НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ“

ХАРКІВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

Бранспіз Олена Володимирівна

УДК 621.9.048

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ВІБРОАБРАЗИВНОЇ

ОБРОБКИ ШЛЯХОМ РАЦІОНАЛЬНОГО ВИБОРУ

ЇЇ ОСНОВНИХ ПАРАМЕТРІВ

Спеціальність 05.03.01 – процеси механічної обробки, верстати і інструменти

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків-2002

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Східноукраїнському національному університеті імені Володимира Даля Міністерства освіти і науки України, м Луганськ.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент

Лубенська Людмила Михайлівна,

Східноукраїнський національний університет

імені Володимира Даля, м. Луганськ,

доцент кафедри технології машинобудування.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Верезуб Микола Володимирович,

Національний технічний університет ”Харківський

політехнічний інститут”,

професор кафедри ”Різання матеріалів та різальних інструментів”;

кандидат технічних наук, доцент

Тарасюк Анатолій Петрович,

Українська інженерно-педагогічна академія, м. Харків,

проректор з наукової роботи.

Провідна установа: Донбаська державна машинобудівна академія Міністерства освіти і науки України, м. Краматорськ.

Захист відбудеться: 20/06/ 2002 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.050.09 у Національному технічному університеті “Харківський політехнічний інститут” за адресою: 61002, м. Харків, вул. Фрунзе, 21.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут”.

Автореферат розісланий 17 травня 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Узунян М.Д.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Задачі економічного розвитку сучасної України неможливо вирішити без підвищення експлуатаційних і споживчих якостей промислової продукції, що пов'язано з вдосконаленням обробно-зачисних операцій (ОЗО), що складають від 10% до 70% трудомісткості різних виробів. У цей час широке застосування для ОЗО знаходить метод обробки вільними абразивами у вібруючих камерах (ВіО). Верстати, що реалізовують цей метод (ВіО-верстати), мають широкі технологічні можливості – обробка великої кількості деталей без необхідності їх установки і закріплення. Вони також задовольняють одній з вимог сучасного машинобудування – швидкому переналагодженню на випуск виробів різної номенклатури. Це – важливість ОЗО в машинобудуванні і ефективність ВіО для ОЗО – і визначає актуальність теми.

Ефективність ВіО забезпечується на практиці, крім іншого, вибором режиму обробки (амплітуда і частота вібрацій) і певних абразивних гранул, використанням пристріїв. При цьому емпіричний підхід у виборі відповідних параметрів є переважним, оскільки існуючий теоретичний матеріал охоплює не всі сторони процесу ВіО. Тому актуальною науково-технічною задачею є розробка наукових основ вибору оптимальних умов обробки з адекватним моделюванням процесу ВіО.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана у відповідності: з планом НДР Східноукраїнського національного університету (тема ДН-42-98 "Теоретичні і експериментальні дослідження по виявленню взаємодії твердих тіл, розробка основ оптимізації і прогнозу в технологічних системах", № ДР 0198U002860 і тема ДН-19-01 “Моделювання взаємозв'язків геометричних і енергетичних параметрів електромеханічних процесів, пристроїв і технологічних систем енергозберігаючого напряму", № ДР 0101U03277); з програмою співпраці Східноукраїнського державного університету і Відкритого Акціонерного Товариства Іванівський Верстатобудівний завод (м. Іванівка, Луганська обл.) на 1998-2001 р.; з комплексною науковою програмою “Вібротехнологія" (Росія).

Мета досліджень: підвищення ефективності ВіО в U-подібних камерах ВіО-верстатів шляхом вибору раціональних значень основних параметрів, які впливають на кінцевий результат механічної обробки – зйом матеріалу з поверхні деталі.

Основні задачі досліджень:

1. Вибір методу і аналітичний опис на його основі випадкового руху робочих тіл і деталей у вібруючій камері ВіО-верстата з розробкою загальної математичної моделі цього руху.

2. Дослідження особливостей циркуляційного і відносного рухів елементів завантаження вібруючої камери ВіО-верстата (абразивні гранули і деталі-заготівки) для визначення впливу параметрів робочого середовища і режиму вібрації на кінцевий результат обробки.

3. Отримання аналітичної залежності для розрахунку зйома матеріалу з поверхні деталі абразивними гранулами заданої форми і експериментальна перевірка цієї залежності.

4. Розробка рекомендацій по практичному застосуванню отриманих залежностей для вибору параметрів обробки, що забезпечують заданий технологічний результат.

5. Розробка практичних рекомендацій по підвищенню ефективності обробно-зачисних операцій при об'ємній обробці вільними абразивами.

Об'єкт дослідження. Процес віброабразивної обробки в U-подібних камерах ВіО-верстатів.

Предмет дослідження. Циркуляційний і відносний рухи елементів завантаження як фактори, що визначають процес ВіО в U-подібних камерах ВіО-верстатів.

