Актуальность темы определяется следующим:
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ПРИАЗОВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Волков Ігор Володимирович
УДК 621.9.048
ПІДВИЩЕННЯ ПРОДУКТИВНОСТІ ПРОЦЕСУ
ВІБРАЦІЙНОЇ ОБРОБКИ ДЕТАЛЕЙ
НА ОЗДОБЛЮВАЛЬНИХ І ЗМІЦНЮЮЧИХ ОПЕРАЦІЯХ
Спеціальність 05.02.08 – технологія машинобудування
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Маріуполь - 2008
Дисертацією є рукопис
Робота виконана на кафедрі “Технологія машинобудування” Східноукраїнського національного університету 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 Міністерства освіти
і науки України, м. Луганськ,
доцент кафедри „Технологія машинобудування”
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор,
Заслужений діяч науки і техніки України
Проволоцький Олександр Євдокимович,
Національна металургійна академія України
Міністерства освіти і науки України, м. Дніпропетровськ,
завідувач кафедри „Технологія машинобудування”
кандидат технічних наук, доцент
Анділахай Олександр Олександрович,
Приазовський державний технічний університет
Міністерства освіти і науки України, м. Маріуполь,
завідувач кафедри „Технологія машинобудування”
Захист відбудеться 11.06. 2008 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К12.052.03 у Приазовському державному технічному університеті за адресою: 87500, м. Маріуполь, вул. Апатова, 115.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Приазовського державного технічного університету.
Автореферат розісланий 08.05. 2008 р.
Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,
кандидат технічних наук, доцент Гусєв Ю.В.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Ринкова економіка потребує застосування продуктивних методів обробки з відповідними якісними результатами. Якість та низька собівартість є однією з найважливіших задач виробництва. Один із методів, що використовує просте і надійне в експлуатації універсальне обладнання та дозволяє забезпечити обробку одночасно великої кількості деталей, є вібраційна обробка. До того ж вібраційна обробка сприяє підвищенню експлуатаційних властивостей деталей і нею послуговуються на операціях від чорнових до фінішних. У сучасних умовах, незважаючи на суттєві переваги й здобутки цього методу в різних галузях промисловості, його впровадження стримується недостатньою продуктивністю процесу.
Отже, підвищення продуктивності процесу при обробці у вібруючих контейнерах без жорсткого кінематичного зв'язку між верстатом, інструментом – робочим середовищем і оброблюваною деталлю є актуальною науково-технічною задачею і може бути досягнуте шляхом використання внутрішніх ресурсів цієї системи на підставі визначення взаємозв'язку між елементами, що вимагає проведення теоретичних і експериментальних досліджень.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана на кафедрі «Технологія машинобудування» Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля у відповідності з державними бюджетними темами: «Моделювання взаємозв'язків геометричних й енергетичних параметрів електромеханічних процесів, пристроїв і технологічних систем енергозберігаючого напрямку» (2001-2003), ДР № 0101U03277; «Теоретичні дослідження процесів плазмової, віброабразивної і гідроабразивної обробки, комп'ютерного синтезу оптимальних технологічних середовищ» (2004-2006), ДР № 0104U000100 і «Теоретичне дослідження нагрівання газу в плазмотроні для газифікації вугілля й опалення казанів теплових електростанцій (ТЕС)» (2007-2009), ДР № 0107U000284.
Мета й задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є підвищення продуктивності процесу обробки деталей на оздоблювальних і зміцнюючих операціях за рахунок вибору технологічних параметрів процесу шляхом визначення взаємозв'язку між елементами конструкції верстата й інструмента – робочого середовища.
Для досягнення зазначеної мети в роботі були поставлені і вирішені наступні задачі:
- аналіз технологічних можливостей вібраційного устаткування для обробки деталей на оздоблювальних і зміцнюючих операціях;
- дослідження особливостей руху межового шару робочого середовища у вібруючому контейнері;
- розробка математичної моделі й алгоритму чисельного розрахунку динамічних характеристик впливу контейнера на гранулу та робоче середовище в цілому, а також визначення потужності, що передається робочому середовищу стінками контейнера;
- визначення амплітудно-частотних характеристик процесу, необхідних для реалізації продуктивного технологічного процесу вібраційної обробки деталей;
- експериментальна перевірка отриманих теоретичних рішень шляхом створення відповідних технологічних процесів;
- розробка рекомендацій з практичного впровадження отриманих результатів, які забезпечують підвищення продуктивності процесу.
Об'єкт дослідження - процес вібраційної обробки в U-подібних контейнерах вібраційних верстатів.
Предмет дослідження - закономірності руху елементів завантаження U-подібного контейнера вібраційного верстата.
Методи дослідження. Дисертація виконана з використанням наукових положень теорії віброабразивної обробки, теорії вібраційного транспортування, механіки суцільних і сипучих середовищ, експериментальних досліджень зносостійкості, втомної міцності, металографічних досліджень із використанням оптичної мікроскопії. При виконанні досліджень використовувалася система комп'ютерної математики MAPLE.
Наукова новизна одержаних результатів.
1. Уперше сформульовано та досліджено комплекс умов, необхідний для підвищення продуктивності обробки деталей, що складається з конструкційних параметрів вібраційного верстата з урахуванням траєкторії руху контейнера і параметрів руху межового шару робочого середовища, визначення взаємозв'язку між якими дозволяє робити вибір раціональних амплітудно-частотних характеристик процесу.
