Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 . Анализ методов и средств минимизации воздействия ультразвуковой технологии обработки труднообрабатываемых материалов на окружающую среду 5
1.1 Жизненный цикл изделия. этап эксплуатации, его составные части. 5
1.2 Ультразвуковая обработка труднообрабатываемых материалов 7
1.2.1. Общие сведения 7
1.2. 2 Ультразвуковая размерная обработка 9
1.3 Технологические характеристики размерной ультразвуковой обработки. основные понятия и определения. зо
1.4. Преимущества и недостатки ультразвукового метода обработки 34
1.5 Постановка задачи 39
ГЛАВА 2. Исследование зависимости экологических параметров на ультразвуковой установке 44
2.1. Характеристика лабораторной установки для проведения экспериментов 44
2.2 Описание экспериментальных исследований 44
2.2.2 Результаты экспериментальных исследований 47
2.2.3. Анализ результатов 58
2.3 Исследование тепловых загрязнений 60
2.3.1. Описание экспериментальных исследований 60
2.3.2 Изменение нагрева пьезовибратора и концентратора 60
2.3.3. Результаты экспериментальных исследований 61
2.3.4. Анализ результатов 62
2.4 Исследование шумов, создаваемых ультразвуковым станком 63
2.5 Исследование шумов, создаваемых ультразвуковой установкой модели мої 65
2.6 Исследование технологических характеристик ультразвукового станка 67
ГЛАВА 3. Методика исследования экологических параметров ультразвукового оборудования машиностроительного предприятия 73
3.1. Характеристика установок для проведения экспериментов 73
3.2 Описание экспериментальных исследований 73
3.2.2 Результаты экспериментальных исследований 74
3.3 Статистические исследования полученных экспериментальным
путем данных 82
ГЛАВА 4 . Выбор решения по оптимизации технологической среды 89
4.1 Автоматизация представления результатов согласно разработанной методике 89
4.2 Моделирование процесса принятия решения 92
4.3 Визуализация процесса принятия решения 103
Основные выводы: 108
Библиографический список 109
Приложение 1 120
Приложение 2 121
Приложение 3 124
Приложение 4 127
- 2 Ультразвуковая размерная обработка
- Преимущества и недостатки ультразвукового метода обработки
- Результаты экспериментальных исследований
- Исследование технологических характеристик ультразвукового станка
Введение к работе
В современном производстве непрерывно растет применение деталей из металлических и неметаллических материалов, получаемых штамповкой, прессованием, прокаткой, точным литьем и т.д. Большие трудности встречаются при обработке отверстий сложной формы, особенно глухих, пазов и прорезей очень малых размеров, твердосплавных резьбовых и зубчатых поверхностей, соединительных каналов в труднодоступных местах и др. Так же механическая обработка материала с очень высокой твердостью, детали из этих материалов можно обрабатывать только шлифованием. Материалы обладающие очень большой хрупкостью не выдерживают механической обработки. Поэтому в решение поставленных задач большую роль сыграл ультразвуковой метод обработки.
Ультразвуковой способ представляет собой разновидность обработки долблением - хрупкий материал выкалывается из изделия ударами зерен более твердого абразива. Ультразвуковые методы обработки, характеризуется наличием ряда параметров, которые приводят к загрязнению окружающей среды и воздуха рабочей зоны технологического оборудования. Эти загрязнения существенно влияют на технический уровень оборудования и показатели качества технологических процессов, в частности, на такие важные показатели как экологические и показатели безопасности. В конечном итоге все это в значительной степени определяет конкурентоспособность продукции машиностроительных предприятий.
Вместе с тем, в современном машиностроительном производстве важным средством обеспечения требуемых показателей качества является автоматизация технологических процессов и производств, и автоматизированный контроль экологических параметров.
2 Ультразвуковая размерная обработка
Ультразвуковая размерная обработка Ультразвуковые колебания нашли применение при размерной обработке сверхтвердых и хрупких материалов физическая сущность ультразвуковой размерной обработки состоит в следующем. Если между рабочей поверхностью ультразвукового инструмента и обрабатываемой деталью ввести абразивный материал то при работе излучателя частицы абразива будут воздействовать на поверхность детали. Разрушение и удаление материала, необходимые при обработке, производятся очень большим числом направленных микро-ударов. Под действием абразива мельчайшие частицы материала выкалываются. При дальнейшей работе рабочая поверхность ультразвукового инструмента будет все больше и больше углубляться в деталь (рис. 1.4). Рис. 1.4 Схема ультразвуковой размерной обработки.