Методи дослідження базуються на наукових положеннях теорії віброабразивної обробки, механіки сипучих середовищ, статистичної механіки і фізики багаточасткових систем, викладених в роботах вітчизняних і зарубіжних вчених. Для опису руху елементів завантаження в U-подібній камері ВіО-верстата застосований апарат математичного моделювання випадкового руху елементів багаточасткової системи (метод випадкового блукання). Результати, висновки і рекомендації підтверджені натурними експериментами. Достовірність теоретичних досліджень підтверджена практичним використанням відповідних результатів. При виконанні досліджень використовувалися пакети програм: MathCad 2000, Borland Pascal, Microsoft Excel'97.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Обгрунтований опис циркуляційного і відносного рухів елементів завантаження U-подібної камери ВіО-верстата динамічними рівняннями Ланжевена відповідного вигляду, застосування яких, на відміну від відомих методик, відображає вплив на вказані рухи сил з випадковою складовою.

2. На основі методу випадкового блукання розроблена математична модель руху елементів завантаження в камері ВіО-верстата, яка дозволяє описувати і розраховувати з єдиних позицій циркуляційний і відносний рухи робочих гранул і деталей-заготівок. Одержані нові аналітичні співвідношення між параметрами, що обумовлюють вихідні показники ВіО-процесу.

3. Одержана аналітична залежність зйома матеріалу з поверхні деталі від основних факторів, що визначають ВіО-процес, які, на відміну від існуючих, не містять коефіцієнтів, що визначаються емпірично, і застосовні для обробки в середовищі з гранул будь-якої заданої форми.

4. Теоретично обгрунтована і практично реалізована інтенсифікація обробки руйнуванням регулярності циркуляційного потоку робочого середовища в U-подібній камері ВіО-верстата, що підвищує відносну швидкість елементів робочого середовища.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблена ймовірністна модель руху завантаження вібруючої камери, внаслідок своєї спільності, може бути застосована практично до будь-яких типів верстатів, що здійснюють обробку вільними абразивами у вібруючих камерах. Одержані аналітичні співвідношення можуть бути використані в інженерній практиці при призначенні режимів роботи ВіО-верстата з урахуванням впливу різних експлуатаційних факторів. Одержані номограми для визначення раціональних параметрів режиму віброабразивної обробки по заданій питомій (з одиниці поверхні) інтенсивності зйома матеріалу з поверхні деталі. Дані обгрунтовані рекомендації по підвищенню інтенсивності обробки вільними абразивами у вібруючих камерах шляхом порушення регулярності циркуляційного руху.

Одержані результати в формі способу безрозмірної обробки деталей з періодичним порушенням регулярності циркуляційного руху завантаження ВіО-верстата (патент України № 38547 А) і технологічних рекомендацій по обробці маломірних деталей верстата ТМШ-1 впроваджені у відкритому акціонерному товаристві “Іванівський верстатобудівний завод”. Результати досліджень використані для призначення технологічних режимів віброабразивної обробки деталей на Луганській науково-виробничій фірмі "Еліпс" та у науково-виробничому товаристві з обмеженою відповідальністю “Міра”, що підтверджується актами впроваджень. Крім того, окремі результати роботи були застосовані в навчальному процесі при читанні курсу “Спецтехнології”.

Особистий внесок здобувача: постановка і розв'язання задачі опису випадкових рухів робочих гранул і деталей у вібруючій камері ВіО-верстата; розробка методу розв'язання і його застосування для задачі використання ймовірносної моделі руху завантаження у вібруючій камері ВіО-верстата для розрахунку зйома матеріалу з поверхні деталі-заготівки абразивними гранулами певної форми; коректування методики експериментальних досліджень, їх проведення і обробка результатів з аналізом відповідно одержаним теоретичним уявленням; формулювання висновків по розділах і загальних висновків по всій дисертаційній роботі.

Апробація результатів роботи. Основні положення й результати, представлені в дисертації, доповідались на 7 міжнародних конференціях і семінарах: шоста міжнародна науково-методична конференція "Сучасні технології, економіка і екологія в промисловості, на транспорті і сільському господарстві" (Алушта, 6-12 вересня 1999 р.); четвертий міжнародний науково-технічний семінар "High technologic of machine building: modern tendency of development" (Алушта, 16-12 вересня 1999 р.); наукова конференція викладачів і співробітників Східноукраїнського державного університету “Університет-2000" (Луганськ, 18-21 квітня, 2000 р.); міжнародний науково-технічний семінар “Питання вібраційної технології" (Ростов-на-Дону, 2-5 жовтня 2000 р.); міжнародна науково-технічна конференція “Нові машини для виробництва будівельних матеріалів і конструкцій, сучасні будівельні технології" (Полтава, державний технічний університет ім. Юрія Кондратюка, 18-20 жовтня 2000 р.); міжнародна науково-технічна конференція “Сучасні проблеми використання низькочастотних коливань з технологічною метою" постійно діючого семінару з проблеми “Застосування низькочастотних коливань в технологічних цілях" (Луганськ, 8-11 жовтня 2001 р.); міжнародна науково-технічна конференція “Створення і застосування високоефективних наукомістких ресурсозберігаючих технологій, машин и комплексів” (Могільов, 25-26 жовтня 2001 р.).