2. Уперше розроблено математичну модель і алгоритм розрахунку траєкторії руху одиничної гранули, циркуляційної швидкості межового шару робочого середовища, динамічних характеристик впливу стінок контейнеру на гранулу та робоче середовище в цілому в залежності від параметрів вібраційного верстата.
3. Розроблено нові принципи прогнозування продуктивності процесу на основі енергетичної моделі, яка враховує потужність, що передається від віброзбуджувача стінками контейнера робочому середовищу і оброблюваним деталям, та на стадії проектування дозволяє вибирати раціональні параметри і технологію вібраційної обробки виробів на оздоблювальних і зміцнюючих операціях.
4. Теоретично обґрунтовано й експериментально підтверджено можливість підвищення експлуатаційних властивостей поверхневого шару деталей у результаті вібраційної фінішної обробки на верстатах з U-подібним контейнером без жорсткого кінематичного зв'язку за рахунок збільшення кількості енергії в одиницю часу, що передається робочим середовищем поверхні оброблюваної деталі.
Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що:–
розроблена теоретична модель може бути використана в інженерній практиці при призначенні режимів вібраційної обробки, при проектуванні або модернізації обладнання, при виборі інструменту і розробці технологічних процесів обробки деталей;–
розроблено технологічні рекомендації з вибору режимів обробки деталей, підвищення продуктивності якої досягається через зміни амплітудно-частотних характеристик коливань контейнера та траєкторії його руху;–
розроблені технологічні процеси обробки складнопрофільних деталей.
Результати досліджень, що проведені, надані в дисертаційній роботі, практично застосовуються на ТОВ «Авто-Електромаш» (м. Херсон).
Особистий внесок здобувача:–
постановка і розв'язання задачі моделювання руху робочого середовища в контейнері вібраційного верстата;–
корегування методики експериментальних досліджень, проведення досліджень та обробка результатів з аналізом відповідно до отриманих теоретичних уявлень;–
формулювання висновків за розділами дисертаційної роботи і загальних висновків за всією роботою.
Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на: науково-технічному семінарі з проблеми «Застосування низькочастотних коливань у технологічних цілях» за темою «Удосконалення конструкцій устаткування (вібраційних верстатів). Розвиток конструктивних форм робочих камер» (м. Ростов-на-Дону, 6-10 жовтня 2003 р.); V, VII і VIII міжнародних науково-технічних конференціях «Вібрації в техніці та технологіях» (м. Вінниця, 17-21 жовтня 2004 р.; м. Львів, 11-13 жовтня 2006 р.; м. Дніпропетровськ, 1-5 жовтня 2007 р.); науковій конференції професорсько-викладацького складу і наукових співробітників Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля «Наука» (м. Луганськ, 19-21 квітня 2004 р.); 12-й міжнародній науково-технічній конференції «Фізичні і комп'ютерні технології» (м. Харків, 7-8 червня 2006 р.).
Публікації. Основний зміст дисертації відбитий у 11 наукових публікаціях, 10 з яких опубліковані у виданнях, що входять до переліку ВАК України.
Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів, загальних висновків і рекомендацій, списку використаних літературних джерел (160 джерел), двох додатків. Повний зміст роботи викладений на 174 сторінках, з них 153 сторінки основного тексту, 16 сторінок списку літературних джерел, 16 сторінок з рисунками, 12 сторінок з таблицями, 5 сторінок додатків.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету і задачі досліджень, представлено наукову новизну і практичну значимість отриманих результатів, надано загальну структуру роботи.
У першому розділі наведено аналіз сучасного стану теорії і практики вібраційної обробки деталей, як методу обробки без жорстокого кінематичного зв'язку між елементами системи верстат – пристосування – інструмент - заготовка, на оздоблювальних і зміцнюючих операціях. Проаналізовано устаткування і параметри, що впливають на отримання кінцевого технологічного результату вібраційної обробки, зокрема амплітудно-частотні характеристики. Був розглянутий вплив режимів вібраційної обробки в неабразивному середовищі (для виконання поверхнево-пластичного деформування (ППД)), що складається, як правило, зі сталевих кульок, на процес зміцнення поверхневого шару оброблюваної деталі, і, відповідно, зміни її експлуатаційних властивостей.
Значний внесок у розвиток теорії і практики обробки вільними абразивами та зміцнення деталей внесли Бабичев А.П., Берник П.С., Блехман І.І., Брандт В., Гончаревич І.Ф., Копилов Ю.Р., Лавендел Е.Е., Матсунагі М., Одинцов Л.Г., Поляков М.С., Проволоцький О.Є., Сердюк Л.І., Фролов К.В., Шаїнський М.Є. та ін.
Аналіз показав, що серед більшості чинників, що впливають на продуктивність процесу вібраційної обробки, як по зніманню металу, так і по деформуванню поверхневого шару, основними є амплітуда і частота коливань контейнера, можливість регулювання яких залежить від конструкції вібраційного верстата. Однак у безпосередній інженерній практиці, як правило, застосовуються конструкторські розробки, що перевіряються на основі доведених даних та емпіричні, феноменологічні моделі (придатні лише для визначеного типу верстатів і діапазону зміни їхніх параметрів).
При аналізі вібраційної обробки як методу ППД виявлено, що при достатньому дослідженні механізму формування поверхневого шару в процесі зміцнення, залишається не вивченим взаємозв'язок між устаткуванням, як джерелом енергії, необхідної для деформування поверхневого шару металу оброблюваної деталі, його режимами й продуктивністю процесу віброзміцнення.
