические элементы позволяет снизить шум на 5 дБА за счет увеличения их жесткости.

Жесткость вводимых ребер должна быть достаточной, а деление поверхности стенок ребрами должно приводить к образованию отдельных излучателей различного

размера во избежание равночастотного звукоизлучения. В работе [7] рекомендуется выбирать высоту ребер в пределах 4...6-кратной толщины стенки.

В листовых