Публікації. Основний зміст дисертації викладено автором у 12 наукових працях, серед яких: 9 статей у фахових наукових виданнях (з них 2 – без співавторів); 1 публікація в матеріалах конференції; 1 патент України № 38547 А (Бюл. № 4, 2001 р.).

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, 4 розділів, висновків, списку використаних джерел, 6 додатків. Повний обсяг дисертації –268 сторінок, з них 139 сторінок основного тексту, 13 сторінок списку використаних джерел (128 найменувань), 36 повних сторінки з малюнками і таблицями (19 сторінок з малюнками, 17 сторінок з таблицями), 80 сторінок додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність роботи, сформульовані мета і задачі досліджень, визначені наукова новизна і практичне значення одержаних результатів, приведена загальна структура роботи.

У першому розділі наведений аналіз сучасного стану теорії і практики ВіО в ВіО-верстатах з U-подібною камерою при її плоскому руху – такі камери складають основу конструкцій ВіО-верстатів, які знайшли найбільше практичне застосування (мал. 1). Аналіз показав, що підвищення ефективності ВіО здійснюється зараз як розробкою нового, так і вдосконаленням існуючих конструкцій вказаних верстатів, пристріїв до них і інструмента (абразивних гранул – для них відома класифікація доповнена позицією про сконструйовані гранули). При цьому відповідні конструктивні вдосконалення направлені на інтенсифікацію процесу обробки переважно за рахунок: інтенсифікації відносного переміщення абразивних гранул по поверхні деталі-заготівки, збільшення силової взаємодії між ними. Це відповідає існуючому розумінню закономірностей процесу віброабразивної обробки, в розвиток теорії і практики якої зробили внесок Бабічев А.П., Гончаревіч І.Ф., , Копилов Ю.Р., Бєрнік П.С., Повідайло В.А., Шаінський М.Е. та їх учні.

Вказаний аналіз показав також, що на практиці задача інтенсифікації ВіО вирішується в основному емпірично (відповідні вирішенняня придатні лише для певного типу верстатів і діапазону зміни параметрів). Це пов'язано з тим, що ВіО являє собою складний процес: регулярний в середньому циркуляційний рух завантаження в камері; рух абразивних гранул і деталей відносно один одного; взаємодія абразивних гранул з поверхнею, що обробляється. Тому кількісні описи складових процесу ВіО в основному спираються на феноменологічні моделі і містять велику кількість емпіричних коефіцієнтів, що обмежує спільність відомих результатів.

Малюнок 1. Схема ВіО-верстата з U-подібною камерою

Загалом, аналіз, що міститься в першому розділі, показав:

- ефективна реалізація ВіО вимагає урахування визначальних експлуатаційних факторів, що можливо при наявності методики урахування впливу того чи іншого параметра режиму ВіО (частота, амплітуда і інш.) на результат обробки (зйом матеріалу з поверхні деталі, шорсткість і інш.);

- відносний рух абразивних гранул і деталей є визначальним для ВіО, однак, зараз відсутня методика, що дозволяє адекватно розраховувати швидкість цього руху, враховуючи його випадковий характер (існуючі описи руху елементів завантаження базуються переважно на розгляді його як детермінованого процесу);

- відома методика (Бабічєв-Давидова), що дозволяє оцінювати зйом матеріалу як результат ВіО, якщо відома швидкість відносного руху абразивних гранул і деталей з урахуванням стохастичності їх контакту (по методиці Бабічєва-Мішнякова), але всі розгляди здійснені лише для гранул сферичної форми.

У результаті, проведений аналіз дозволив уточнити задачі досліджень, які узагальнено можна сформулювати так:

визначення відносної швидкості руху абразивних гранул і деталей з урахуванням випадкового характеру цього руху для отримання розрахункових виразів для зйома матеріалу, які б включали в себе основні фактори, що впливають на обробку, містили мінімальне число коефіцієнтів, що емпірично визначаються і були придатні для абразивних гранул будь-якої заданої форми.

У другому розділі дається вирішенняня задачі визначення Vотн - відносної швидкості абразивних гранул і деталей як елементів завантаження камери ВіО-верстата. В основу вирішенняня покладено те, що процес випадкового руху елементів завантаження ВіО-верстата може бути адекватно описаний лише статистично. На основі аналізу сучасних методів статистичного опису випадкових рухів в багаточасткових системах був прийнятий метод випадкового блукання, який, зокрема, дозволяє моделювати випадкові рухи, що задовольняють рівнянню Ланжевена (рівняння згідно з другим законом Ньютона з виділеною випадковою складаючої сили). При цьому показано, що рух довільного елемента завантаження (“тіло-представник") задовольняє умовам застосування рівняння Ланжевена, форма запису якого для “тіла-представника" відповідає формі запису його для броуновської частки, відрізняючись тим, що середовище, в якому рухається “тіло-представник", є рухливим в лабораторній системі координат.