Таким чином, на підставі проведеного аналізу, з метою підвищення продуктивності процесу обробки деталей на оздоблювальних і зміцнюючих операціях (з урахуванням можливості створення єдиної теорії для деяких методів обробки незакріпленим інструментом) потрібно досліджувати особливості руху робочого середовища у вібруючому контейнері, у тому числі й межовому шарі, і визначити раціональні параметри роботи вібраційного верстата.
В другому розділі розглянуто методичне забезпечення досліджень процесу вібраційної обробки. Проаналізовано існуючі основні методи дослідження вібраційної обробки, що описують вплив гранули на деталь і рух вібруючого контейнера і його маси завантаження. Розглянуто моделі, що описують взаємодію гранули з деталлю, у яких визначається знімання металу на основі розрахунку одиничного знімання і застосовується ймовірнісно-кінематичний підхід для оцінки взаємодії одиничної гранули і поверхні оброблюваної деталі.
Також розглянуто математичні моделі, що описують процес вібраційної обробки, засновані на тому, що ефективність процесу вібраційної обробки пропорційна потужності, що розсіюється в завантаженні. При цьому в одній групі моделей як теоретичні передумови використовуються закономірності, встановлені при вивченні явищ вібротранспортування матеріальної частки, а в другий – як модель використовують феноменологічні віброреологічні моделі, засновані на використанні елементарних тіл Фейхта і Максвелла.
У результаті виконаного аналізу виявлено, що в якості математичної моделі процесу вібраційної обробки найбільш доцільно використовувати модель, яка складається з декількох взаємозалежних і взаємопов’язаних частин. При цьому необхідно враховувати не тільки досягнення потрібної величини знімання металу і якості поверхні за визначений період часу, а, в першу чергу, енергію, що витрачається на цей процес.
Наведено характеристики вживаного устаткування, досліджуваних зразків, робочого середовища і методика проведення експерименту. При проведенні експериментальних досліджень застосовувалися ВіО-верстати НДЛ ОВА СНУ ім. В. Даля; аналітичні терези ВЛА-200М, профілометр-профілограф моделі 201, мікроскопи МІМ-8М, УИМ-21, прилад ПМТ-3, прес Бринеля моделі ТШ-2М, машина МІ-IM, гідравлічна розривна машина ГРМ-1 і МУИ-6000, пристосування типу «вертушка» і «хрестовина».
Як об'єкти досліджень використовувалися: вирізані фрагменти деталей-представників – шестерень зі сталі 20Х2Н4А с модулем m=10, числом зуб’їв z=17; циліндричні порожні зразки 1010 мм із ЛС59-1Л; ролики (внутрішній діаметр 16 мм; зовнішній діаметр 50 мм; висота 10 мм) зі сталі 12ХН3А; циліндричні східчасті зразки зі сталі 18Х2Н4МА, а також циліндричні зразки 2550 мм зі сталі 45, ЛС59-1Л і АЛ9.
Як робочі середовища використовувалися: ПТ-10, АН-2, кулі порцелянові діаметрами 6 і 12 мм і сталеві загартовані поліровані кульки діаметром 3-5 мм зі сталі ШХ15.
При дослідженні змін мікроструктури і мікротвердості поверхневого шару шестерні були встановлені на пристосуванні в контейнері вібраційного верстата моделі ВМИ-1004А й піддані зміцненню кульками зі застосуванням хімічного розчину на режимах: частота 29 Гц, амплітуда 3,5 мм протягом 120 хвилин. На спеціально підготовлених зразках зуб’їв шестерень був проведений нормальний і кутовий зріз зуб’їв, по якому на приладі типу ПМТ-3 вимірювалася мікротвердість по перетину цементованого шару по бічній поверхні зуб’їв і по западині при навантаженні 100 г.
При дослідженні втомної міцності зразки зі сталі 18Х2Н4МА діаметром 15 мм були оброблені шліфуванням на круглошліфувальному верстаті (з режимами: V=30 м/сек, Sпрод=8 м/хв, Sпоп=0,02 мм, число обертів деталі n=175 об/хв при 15 проходах) і віброшліфовані (на вібраційному верстаті моделі ВМИ-1004А в робочому середовищу, що складається з бою кульошліфувальних кругів АН-2, протягом 240 хвилин з частотою 34 Гц і амплітудою 3 мм із застосуванням хімічно активного розчину).
Дослідження втоми при розриві проводилися на гідравлічній розривній машині ГРМ-1. Іспити на втомну міцність проводилися на машині МУИ-6000.
При дослідженні зносостійкості зразків ролики зі сталі 12ХН3А, попередньо обточені і прошліфовані, піддавалися вібраційній обробці на верстаті моделі ВМИ-1004А з режимами: частота коливань 29 Гц, амплітуда коливань 3 мм протягом 90 хвилин в АН-2, а потім вібраційному зміцненню протягом 30 хвилин у робочому середовищі, що складається зі сталевих кульок діаметром 3-5 мм, частота 62 Гц, амплітуда 3 мм. На машині МІ-IM величина зносу оцінювалася за глибиною канавки (яка замірювалася на універсальному мікроскопі УИМ-21), що залишається роликом на поверхні зразка після 15, 30, 45, 60 і 90 хвилин зношування. Зразки випробувалися в наступному порядку: оброблені на круглошліфувальному верстаті; шліфовані і зміцнені в середовищі сталевих кульок; шліфовані й оброблені в вібраційному верстаті в середовищі бою кульошліфувальних кругів АН-2; шліфовані й оброблені у вібраційному верстаті в середовищі бою кульошліфувальних кругів АН-2 та середовищі сталевих кульок.