Кинематика ультразвуковой размерной обработки складывается из главного движения — продольных колебаний инструмента, и вспомогательного движения — движения подачи. Продольные колебания инструмента вызывают движение абразивных зерен, которые производят разрушение обрабатываемого материала. Вспомогательное Движение — движение подачи инструмента — может быть продольным, поперечным и круговым. В зависимости от вида подачи их комбинаций, а также формы профиля продольного и поперечного сечения инструмента можно выполнять различные операции размерной обработки.
Механическая обработка сверхтвердых и хрупких материалов с помощью ультра звука обеспечивает достаточно высокое качество обработки (шероховатость Ra = 1,2-0,4 мкм, в зависимости от зернистости абразивного материала), а также относительно высокую производительность обработки, особенно хрупких материалов.
Ультразвуковому методу обработки присущи и другие преимущества. Применяя инструменты различной формы, можно делать не только отверстия, но и сложные вырезы, изготовлять матрицы, сверлить алмазы, раскраивать заготовки из полупроводниковых материалов и оптического стекла.
Наряду с преимуществами ультразвуковой метод обработки имеет и недостатки: сравнительно небольшую площадь и глубину обработки, большую энергоемкость, невысокую производительность и значительное изнашивание инструмента при обработке деталей из твердых сплавов и закаленных сталей.
Технологические характеристики размерной ультразвуковой об работки (производительность процесса, точность обработки, качество поверхности, а также износ инструмента) зависят от амплитуды и частоты колебаний, физико-механических свойств обрабатываемого материала и абразива, кинематической схемы операции, площади и формы поперечного сечения инструмента, силы подачи и глубины обработки. Многие из этих параметров взаимосвязаны и оказывают влияние друг на друга. Основным механизмом разрушения хрупких тел при всех методах абразивной обработки является , и распространение на некоторую глубину микро- и макротрещин, которые пересекаясь между собой, создают механически ослабленный слой, сравнительно легко разрушающийся при повторном воздействии абразивных зерен [108] Под влиянием напряжений, создаваемых ударами торца инструмента по абразивным зернам, происходит расширение микротрещин и образование новых трещин (создается зона предразрушения).
Ультразвуковая обработка складывается из двух различных по природе процессов: хрупкого разрушения поверхностных слоев материала, процесса циркуляции абразива и удаления продуктов разрушения (шлама). Второй процесс в значительной степени зависит от степени развития акустических течений. Источником всех типов акустических течений являются необратимые потери в среде энергии звуковой волны. Скорость акустического течения зависит от мощности источника, поглощающих свойств среды на данной частоте, от геометрии акустического и гидродинамических полей. На основании вышеизложенного анализа, проведенного в работе [90] сделан вывод, что при обработке суспензиями на основе вязких жидкостей (масло, глицерин) производительность процесса в несколько раз ниже, чем при использовании водной суспензии.
На производительность процесса влияют физико-механические свойства обрабатываемого материала. Чем большей хрупкостью обладает материал, тем выше обрабатываемость материала ультразвуковым методом.
Сила подачи тоже оказывает существенное влияние на производительность процесса. Она заметно влияет не только на Величину ударных импульсов, сообщаемых абразивным зернам, лежащим на обрабатываемой поверхности, но и на состояние зерен, а также на концентрацию абразивной суспензии под торцом инструмента. Оптимальная сила подачи, соответствующая максимальной производительности, зависит в основном от площади инструмента, амплитуды колебаний, среднего размера абразивных зерен, свойств обрабатываемого материала, конфигурации инструмента.