На основі моделі випадкового блукання розглянут рух “тіла-представника" на малій ділянці циркуляційної траєкторії (мал. 2), на якій цей рух моделюється стрибками модельного тіла по рівновідстоячих точках (блукання в просторі координат). У межі (прагнення до 0 кроку і часу стрибка ) зроблений перехід до безперервного руху для двох випадків: сумірно з , що дає рівняння дифузії; сумірно з , що дає рівняння безперервного процесу Пуассона.

Малюнок 2. Модель випадкового блукання “тіла-представника”

Показано, що циркуляційний рух описується обома з названих рівнянь, а відносне – тільки рівнянням дифузії. Розв'язанняня їх дало середнє переміщення і його середнєквадратичне відхилення для вказаних рухів.

При цьому також розглянута випадкова зміна швидкості “тіла-представника" (блукання в просторі швидкостей). Це дало для щільності ймовірності відносної швидкості диференціальне рівняння, ідентичне на вигляд рівнянню процесу Уленбека-Орнштейна (флуктуація швидкості броуновської частки). Для щільності ймовірності циркуляційної швидкості розгляд блукання в просторі швидкостей дав рівняння, яке також відповідною заміною змінної приведене до рівняння названого вигляду. Розв'язанняня вказаних рівнянь дало можливість одержати для циркуляційної і відносної швидкостей наступну залежність від основних параметрів руху “тіла-представника" ( – амплітуда осциляції; – період осциляції; середня питома сила, що спричиняє циркуляційний рух; – час, за який середнє переміщення рівно середнєквадратичному відхиленню)

, (1) і , (2)

при отриманні яких врахований зв'язок коефіцієнтів дифузії в просторі координат і швидкостей і зв'язок між параметрами блукання в просторі координат, а також – те, що відносна швидкість чисельно рівна середнєквадратичному відхиленню значення циркуляційної швидкості (рівно середнєквадратичному відхиленню швидкості відносного руху, розглянутої окремо).

Для перетворення (1) і (2) було враховано рівність , відповідно розв'язанняню рівнянь для випадкової зміни швидкості (тут і - коефіцієнти пропорціональності між силою , і, відповідно, швидкостями Vотн і ). При цьому прийняття співвідношень (де - коефіцієнт зменшення амплітуди вібрації елементів завантаження з віддаленням від стінки камери, вібруючої з амплітудою ) і (де - частота вібрації камери), дозволили, виходячи зі значення параметра , записати (тут - маса елемента завантаження), що дало

. (3)

Усередненням швидкості, що задається співвідношенням (3), по всіх елементах завантаження камери ВіО-верстата, для середньої відносної швидкості і середньої циркуляційної швидкості отримані, відповідно, залежності

, (4)

, (5)

при виведенні яких прийнято , що відповідає лінійній апроксимації розподілу амплітуди осциляції елементів завантаження в камері (мал. 3).

Малюнок 3. Розподіл амплітуди осциляції у вібруючій камері

При цьому, щоб виключити при визначенні коефіцієнта використання експериментальних даних, визначення цього коефіцієнта запропоновано здійснювати виходячи з співвідношення

, (6)

де відношення є міра стохастичності руху елементів завантаження.

У третьому розділі дається вирішенняня задачі визначення залежності зйома матеріалу з поверхні деталі при обробці в U-подібних камерах ВіО-верстатів гранулами заданої форми від основних факторів, що визначають ВіО-процес. Для цього контакт абразивної гранули з поверхнею деталі представлений як сукупність контактних впливів на цю поверхню зерен абразиву гранули, що дозволило узагальненням на випадок, який розглядається, відомого вирішенняня про контакт сферичного индектора з поверхнею одержати спочатку загальну залежність зйома матеріалу від параметрів ВіО-процесу у вигляді

. (7)

де - коефіцієнт, що враховує характер контактної взаємодії абразивного зерна робочої гранули з матеріалом поверхні деталі; - коефіцієнт, що характеризує середню кількість точок контакту абразивних зерен на одиниці поверхні; - щільність матеріалу деталі; - межа текучості матеріалу деталі; - маса гранули, як елемента завантаження; - час обробки.

, (8)

де - контактне напруження, прийняте чисельно рівним твердості матеріалу гранули по Брінеллю (вираженому в одиницях СІ).

Для гранул же не сферичної форми автором даної роботи запропоновано визначати коефіцієнт на основі співвідношення, що виходить з співвідношення (8) записом його в формі

, (9)

де - щільність матеріалу гранули; - площа поверхні гранули.

Крім того, для гранул будь-якої заданої форми автором даної роботи запропоновано, враховуючи (6), визначати коефіцієнт як

, (10)

де - середнє (по всіх елементах завантаження) значення, яке, з урахуванням детермінірованності руху гранул біля стінки камери (тут ) і хаотичності руху гранул в її центрі (тут ), прийняте рівним 0.5, відповідно лінійній апроксимації зміни , аналогічної апроксимації (мал. 3).