При визначенні зон з різною активністю обробки в U-подібному вібруючому контейнері використовувалися вібраційні верстати: ВМИ-1003, УВИ-25, ВМИ-1004А, в контейнер яких установлювалося пристосування типу «хрестовина», на якому на рівній відстані (відстань 20 мм, обрана з умови вільного проходження одиничної найбільш великої гранули з середовища ПТ-10) одне від одного розташовувалися штирі, на яких вільно встановлювалися порожні циліндричні латунні зразки діаметром 10 мм і довжиною 10 мм, зсуву яких запобігали обмежувачі. Вібраційна обробка зразків у середовищі ПТ-10 відбувалася протягом 60 хвилин з режимами: амплітуда 3 мм, частота 43 Гц, по закінченню якої визначалося знімання металу зі зразків, встановлених у різних точках робочого об’єму контейнера.
При визначенні циркуляційної швидкості робочого середовища визначалося число обертів обертання пристосування «вертушка» за середнім радіусом впродовж 1 хвилини, після чого визначалася лінійна швидкість «вертушки». Експеримент проводився з використанням робочого середовища у вигляді порцелянових куль діаметром 6 і 12 мм із режимами: амплітуда 3 мм, частота 35 Гц (на вібраційному верстаті моделі ВМИ-1003), 50 і 62 Гц (на вібраційному верстаті моделі УВИ-25).
При визначенні впливу технологічних параметрів процесу на ефективність вібраційної обробки застосовувалися зразки зі сталі 45, латуні ЛС59-1Л та алюмінію АЛ9 у стані постачання з розмірами 2550. На вібраційному верстаті моделі УВИ-25 у порцелянових кулях діаметром 12 мм відбувалася вібраційна обробка зразків впродовж 60 хвилин при різних значеннях амплітуди і частоти коливань, за результатами якої встановлювалося знімання металу, і визначалася шорсткість поверхні.
Для досліджень вібраційної зміцнюючої обробки на вібраційному верстаті моделі УВИ-25 у сталевих кульках діаметром 3-5 мм 60 хвилин оброблялися зразки зі сталі 45 з розмірами 2550, у результаті чого визначалася глибина і ступінь наклепу. При цьому за постійних значень амплітуди коливань змінювалися значення частоти коливань (34; 43; 50; 54; 62; 67 Гц), і, навпаки, за постійних значень частоти коливань послідовно варіювалися значення амплітуди коливань (1,0; 2,0; 3,0; 4,0; 5,0 мм).
У третьому розділі з метою оцінки необхідної енергії, що передається в зону обробки, необхідно розглянути взаємодію середовища і стінок контейнера, при моделюванні якого приймаємо, що межовий шар поводиться як тверде тіло, яке знаходиться на поверхні, а дисипативні властивості сипучого середовища представлені реологічними зв'язками (рис. 1).
Рис. 1. Розрахункова схема для визначення параметрів взаємодії стінок контейнера і шару робочого середовища, що прилягає
Рух елемента робочого середовища за віссю X підрозділяється на три етапи: етап спільного руху елемента робочого середовища і поверхні стінки контейнера; етап польоту; етап прослизання.
Етап прослизання виникає коли:
1. деталь знаходиться на поверхні контейнера;
2. дотримується нерівність
, (1)
де k - коефіцієнт тертя;
N - сила реакції стінки контейнера;
m0 - маса елемента, що знаходиться на поверхні контейнера;
Fx(t) відповідно визначається як:
, (2)
де , – функції коливань відповідної ділянки стінки контейнера за осями (Xn, Yn), розташованої у центрі мас контейнера;
x0, y0 – зсув розглядуваної точки щодо центра мас контейнера;
- кут нахилу площини, що коливається.
У момент прослизання рух елемента протягом одного періоду описується наступним диференціальним рівнянням:
, (3)
де m - сумарна маса елементів робочого середовища, розподілена за площею розглядуваного фрагмента стінки контейнера;
– зрушення відносно початку відліку;
- коефіцієнт псевдопружності робочого середовища;
В - коефіцієнт псевдодемпфірування.
І відповідно для польоту:
. (4)
За певних умов режим спільного руху елемента робочого середовища і поверхні стінки контейнера може бути відсутнім. Графік, що ілюструє зміну сили інерції і сили тертя, показаний на рис. 2.
Рис. 2. Перехід між різними етапами руху елемента робочого середовища за віссю Х в залежності від зміни сили інерції і сили тертя
Для визначення характеристик руху різних ділянок поверхні контейнера використовується схема розрахунку, в основі якої є рівняння Лагранжа другого роду, якщо його розписати для відповідних узагальнених координат, набуває наступного вигляду (рис. 3):
, (5)
де CX, CY – коефіцієнти пружності елементів верстата;
BX, BY – коефіцієнти дисипації елементів верстата;
LX, LY – плечі проекцій пружної і дисипативної сил;
LKХ, LKY – відстань від осі дебалансу до центра мас системи;
M – маса контейнера і завантаження;
mk – маса дебалансу;
J – центральний момент інерції системи (сукупний контейнера і дебалансу);
r – ексцентриситет маси дебалансу щодо осі обертання;
,
де f – частота коливань.