Преимущества и недостатки ультразвукового метода обработки
Размерная ультразвуковая обработка обладает большими достоинствами, которые позволяют считать ее важным дополнением существующих методов изготовления деталей из твердых хрупких материалов. Преимущества размерной ультразвуковой обработки перед обычными процессами резания следующие: 1. Возможность высокопроизводительной обработки очень твердых хрупких материалов. 2. Очень простая кинематика процесса — обычно обработка ведется по простейшей кинематической схеме — при одном поступательном движении инструмента (продольная подача). 3. Возможность копирования сложной формы инструмента сразу по всей поверхности обрабатываемой заготовки. 4. Обработка производится при небольших нагрузках на заготовку (обычно не более нескольких килограммов). Вместе с тем ультразвуковой метод на настоящей стадии развития имеет ряд недостатков: 1. Сравнительно небольшая площадь обработки при сверлении и прошивании, а более сложные кинематические схемы еще недостаточно разработаны и большого распространения не получили. На существующих ультразвуковых станках наибольшая площадь обработки за один проход при условии получения приемлемой производительности находится в пределах 1000—3000 мм2. Большая величина относится к таким материалам, как стекло, кварц, феррит, германий и др. Меньшие площади удается обработать в деталях из твердого сплава. Для увеличения площади обработки необходимо увеличить выходную мощность вибратора и его излучающую поверхность. Для применяемых магнитострикционных материалов и существующих схем и конструкций вибраторов увеличение указанных параметров связано с разрешением сложных акустических задач. Так, при увеличении площади магнитострикционного преобразователя поперечные размеры его приближаются к продольным, большую роль начинают играть поперечные колебания, и эффективность работы акустической головки сильно снижается. Увеличение же длины вибратора и снижение его собственной частоты колебаний ниже 18 кгц недопустимо по ряду серьезных причин. Применение звуковых частот недопустимо с точки зрения охраны труда, так как эти колебания вызывают быструю утомляемость рабочих. Кроме того, вибратор на таких частотах будет иметь низкую производительность и конструктивно получается громоздким. 2. Сравнительно небольшая глубина обработки. В настоящее время на серийно выпущенных станках с подачей абразива центробежным насосом ультразвуковой метод целесообразно применять при обработке на глубину, как правило, не более 25 мм. При дальнейшем увеличении глубины обработки производительность резко снижается вследствие ухудшения условий поступления свежего абразива в рабочую зону и значительного возрастания роли побочного резания. Поэтому для существующих конструкций инструмента обработка на глубину более 25 мм обычно мало эффективна. Для того чтобы уменьшить влияние этих факторов, необходимо снижать действие .,5 побочного резания и использовать специальные методы прокачки абразивной суспензии (через полый инструмент, сверху и снизу детали и др.). Для обработки глубоких полостей целесообразно использовать те же приемы, которые применяют при обычном сверлении глубоких отверстий: вести обработку в несколько проходов, при этом диаметры применяемых инструментов необходимо последовательно уменьшать. Этот прием дает возможность ослабить отрицательное влияние побочного резания и улучшить условия циркуляции абразивной суспензии. Технологический процесс обработки очень глубоких отверстий необходимо строить таким образом, чтобы инструмент за один проход углублялся не более чем на 2—3 мм, и обработку можно было бы вести отдельными ступеньками, углубляя их одну относительно другой на величину около 2—3 мм. Ступенчатая обработка позволяет существенно повысить производительность при изготовлении глубоких отверстий. На станке с выходной мощностью генератора 1,2 кет удалось таким способом обработать отверстие в стекле прямоугольной формы на глубину 60 мм. Общее время черновой обработки отверстия размером 7,5 X 14,5 мм на глубину 60 мм равно 22 мин, включая вспомогательное время на перемещение стола с заготовкой. Чистовая обработка отверстия проводилась инструментом размером 8 X 15 мм и продолжалась 6 мин. Шероховатость обработанной поверхности соответствовала 7-му классу чистоты. Глубину ультразвуковой обработки сквозных отверстий можно увеличить также способом последовательной обработки отверстия с двух противоположных сторон за два установа. Однако наиболее эффективными способами увеличения глубины ультразвуковой обработки, при одновременном значительном увеличении производительности, является применение вакуумного отсоса абразивной суспензии или нагнетание ее под избыточным давлением 2—3 кГ/см2. Эти способы обеспечивают активную и стабильную циркуляцию абразивной суспензии в рабочей зоне и существенно интенсифицируют процесс обработки.