Співвідношення (10) дозволило показати, що зйом матеріалу при обробці в ВіО-верстаті з U-подібною камерою пропорційний . Це, в свою чергу, дозволило дати якісний аналіз впливу параметрів режиму обробки ( і ) на інтенсивність зйома матеріалу. А саме, показано, що прагнення інтенсифікувати зйом матеріалу підвищенням частоти вібрації або вібраційного прискорення камери ВіО-верстата може не дати ефекту на великих частотах. При цьому показується, що інтенсифікувати процес зйома у випадку, що розглядається можна періодичним порушенням регулярності, що встановлюється згодом у руху елементів завантаження камери ВіО-верстата (циркуляційний рух). Цей принцип інтенсифікації процесу об'ємної абразивної обробки був прийнятий за основу нового способу віброабразивної обробки (порушення регулярності циркуляційного руху робочого середовища у вібруючій U-подібній камері ВіО-верстата періодичним впливом на цю камеру електромагнітними збудниками), на який отриманий патент України.

Встановлення співвідношень (9) і (10) для коефіцієнтів і дозволило також одержати для відносної і циркуляційної швидкостей абразивних гранул заданої геометричної форми наступні залежності:

, , (11)

згідно з якими середня (по всіх елементах завантаження) циркуляційна швидкість у випадку, що розглядається, не залежить від характеристик елементів завантаження.

Далі був визначений коефіцієнт, представлений як

, (12)

де - число контактних майданчиків на поверхні деталі-заготівки, які утворюються при щільному укладанні на цій поверхні абразивних гранул заданої форми; - сумарна площа плям контакту на поверхні гранули .

При цьому показано, що в загальному випадку має місце співвідношення, , де - об'ємна кількість абразивних зерен в гранулі. У результаті, враховуючи співвідношення (9), (10) і (12), на основі залежності (7) для зйома при віброабразивній обробці в U-подібній камері з робочим середовищем з гранул визначеної форми отримана загальна залежність

, (13)

характерною особливістю якої є відсутність в ній коефіцієнтів, які визначаються емпірично, що, відрізняючи її від відомих залежностей, істотно спрощує практичне використання цією залежністю.

Так, для абразивних гранул сферичної форми визначення параметра як відношення (тут – площа поверхні деталі-заготівки) дозволяє отримати з (13) наступну залежність

. (14)

А для гранул в формі правильної 3-гранной призми ( – висота грані, – сторона основи) і циліндричної деталі (- довжина циліндра, - радіус основи) розв'язанням відповідної геометричної задачі показано, що

,

що, після підстановки в (13), дало наступну залежність зйома від параметрів обробки для робочого середовища з гранул в формі правильних 3-гранних призм

.(15)

Для безпосереднього практичного використання залежностей (14) і (15) по них побудовані номограми (мал. 4), які дозволяють в залежності від матеріалу деталі-заготівки і геометричної форми та розмірів абразивних гранул по заданій питомій (з одиниці поверхні) інтенсивності (в одиницю часу) зйома матеріалу при віброабразивній обробці визначати:

·

· частоту вібрації камери по заданій її амплітуді вібрацій.

Ці номограми дозволяють також визначати питому інтенсивність зйома q по заданим параметрам віброабразивної обробки. При цьому показано, що на одну одиницю питомої інтенсивності q доводиться зміна лінійного розміру деталі при обробці за час Т, яка дорівнює (для латуні 0.404 мк/година, для бронзи 0.424 мк/година, для сталі 0.462 мк/година). Це дозволяє визначати зміну лінійного розміру (в мк/година).

Четвертий розділ містить результати експериментальної перевірки розробленої ймовірностної моделі руху завантаження у вібруючій камері ВіО-верстата і відповідної залежності для зйома матеріалу. А саме, в цьому розділі викладені результати: експериментального визначення циркуляційної швидкості руху робочого середовища у вібруючій камері ВіО-верстата і порівняння її з розрахунковими значеннями; експериментального визначення зйома матеріалу із зразків-деталей і порівняння його з розрахунковими значеннями. При цьому уперед:

Малюнок 4. Номограма для визначення параметрів вібрації U-подібної камери ВіО-верстата по питомій (з одиниці поверхні) інтенсивності зйома (q) матеріалу при обробці сферичними абразивними гранулами (I) і абразивними гранулами у вигляді тригранних призм (II).

описуються технічні характеристики ВіО-верстатів для експериментів (ВМІ-1003, УВІ-25) і умови проведення експериментів; дається характеристика параметрів (циркуляційна швидкість, маса зразків, амплітуда і частота), що вимірюються, і відповідних вимірювальних засобів і способу обробки результатів експериментів.

Циркуляційна швидкість визначалася по числу обертів спеціального пристрою (“вертушка"), що встановлюється у верхній частині камери ВіО-верстата над вільною поверхнею потоку абразивних гранул, як половина лінійної швидкості, відповідної встановленому числу обертів “вертушки". Ця швидкість порівнювалася з розрахунковою середньою циркуляційною швидкістю визначеною по (11) і (5).