Рис. 3. Розрахункова схема моделі руху контейнера
Результатом чисельного рішення цієї системи рівнянь будуть процедури, що описують переміщення центра ваги:
(6)
Траєкторія якої-небудь іншої точки контейнера може бути одержана в такий спосіб:
(7)
де L – відстань до точки.
Загальний алгоритм чисельного розрахунку траєкторії руху елемента робочого середовища, що знаходиться в контакті з поверхнею стінки контейнера виглядає наступним чином:
1. Одержання амплітудно-частотних характеристик руху точки поверхні контейнера (залежності (5), (6), (7)).
2. Зсув і поворот системи координат для одержання рівнянь у системі X,Y відповідно до форми контейнера (залежність (2)).
3. Визначення амплітуди і зрушення фаз між рухом за осями X і Y (одержання рівнянь руху у вигляді , ).
4. Одержання рівнянь для визначення умов переходу і рішення диференціальних рівнянь, що ґрунтуються на отриманих початкових умовах, для визначення рівнянь руху за віссю Y відповідно до описаної вище методики.
5. Для визначення параметрів циркуляційного руху здійснюється корегування початкової фази. За початок прийнята точка на осі t (рис. 2), у якій настає режим спільного руху або, якщо така відсутня, точка, після якої виникають умови, що забезпечують режим прослизання. Далі аналогічно до пункту 4, одержання рівняння руху за віссю Х. Цей захід є необхідним для виконання подальшого аналізу змін, що відбуваються в системі й пошуку стаціонарного режиму.
Проведено розрахунки траєкторії руху елемента робочого середовища, який знаходиться в контакті з поверхнею стінки контейнера в деяких точках (рис. 4), приклад для однієї точки наведений на рис. 5.
Рис. 4. Розташування точок поверхні контейнера вібраційного верстата, що використовуються при розрахунку траєкторії руху елемента робочого середовища
Рис. 5. Результат розрахунку траєкторії руху елемента робочого середовища,
що знаходиться в контакті з поверхнею стінки контейнера.
Точка – №1. Значення кута =0.
1 – траєкторія руху елемента робочого середовища до зіткнення;
2, 3 – траєкторії руху точки поверхні контейнера.
Оцінка впливу амплітудно-частотних характеристик на середнє (по поверхні контейнера) значення силового імпульсу, що передається робочому середовищу за період коливань, спираючись на запропоновану модель, може бути зроблена в такий спосіб:
, (8)
де S – функція, що описує геометричну форму контейнера, у координатах X, Y;
l – довжина кривої, що апроксимує лінію поперечного перерізу контейнера;
функції y(t) і Fy(t) приймають як параметри , А, і т.д. значення відповідної точки контейнера;
tудар – рішення рівняння , беручи до уваги зсув фаз на інтервалі ....
На рис. 6 наведена залежність середнього силового імпульсу в зоні здійснення або мікрорізання, або поверхневого пластичного деформування (вочевидь, він зростає зі збільшенням частоти коливань), а на рис. 7 - залежність середнього силового імпульсу, але того, що передається за період по всій площі стінки контейнера, від амплітуди і частоти коливань.
Рис. 6. Результати розрахунку величини силового імпульсу, що передається робочому середовищу |
Рис. 7. Результати розрахунку величини силового імпульсу, що передається робочому середовищу за період коливань
Рис. 8. Результати розрахунку величини потужності,
що передається робочому середовищу за період коливань
З наведених графіків випливає, що силовий імпульс збільшується зі збільшенням амплітуди коливань, однак з цього не випливає підвищення ефективності, тому що:
1. Значення параметрів, що визначають у моделі робоче середовище, були одержані експериментально і залежать від амплітудно-частотних характеристик. Їхні величини при значному відхиленні амплітуди коливань можуть змінюватися і потребують додаткових досліджень;
2. Збільшення силового імпульсу може бути недоцільно, тому що може зашкодити поверхні деталі;
3. Існують визначені режими, на яких виникає сталий циркуляційний рух, який у визначених випадках необхідний для транспортування деталей крізь зони з різною інтенсивністю обробки.
Визначена потужність, яка передається межовим шаром, у залежності від амплітудно-частотних характеристик (рис. 8). Як видно з рисунка, для даного робочого середовища графік зміни потужності майже симетричний графікові зміни імпульсу.
За результатами теоретичних досліджень було виявлено найбільш прийнятні режими обробки.
Четвертий розділ містить результати експериментальних досліджень, у яких доведено, що:
- глибина наклепу на робочих поверхнях зуб’їв після вібраційної обробки складає 0,25-0,3 мм й у западині 0,15-0,2 мм. Аналіз отриманих даних показав, що на робочих поверхнях зуб’їв після вібраційного зміцнення сталевими кульками мікротвердість збільшується на 35-42%, що значною мірою збільшує зносостійкість поверхні (рис. 9);
- зразки, оброблені віброшліфуванням із застосуванням поверхнево-активних рідин, в області обмеженої утоми мають межі витривалості на 5-10% вище за зразки, оброблені шліфуванням. Іспити на вигибну втомну міцність, проведені на машині МУИ-6000, показали, що вібраційна обробка сприяє підвищенню втомної міцності випробуваної сталі в середньому на 7-12% за рахунок зниження величини шорсткості поверхні і збільшення скруглення мікронерівностей, тобто при зменшенні концентраторів напруг;
- спостерігається стабільне підвищення зносостійкості зразків при додатковому (після шліфування) введенні вібраційної обробки поверхні (рис. 10).