Результаты экспериментальных исследований
Нагрев измеряли с помощью электрического термометра ЭТП-М, специально удлиненный щуп, которого опускали в патрубок воздушного охлаждения для контакта с торцом пьезовибратора после его наработки в течении 5, 10, 15 минут. Принудительное охлаждение было отключено. Фиксировали максимальную температуру. Ручку генератора «регулировка мощности» устанавливали в положение, соответствующие максимальной мощности, а торец пьезовибратора опускали в воду для передачи полной мощности до 40 Вт пьезовибратору. Температура окружающего воздуха 23С. Результаты измерения температуры нагрева пьезовибратора через 5, 10, 15 мин работы занесены в таблицу 11. По данным таблицы составлен график зависимости температуры нагрева пьезовибратора от продолжительности работы (Граф. 2). В нашей дипломной работе мы провели исследование нагрева концентратора диаметром 9 мм, на станке с аналогичными техническими характеристиками. Измерения нагрева концентратора через 5, 10, 15 минут занесены в таблицу 2.3. Работа станка, с присоединенным к пьезовибратору концентратора-инструмента, в рабочем режиме, не повлияло на степень нагрева за 5 минут, несмотря на большую потребляемую мощность. При этом основные потери энергии сосредоточиваются в концентраторе, что требует его интенсивного принудительного охлаждения, например, поливом жидкости. Повышение температуры концентратора оказывает существенное влияние на стабильность работы генератора, т.к. из-за нагрева наблюдается понижение резонансной частоты колебательной системы и системы автоподстройки частоты не обеспечивает слежение за ней, при изменении более чем на 0,25 кГц от первоначально установленной частоты. 2.3.3. Результаты экспериментальных исследований. Таблица 11. Нагрев пьезовибратора Нагрев концентратора Длительность работы, мин 5 10 15 5 10 15 Начальная температура Т0,С 27 26 25 24 23 25 Начальная температура ТІ,С 38 48 57 36 48 63 Приращение температур Т=Т1-Т0 11 22 32 12 25 38 Граф 2.1 Изменение температуры 40 \шшшшшшв шшявЯ ШЕШ8 Я ШШШШЯШ ШШВ НЁН Концентратор Пьезовибратор 2.3.4. Анализ результатов Линейный характер зависимости нагрева со скоростью около 2, ГС /мин свидетельствует о целесообразности принудительного охлаждения. Повышение температуры концентратора оказывает существенное влияние на стабильность работы генератора, т.к. из-за нагрева наблюдается понижение резонансной частоты колебательной системы и системы автоподстройки частоты не обеспечивает слежение за ней при изменении более чем на 0,25 кГц от первоначально установленной частоты. 2.4 Исследование шумов, создаваемых ультразвуковым станком. Совместно с Лианозовским электромеханическим заводом, был поставлен следующий эксперимент. С помощью приборов лаборатории завода был измерен уровень звукового давления на рабочем месте станка (1,5 м от пола и 0,5 м от контура станка) для следующих условий: 1. Работа ультразвуковой головки на холостом ходу (в воздухе). Рабочая частота 22 кГц. 2. Работа ультразвуковой головки в воде. 3. Рабочий режим, обработка твердого сплава с вращением инструмента диаметром 25 мм. Рабочая частота 20,1 кГц Ванна стола покрыта крышками из оргстекла, усилие подачи 50 Н. полив абразивной суспензией. 4. Режим настройки инструмент опущен в воду без вращения. 5. Рабочий режим с защитой рабочей зоны. Рабочая зона с концентратором-инструментом закрыта двойной полиэтиленовой пленкой толщиной 0,15 мм. Измерения проводились приборами фирмы Брюль и Кьер (Дания): шумомер 2603, использовался фильтр 1612, микрофон 4133. Учитывая опыт и рекомендации аналогичных измерений [45, 46] измерения проводили на рабочей частоте и частотах соответствующих спектру третьеактавных полос, а также оценивали суммарный уровень шума в шкале А в соответствии с ГОСТ 12.1.001-83 «Ультразвук. Общие требования безопасности».