Відповідні експерименти проводилися для сферичних гранул (технічна порцеляна, діаметр 6 мм і 12 мм) і 3-гранних призм (ПТ10, ПТ20, ПТ30), для яких коефіцієнт визначався по (10), а коефіцієнт - по (9).

При цьому експериментально підтверджено, що циркуляційна швидкість не залежить від геометричної форми абразивних гранул, визначаючись лише параметрами режиму вібрації камери (амплітуда і частота), що знаходиться у відповідності з другою залежністю в (11) і підтверджує прийняте співвідношення .

Зйом як ефект ВіО визначався одночасною обробкою десяти циліндричних зразків (діаметр 14 мм, висота 30 мм, матеріал – ЛС 59-1 Л), що забезпечує 90% надійний інтервал по критерію Стьюдента для оцінки поля розсіювання вагового зйома матеріалу. Маса зразків до і після обробки контролювалася на аналітичних терезах ВЛА-200М. Обробка здійснювалася на верстаті УВІ-25 гранулами в формі 3-гранних призм (ПТ10, ПТ20, ПТ30); час обробки – 20 і 60 хвилин. При цьому підтверджена можливість використання залежності (15) для визначення зйома матеріалу при віброабразивній обробці в U-подібній камері з робочим середовищем з правильних тригранних призм (табл. 1) і, тим самим, підтверджена можливість практичного використання одержаних номограм (мал. 4) для вибору раціональних параметрів режиму віброабразивної обробки відповідно заданим умовам.

Показано, що відповідний вибір параметрів обробки повинен здійснюватися з урахуванням того, що кінцевим результатом віброабразивної обробки може бути, крім зйому матеріала, шорсткість поверхні. При цьому, на підставі експерименту по вимірюванню шорсткості при обробці в середовищи з правильних тригранних призм різного розміру, вказано як саме здійснювати це врахування.

Крім того, на діючій моделі експериментально показано, що створення додаткового силового впливу на стінки вібруючої камери, крім механічного вібратора, приводить до такого режиму руху, коли не можна явно виділити циркуляційний і осциляційний рухи елементів завантаження.

Таблиця 1.

Експеримент і розрахунок зйома матеріалу на верстаті УВІ-25

( 2 мм, 50 1/с)

Зйом, мг Час обробки, хвилин

20 60

Тип гранул Тип гранул

ПТ 10 ПТ 20 ПТ 30 ПТ 10 ПТ 20 ПТ 30

Експеримент 20.4 26.1 44.5 60.8 72.4 138.5

Розрахунок по (17) 23.0 27.3 35.0 68.9.0 81.9 105.0

% +12.7 +4.6 -21.3 +13.3 +13.1 -24.2

ВИСНОВКИ

1. У сучасній практиці задача інтенсифікації процесу віброабразивної обробки вирішується переважно емпірично. Емпірично вирішується і задача про зв'язок умов і результата обробки. Вирішення цієї задачі, які існують, є або якісними і містять велике число емпіричних коефіцієнтів, або описують окремі складові процесу обробки.

2. Показано, що циркуляційний і відносний рухи робочих гранул і деталей-заготівок, як елементів завантаження вібруючої камери ВіО-верстата можна описати рівняннями Ланжевена, які дозволяють враховувати наявність випадкової складової сили, що змушує вказані рухи, яка у відомих методиках ніяк не враховується. При цьому процес випадкового руху деталей і абразивних гранул у вібруючій камері ВіО-верстата може бути адекватно описаний як випадкове блукання. Це дозволяє моделювати з єдиних позицій циркуляційний і відносний рухи абразивних гранул і деталей. Вказана адекватність забезпечується відповідним вибором співвідношень між параметрами випадкового блукання і параметрами реального процесу руху деталі і абразивних гранул.

3. Одержані нові аналітичні співвідношення між параметрами, які обумовлюють процес обробки вільними абразивами у вібруючій камері верстата для віброабразивної обробки. Зокрема, для відносної швидкості елементів завантаження всередині вібруючої U-подібної камери ВіО-верстата одержано співвідношення, яке пов'язуює її з основними характеристиками режиму обробки. Одержано також співвідношення пропорціональності середньої (по всіх елементах завантаження вібруючої камери) циркуляційної швидкості амплітуді і частоті вібрацій камери, підтверджене експериментально.

4. Одержані загальні залежності зйома матеріалу з поверхні деталі як кінцевого технологічного результату при віброабразивній обробці її в U-подібній камері ВіО-верстата абразивними гранулами заданої форми (сферичні, тригранні призми, будь-яка інша форма з відомою площею поверхні гранули), що встановлюють вплив на цей зйом основних факторів і параметрів обробки. Експериментальне підтвердження адекватності реальності цих залежностей дозволяє рекомендувати їх для використання в безпосередній інженерній практиці при реалізації і оцінці результату віброабразивної обробки на ВіО-верстатах з U-подібною камерою.