- біля дна контейнера –найбільш активна зона; далі за спадним ступенем активності обробки зони біля бічних стінок контейнера: зона руху гранул донизу і зона підйому гранул. У центрі контейнера – пасивна зона.
- середня циркуляційна швидкість елементів завантаження в U-подібному вібруючому контейнері залежить від частоти й амплітуди коливань (якщо циркуляційний потік не має розривів суцільності).
Рис. 9. Характер зміни мікротвердості за перерізом
Рис. 10. Зносостійкість зразків у залежності від способу обробки їхньої поверхні:
1 - шліфування; 2 - шліфування + вібраційна обробка в середовищі сталевих кульок; 3 - шліфування + вібраційна обробка в середовищі бою кульошліфувальних кругів АН-2; 4 - шліфування + вібраційна обробка в середовищі бою кульошліфувальних кругів АН-2 + вібраційна обробка в середовищі сталевих кульок.
- обробка зразків зі збільшенням амплітуди коливань супроводжується збільшенням знімання металу. При зростанні частоти з 34 до 62 Гц знімання металу збільшується, досягає максимуму при частоті 62 Гц і при подальшому зростанні до 67 Гц – знижується. Зі збільшенням амплітудно-частотних характеристик ступінь і глибина наклепу зростає.
У п'ятому розділі наведені результати практичного застосування результатів досліджень. На підставі існуючих рекомендацій і досліджень, проведених у попередніх розділах, розроблений алгоритм складання технологічного маршруту операції вібраційної обробки і розрахунку її режимів. Спираючись на запропоновані методики, для складнопрофільних деталей з різних матеріалів розроблені технологічні процеси вібраційного шліфування і зміцнення з вибором устаткування (вібраційний верстат моделі УВИ-25), пристосування (розділові ґрати), робочого середовища (бій кульошліфувальних кругів АН-2 пластинчато-голчастої форми – для операції вібраційного шліфування; сталеві кульки діаметром 3-5 мм – для операції вібраційного зміцнення), хімічно активного розчину (щавлева кислота, перекис водню, сірчана кислота, хромовий ангідрид і сульфонол - для операції шліфування; триетаноламін, олеїнова кислота, кальцинована сода і їдкий калій - для операції вібраційного зміцнення). Апробовано рекомендовані режими обробки, які на операції зміцнення є такими: амплітуда – 3 мм, частота - 62 Гц. Результати обробки по очищенню поверхні від окалини, округленню гострих крайок і зниження шорсткості поверхні цілком задовольнили замовників і були впроваджені на ТОВ «Авто-Електромаш» (м. Херсон). Також розроблена типова технологія оброблювально-зміцнюючої обробки крупномодульних шестерень.
У додатках наведена програма чисельного розрахунку параметрів процесу вібраційної обробки та надані матеріали по впровадженню результатів досліджень.
ВИСНОВКИ
У дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової задачі визначення взаємозв'язку між елементами конструкції верстата й інструмента – робочого середовища, що має істотне значення для технології машинобудування при підвищенні продуктивності процесу обробки деталей на оздоблювальних і зміцнюючих операціях. За результатами роботи зроблено наступні висновки.
1. Проведено аналіз технологічних можливостей вібраційного устаткування для обробки деталей на оздоблювальних і зміцнюючих операціях. Розглянуто залежності, що визначають вплив основних технологічних параметрів на продуктивність обробки, якість оброблюваної поверхні й енергію, що витрачається на виконання технологічного процесу, а також методики розрахунку технологічних параметрів вібраційної обробки як методу ППД. При цьому встановлено, що найменш вивченими є динамічні процеси при вібраційній обробці. У результаті були сформульовані задачі, що вимагають розв’язання, для підвищення продуктивності процесу вібраційної обробки деталей на оздоблювальних і зміцнюючих операціях.
2. Рух межового шару робочого середовища описано реологічною моделлю, що дозволяє крім конструкційних параметрів вібраційного верстата і параметрів робочого середовища врахувати особливості траєкторії руху контейнера і його форми. За допомогою розробленої математичної моделі з'являються можливості розрахунку траєкторії руху одиничної гранули і циркуляційної швидкості шару робочого середовища, що знаходиться в безпосередньому контакті з поверхнею контейнера; оцінки динамічних характеристик впливу контейнера, як на окремий елемент робочого середовища, так і на завантаження в цілому, і характеристик руху робочого середовища в залежності від параметрів вібраційного верстата, а також розрахунку потужності, що передається робочому середовищу стінками контейнера.
3. Розроблені моделі дозволяють вибрати раціональні параметри роботи вібраційного верстата, ґрунтуючись на необхідній і для абразивної, і для зміцнюючої обробки передачі потужності в зону контакту деталь - гранула, уникаючи режимів, у яких верстат працює нераціонально.
4. Застосування запропонованої моделі для більшості використовуваних типів робочих середовищ дозволяє знайти режими, при яких буде існувати сталий циркуляційний рух робочого середовища (отже, рівномірна обробка деталей), а також відповідно режими, при яких циркуляційний рух буде відсутній, а переміщення елементів робочого середовища можна вважати хаотичним (у цьому випадку можливе виникнення браку).