Исследование технологических характеристик ультразвукового станка
Технологическая среда оценивается по следующим критериям (комбинированным) — экологическими, параметрами технологического процесса и социальными. Управление заключается в подборе соотношения этих критериев и поиске оптимальных соотношений параметров. Трудность состоит в том что сложные системы характеризуются большим количеством параметров, которые формируются на основе моделирования. Среди методов наиболее приемлемы методы имитационного моделирования, которые позволяют имитировать процесс принятия решения на основе вариаций параметров управления, имитирующие те или иные изменения физических процессов и экономических характеристик технологической среды. Такие имитационные системы особо эффективны на базе компьютерных интерактивных систем, позволяющих отражать процесс принятия решения в интерактивном режиме. И в процессе поэтапного моделирования находить оптимальное решение в соответствии с выбранным комбинированным критерием. Часто такие системы учитывают экспертные оценки возможности использования экспертной системы (метод Дельфи).
Разработанная в данной работе методика предназначена для поиска решений по повышению уровня экологического качества технологических процессов ультразвуковой обработки. Этот поиск решений можно автоматизировать, что позволит проанализировать самые разнообразные сочетания параметров управления с целью выбора оптимального решения. Одним из средств автоматизации являются информационные компьютерные технологии (информационное обеспечение). Поэтому представляет интерес выбор такой интерактивной системы, которая бы обеспечивала анализ данных по состоянию экологических и технологических параметров.
Такой системой очевидно могут быть мультимедийные интерактивные системы, обеспечивающие работу с неподвижными изображениями и движущимся видео, анимированной компьютерной графикой и текстом, речью и высококачественным звуком. Их появление систем мультимедиа, безусловно, производит революционные изменения в таких областях, как образование, компьютерный тренинг, во многих сферах профессиональной деятельности, науки, искусства, и т.д.
Появление систем мультимедиа подготовлено как с требованиями практики, так и с развитием теории. Резкий рывок в этом направлении, произошедший в этом направлении за последние несколько лет, обеспечен прежде всего развитием технических и системных средств. Это и прогресс в развитии ПЭВМ: резко возросшие объем памяти, быстродействие, графические возможности, характеристики внешней памяти, и достижения в области видеотехники, лазерных дисков — аналоговых и CD-ROM, а также их массовое внедрение. Важную роль сыграла также разработка методов быстрого и эффективного сжатия развертки данных.
Среди этих систем, для решения данной задачи подходит мультимедийная технология Flash. Flash - это мультимедийная информационная технология, ориентированная на использование в среде Интернет, которая принадлежит и развивается компанией Macromedia. Flash на сегодняшний день представляет собой уникальный способ представления информации - при помощи интеграции динамичной двухмерной векторной графики, звука, текста и возможности реализации нелинейных алгоритмов интерактивного отображения информации. Специфика технологии открывает новые широчайшие возможности для создания ярких, запоминающихся образов и является наиболее эффективным средством для создания презентаций различных брендов, товаров и услуг.
Главное преимущество Flash перед классическими веб-технологиями - это возможность создавать полностью анимированные интерактивные интерфейсы, которые являются наиболее эффективными и запоминающимися средствами презентации. Проект, созданный посредством технологии Flash, будет представлять собой единое целое, одинаково корректно отображаемое в любых браузерах, не требующее после загрузки дополнительного обращения к Сети. Macromedia Flash MX - программа созданная для разработки интерактивных страничек в Internet. Программа включает в себя большой объем графических возможностей, а также что имеет наибольшую ценность встроенный язык программирования Action Script, с помощью которого и обеспечивается та самая интерактивность. Эта программа была выбрана для создания ознакомительных программ потому, что как известно странички в Internet e должны занимать как можно меньшее место на сервере где они располагаются Используя множество авторских инструментальных средств Flash MX, разработчик может создавать широкий диапазон презентационного материала и разрабатывать функциональные приложения, которые могут выполняться в Web-броузере или на портативных устройствах. Как известно Internet подразумевает под собой вседоступность информации. То есть, на какой бы платформе (архитектуре) не был бы создан компьютер, и с помощью каких бы программ не просматривалась бы страничка в Internet, она будет интерпретированна одинаково. Соответственно программа созданная с помощью Macromedia Flash MX будет одинаково работать (интерпретироваться) на любой платформе, любой операционной системой будь то Windows, Unix, Mac-OS (Macintosh).