5. Інтенсифікація процесу віброабразивної обробки може бути досягнута перерозподілом енергії, підведеної до завантаження ВіО-верстата, за рахунок збільшення кінетичної енергії відносного руху, для чого треба періодично порушувати регулярність циркуляційного руху, що встановлюється з часом.

6. Використання результатів досліджень у ВАТ “Іванівський верстатобудівний завод” дозволило підвищити продуктивність праці існуючих на підприємстві верстатів приблизно на 28-35%; у науково-виробничому товаристві з обмеженою відповідальністю “Міра” отримати економічний ефект у сумі 14400 грн. у рік; у МСП Луганській науково-виробничій фірмі “Еліпс” знизити собівартість виробів на 15-25%.

Використання результатів дисертаційної роботи в навчальному процесі при проведенні практичних і лабораторних занять, а також у курсі лекцій "Спеціальні технології" для магістрантів дозволяє підвищити якість підготовки фахівців.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Цыгановский А.Б., Бранспиз Е.В. Математическое моделирование съёма металла при гидроабразивной обработке поверхностей затопленными струями // Вестник Восточноукраинского государственного университета.– 1998.– №4(14).– С. 36-39.

2. Лубенская Л.М., Бранспиз Е.В. Вероятностное описание движения рабочего тела в процессе виброабразивной обработки // Вибрации в технике и технологиях.– 1998.– №2(6).– С. 39-41.

3. Лубенская Л.М., Бранспиз Е.В. К расчёту ударного взаимодействия тела с поверхностью // Вибрации в технике и технологиях.– 1999.– №3(12).– С. 30-31.

4. Лубенская Л.М., Бранспиз. Е.В. О сопротивлении сыпучей среды движению тела //Вестник Харьковского государственного политехнического университета. 1999.– Вып. 60.– С. 189-193.

5. Лубенская Л.М., Бранспиз Е.В. Моделирование динамического внедрения тела в поверхность с упруго-пластичными свойствами // Ресурсозберігаючі технології виробництва та обробки тиском матеріалів у машинобудуванні: Збірник наукових праць.– Луганськ: Вид-во СУДУ. 2000.– С. 30-35.

6. Бранспиз Е.В. О постоянстве эффективного коэффициента трения в подшипнике дебалансного вала вибровозбудителя. // Вибрации в технике и технологиях. – 2000.– № 2(14).– C. 18-20.

7. Бранспиз Е.В. О зависимости интенсивности виброабразивной обработки от массы рабочих гранул. // Вибрации в технике и технологиях. – 2000.– № 3(15).– C. 3-6.

8. Бранспиз Е.В. Лубенская Л.М., Анализ нестационарного режима вибрационной обработки свободными абразивами // Вопросы вибрационной технологии: Межвузовский сборник научных статей.– Ростов-на-Дону: ДГТУ, 2000.– С. 26-29.

9. Бранспиз Е.В., Калмыков М.А., Перов Д.И. К расчёту угловой скорости вращения дебалансного вала управляемой вибрационной машины// Збірник наукових праць (галузеве машинобудування, будівництво).–Вип. 6. Частина 1.– Полтава: ПДТУ ім. Юрія Кондратюка, 2000.– С. 162-165.

10. Бранспиз Е.В., Лубенская Л.М. Анализ процессов скругления острых кромок и съема металла при виброабразивной обработке // Вибрации в технике и технологиях.– 2001.– № 1(17).– С. 25-27.

11. Спосіб безрозмірної обробки деталей у вібруючих резервуарах U-подібної форми: Патент № 3857 А, Україна, В24В31/06 / Лубенська Л.М., Яковенко В.В., Перов Д.Л., Бранспіз О.В. – Опубл. 15.05.2001. Бюл. № 4.

12. Лубенская Л.М., Бранспиз Е.В. Особенности вероятностного описания движения рабочей среды при виброабразивной обработке // High technologic of machine – building: modern tendency of development: Материалы IX-го международного научно-методического семинара.– Харьков-Алушта, 1999.– С. 51.– (6-12сентября 1999).

АНОТАЦІЇ

Бранспіз О.В. Підвищення ефективності виброабазивної обробки шляхом раціонального вибору її основних параметрів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття вченому ступені кандидата технічних наук по спеціальності 05.03.01 – процеси механічної обробки, верстати і інструменти. Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2002.

Приведені результати математичного моделювання випадковим блуканням відносного і циркуляційного рухів робочих гранул і деталей-зоготівок у вібруючий U-подібної камері ВіО-верстата з урахуванням випадковості цих рухів, що дало можливість отримати для швидкостей вказаних рухів їх зв'язок з основними характеристиками режиму обробки. У результаті знайдени залежності від основних факторів і параметрів обробки зйома матеріала з поверхні деталі-заготівки як кінцевого технологічного результату віброабразивної обробці в U-подібній камері ВіО-верстата абразивними гранулами заданої форми (з відомою площею поверхні гранули). Приведені відповідні номограми для практичного використання та результати експериментального підтвердження знайдених залежностей. Результати роботи впроваджено у виробництво та навчальний процес.