5. Результатами проведених експериментальних досліджень підтверджено, що вібраційна обробка сприяє підвищенню втомної міцності і зносостійкості деталей, збільшенню мікротвердості поверхневого шару деталей (при вібраційній обробці сталевими кульками), і виявлено, що існує резерв для підвищення продуктивності процесу вібраційної обробки по досягненню даних властивостей без зміни конструкції вібраційного верстата. Визначено, що в різних зонах U-подібного вібруючого контейнера знімання металу зі зразків є нерівномірним. Для одержання рівномірного знімання металу необхідна наявність рівномірного циркуляційного потоку, швидкість якого залежить від частоти й амплітуди коливань. Зміна силового імпульсу і переданої потужності в зону обробки залежить від сполучення параметрів частоти й амплітуди коливань. Для операції зміцнення, наприклад, на вібраційному верстаті моделі УВИ-25 раціональним є сполучення частоти 62 Гц і амплітуди 3 мм.
6. Результати теоретичних і експериментальних досліджень можуть бути використані при проектуванні нових вібраційних верстатів. Зокрема, з метою підвищення показників продуктивності процесу віброзміцнення рекомендується модернізувати існуючі конструкції вібраційних верстатів, забезпечивши можливість зміни частоти коливань контейнера до 70 Гц.
7. Упровадження розробленого технологічного процесу обробки складнопрофільних деталей з раціональними режимами, що рекомендуються, (результати якого задовольнили вимоги замовника) на ТОВ «Авто-Електромаш» (м. Херсон) підтверджує можливість застосування і високу продуктивність методу вібраційної обробки для виконання операцій шліфування, полірування і зміцнення деталей. Також розроблена типова технологія оброблювально-зміцнюючої обробки шестерень. Результати дисертаційної роботи використовуються в навчальному процесі.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Волков И.В., Лубенская Л.М., Жукова Л.И. Представление знаний о вибрационном оборудовании на этапе технологического проектирования // Вібрації в техніці та технологіях. – 2005. - № 2(40). – С. 27-30.
Здобувачем розроблено загальну класифікаційну модель вібраційного обладнання, що дозволяє використовувати агрегатно-модульний принцип його компонування.
2. Волков И.В., Лубенская Л.М., Ясуник С.Н. Применение агрегатно-модульного принципа при создании оборудования для вибрационной обработки // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. - 2005. - № 7(89). – С. 29-33.
Здобувачем, запропоновано компоновані схеми вузлів вібраційних верстатів, ґрунтуючись на принципі агрегатування, що забезпечує рівномірну передачу силового імпульсу.
3. Волков И.В., Лубенская Л.М., Ясуник С.Н. Формирование поверхностного слоя деталей на финишных операциях обработки // Прогрессивные технологии и системы машиностроения. Международный сборник научных трудов. Выпуск 31. – 2006. – С. 34-41.
Здобувачем проведено аналіз існуючих методів обробки деталей і обґрунтовано загальний принцип раціонального вибору фінішних операцій обробки.
4. Лубенская Л.М., Дегтярева Ю.Ю., Волков И.В. Влияние параметров изделий на их обрабатываемость при вибрационной обработке // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. – 2006. - № 6(100), частина 1. – С. 122-129.
Здобувачем запропоновано методику планування багатофакторного дослідження.
5. Волков И.В., Николаенко А.П. Вибрационная обработка и ее возможности // Физические и компьютерные технологии. Труды 12-й Международной научно-технической конференции, 7-8 июня 2006. – Харьков: ХНПК «ФЭД», 2006. – С. 266-268.
Здобувачем виявлено, що метод вібраційної обробки стало сприяє поліпшенню експлуатаційних властивостей, підвищенню мікротвердості, зменшенню величини зносу.
6. Волков И.В., Дегтярева Ю.Ю., Калмыков М.А., Николаенко А.П. Технологические возможности вибрационной обработки деталей на станках с U-образной формой контейнера // Вісник Харківського національного технічного університету сільського господарства ім. Петра Василенка. „Технічний сервіс АПК, техніка та технології у сільськогосподарському машинобудуванні”. – Харків. – 2006. – Вип. 42. – С. 167-173.
Здобувачем виконано обробку результатів експериментальних досліджень і оцінені можливості вібраційного методу обробки на операціях зміцнення.
7. Дегтярева Ю.Ю., Волков И.В. Динамика процесса виброабразивной обработки деталей // Наукові праці Вінницького державного аграрного університету. Серія: Технічні науки. – Вінниця: ВДАУ. – 2006. – Вип. 1. – С. 165-170.
Здобувачем розроблено математичну модель, яка описує рух гранул у робочому середовищі.
8. Волков И.В., Дегтярева Ю.Ю., Лубенская Л.М., Николаенко А.П. Влияние физико-механических характеристик материала изделия на его износостойкость // Вестник двигателестроения. – Запорожье: изд-во ОАО «Мотор Сич». – 2006. - № 4. – С. 126-130.
Здобувачем виконано експериментальні дослідження з визначення зносостійкості деталей з різними фізико-механічними властивостями.
9. Лубенська Л., Молчанов Д., Шевченко О., Волков І. Оцінка технологічних можливостей вібраційного обробленні // Машинознавство. – 2007. - № 2. – С. 37-41.
Здобувачем запропоновано шлях розширення можливостей вібраційного методу за рахунок обробки великогабаритних деталей, та проведено експериментальні дослідження.
10. Волков И.В., Калмыков М.А., Романченко А.В. Математическое моделирование движения пограничного слоя рабочей среды при вибрационной обработке // Восточноевропейский журнал передовых технологий. – 2007. - № 4/5 (28). – С. 81-89.
Здобувачем розроблено математичну модель руху межового шару робочого середовища при вібраційній обробці.
11. Калмыков М.А., Волков И.В., Мелконов Г.Л. Предложения по выбору оптимального соотношения частотно-амплитудных параметров колебаний контейнера вибрационного станка // Вібрації в техніці та технологіях. – 2007. – № 1(46). – С.54-57.
Здобувачем обрано оптимальні співвідношення амплітудно-частотних характеристик коливань контейнеру.
АНОТАЦІЇ
Волков Ігор Володимирович. «Підвищення продуктивності процесу вібраційної обробки деталей на оздоблювальних і зміцнюючих операціях». – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.02 – технологія машинобудування. Приазовський державний технічний університет, Маріуполь, 2008.
Дисертація присвячена підвищенню продуктивності процесу обробки складнопрофільних деталей на оздоблювальних і зміцнюючих операціях за рахунок вибору раціональних параметрів роботи вібраційного верстата.
Розроблено математичну модель руху межового шару робочого середовища, яка враховує параметри вібраційного верстата і параметри робочого середовища, що дозволяє робити розрахунок траєкторії руху одиничної гранули і циркуляційної швидкості шару робочого середовища, який знаходиться в безпосередньому контакті з поверхнею контейнеру.
Проведено дослідження впливу вібраційної обробки на втомну міцність, зносостійкість, мікротвердість поверхневого шару деталей, також визначені розміри зон у контейнері з різною активністю обробки і циркуляційна швидкість робочого середовища.
За результатами досліджень розроблена технологія фінішної обробки деталей, що дозволяє одержувати деталі з необхідними експлуатаційними властивостями.
Ключові слова: вібраційна обробка, зміцнення, робоче середовище, амплітудно-частотні характеристики, траєкторія, силовий імпульс, потужність, знімання металу, шорсткість поверхні, наклеп.
Волков Игорь Владимирович. «Повышение производительности процесса вибрационной обработки деталей на отделочных и упрочняющих операциях». – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.02 – технология машиностроения. Приазовский государственный технический университет, Мариуполь, 2008.
Диссертация посвящена повышению производительности процесса обработки сложнопрофильных деталей на отделочных и упрочняющих операциях за счет выбора рациональных параметров работы вибрационного станка.
Разработана математическая модель движения пограничного слоя рабочей среды, учитывающая параметры вибрационного станка и параметры рабочей среды. Модель позволяет производить расчет траектории движения единичной гранулы и циркуляционной скорости слоя рабочей среды, находящегося в непосредственном контакте с поверхностью, основываясь на необходимой и для абразивной и для упрочняющей обработки передаче мощности в зону контакта деталь – гранула.
Проведены исследования влияния вибрационной обработки на усталостную прочность, износостойкость, микротвердость поверхностного слоя деталей, и выявлено, что существует резерв для повышения производительности процесса вибрационной обработки по достижению эксплуатационных свойств без изменения конструкции вибрационного станка. Так как разработанная теоретическая модель неразрывно связана с такими понятиями, как наличие пассивных зон и циркуляция рабочей среды с определенной скоростью, то в экспериментальной части определены их величины.
Теоретически доказано и практически подтверждено, что изменение силового импульса и передаваемой мощности в зону обработки зависит от сочетания параметров частоты и амплитуды колебаний. Для операции упрочнения, например, на вибрационном станке модели УВИ-25 рациональным является сочетание частоты 62 Гц и амплитуды 3 мм. Для повышения показателей производительности процесса виброупрочнения рекомендуется модернизировать существующие конструкции вибрационных станков, обеспечив возможность изменения частот колебаний контейнера до 70 Гц.
Процесс вибрационной обработки, а также результаты исследований апробированы и внедрены на ООО «Авто-Электромаш» (г. Херсон). Для обработки сложнопрофильных деталей применена усовершенствованная технология, что позволило повысить производительность обработки.
Ключевые слова: вибрационная обработка, упрочнение, рабочая среда, амплитудно-частотные характеристики, траектория, силовой импульс, мощность, съем металла, шероховатость поверхности, наклеп.
Volkov Igor Vladimirovich. «Increasing the efficiency of vibration machining of parts in finishing and hardening operations». - Manuscript.
The dissertation presented for a Candidate’s degree (Eng.) in speciality 05.02.08 – Production Engineering. The Azov state technical university, Mariupol, 2008.
The subject of the dissertation is increasing the efficiency of machining parts with complex profile in finishing and hardening operations by means of choosing effective operating parameters of the vibration machine-tool.
The values of the main parameters affecting the processes of vibration grinding and vibration hardening of parts with the complex profile have been determined of the basis of theoretical and experimental investigations of the process of vibration machining with the unfastened tool in the vibrating U-shaped container.
The technology of final machining of the parts that provides them with required service properties has been developed on the basis of the results of the investigations.
Keywords: vibration machining, hardening, working environment, amplitude-frequency characteristics, trajectory (path), impulse of force, capacity, removal of metal, surface toughness, cold-work hardening.