Ключові слова: вібрація, обробка віброабразивна, гранула абразивна, камера вібруюча, взаємодія контактна, зйом матеріалу, інтенсивність зйома питома.

Бранспиз Е.В. Повышение эффективности виброабразивной обработки путем рационального выбора ее основных параметров. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.01 – процессы механической обработки, станки и инструменты. Национальный технический университет "Харьковский политехнический институт", Харьков, 2002.

Диссертация посвящена повышению эффективности виброабразивной обработки в U-образных камерах путем выбора рациональных значений основных параметров, которые влияют на конечный результат механической обработки – съем материала с поверхности детали-заготовки.

Приведены результаты математического моделирования относительного и связанного с ним циркуляционного движений рабочих гранул и обрабатываемых деталей как элементов загрузки вибрирующей камеры ВиО-станка. А именно, показано, что эти циркуляционное и относительное движения можно описать уравнениями Ланжевена, которые позволяют учесть наличие случайной составляющей силы, вынуждающей указанные движения, которая в известных методиках никак не учитывается. При этом процесс случайного движения деталей и абразивных гранул в вибрирующей камере ВиО-станка описывается как случайное блуждание. Установлены специальные соотношения между параметрами случайного блуждания и параметрами реального процесса движения детали и абразивных гранул, которые обеспечивают адекватность модели реальным процессам. При этом для относительной скорости элементов загрузки внутри вибрирующей U-образной камеры ВиО-станка получено соотношение, связывающее ее с основными характеристиками режима обработки. Получено также соотношение пропорциональности средней (по всем элементам загрузки вибрирующей камеры) циркуляционной скорости амплитуде и частоте вибраций камеры, подтвержденное экспериментально.

Дается решение задачи определения зависимости съема материала с поверхности детали-заготовки при обработке в U-образных камерах ВиО-станков гранулами заданной формы от основных факторов, определяющих процесс виброабразивной обработки. Для этого контакт абразивной гранулы с поверхностью детали-заготовки представлен как совокупность контактных воздействий на эту поверхность зерен абразива гранулы, что позволило обобщением на рассматриваемый случай известного решения о контакте сферического индектора с поверхностью получить первоначально общую зависимость съема материала от параметров процесса виброабразивной обработки в виде, который затем уточняется. В результате получены зависимости съема материала с поверхности детали-заготовки как конечного технологического результата при виброабразивной обработке ее в U-образной камере ВиО-станка абразивными гранулами заданной формы (сферические, трехгранные призмы, любая другая форма с известной площадью поверхности гранулы), устанавливающие влияние на этот съем основных факторов и параметров обработки. При этом приведены номограммы для использования в непосредственной инженерной практике при реализации и оценке результата виброабразивной обработки на ВиО-станках с U-образной камерой. Приведены также результаты экспериментального подтверждения адекватности реальности этих зависимостей.

На основании полученных результатов делаются общие выводы и даются рекомендации по практическому использованию этих результатов.

Результаты работы внедрены в производство и учебный процесс.

Ключевые слова: вибрация, обработка виброабразивная, гранула абразивная, камера вибрирующая, взаимодействие контактное, съем материала, интенсивность съема удельная.

Branspiz E.V. Heightening of vibrate-abrasive handling efficiency by rational choice of its basic parameters, the manuscript.

This thesis is for a competition of a candidate of engineering scientific degree of the speciality 05.03.01 – The process of machining job, machine tools and instruments. National engineering university "Kharkiv polytechnic institute", Kharkiv, 2002.

The results of mathematical simulation are cited by a random wandering of relative and circulating working granules and details movings in the vibrating U-shaped camera of the vibration-machine tool. The simulation is carried out in view of randomness of these movings. It has enabled to receive for speeds of the indicated movings their link with basic performances of a condition of handling. As a result, dependencies on major factors and parameters of handling of material removal of a from a surface of part bar are found as terminating technological result vibrate-abrasive handling (finish processing) in the U-shaped cabinet vibration-machine tool by abrasive granules of the given shape. Granule surface area is known. The relevant nomograms are reduced for practical use and outcomes of experimental affirming of the found dependencies. Outcomes of operation are introduced into production and educational process.

Key words: vibration, handling vibrate-abrasive, a granule abrasive, the cabinet vibrant, interaction contact, removal of a material, intensity of removal specific.

Бранспіз Олена Володимирівна

Підвищення ефективності віброабразивної обробки шляхом раціонального вибору її основних параметрів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Спеціальність 05.03.01 – процеси механічної обробки, верстати і інструменти

Відповідальний за випуск

________________________________________________________________________

Підп. до друку ________ 2002 р. Формат видання 145215.

Формат паперу 6090/16. Папір офсетний.

Обсяг ___ авт. аркуша. Тираж 100 екз. Замовлення № __

Ротапринт СНУ. 91034, м. Луганськ, кв.Молодіжний, 20а.