Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ современного состояния технологических процессов виброобработки деталей малой жесткости 11
1.1. Анализ существующих технологических процессов виброобработки 11
1.2 Остаточные напряжения, полученные маложесткими деталями в результате технологии изготовления 15
1.3. Технологические процессы, применяемые для стабилизации геометрической формы маложестких заготовок 22
1.4. Анализ современных методов и средств виброобработки 2 6
Цель и задачи работы 33
2. Разработка математических моделей процессов виброобработки маложестких деталей 37
2.1. Расчетные схемы колебаний маложестких валов при виброобработке 37
2.2. Разработка математической модели виброобработки как объекта управления 41
2.3. Создание динамической модели процесса виброобработки маложесткой детали 56
Выводы по главе 2 63
3. Теория повышения эксплуатационной точности готовой детали путем автоматического управления процессом виброобработки 69
3.1. Теоретическая разработка системы автоматического управления 69
3.2. Теоретические исследования процессов релаксации остаточных напряжений при виброобработке 7 6
3.3. Оптимальное (по энергетическому минимуму) управление объектами класса маложесткая деталь типа тел вращения с распределенными параметрами 94
Выводы по главе 3 104
4, Экспериментальные исследования точности и размерной стабильности изготовления длинномерной детали с применением технологии виброобработки 10 6
А 1. Специальная установка, оснащённая системой автоматического управления 106
4.2. Вибровозбудитель для возмущения изгибных колебаний при виброобработке маложестких деталей ^ 12 6
А 3.Экспериментальная установка с использованием температурного диагностического контура для контроля процесса виброобработки 133
4.4. Экспериментальное исследование влияния САУ на спектры собственных колебаний МВД 141
4.5. Экспериментальные исследования влияния САУ на эксплуатационную точность виброобрабатываемых деталей и на уровень остаточных напряжений в материале деталей 14 2
Выводы по главе 4 14 5
Заключение 14 8
- Технологические процессы, применяемые для стабилизации геометрической формы маложестких заготовок
- Создание динамической модели процесса виброобработки маложесткой детали
- Теоретические исследования процессов релаксации остаточных напряжений при виброобработке
- Вибровозбудитель для возмущения изгибных колебаний при виброобработке маложестких деталей
Введение к работе
В современном машиностроении большое внимание уделяется технологии изготовления ответственных маложестких деталей (МЖД) типа «вал». Многие современные машины, агрегаты и приборы предусматривают использование, в своем составе таких деталей. Такие детали зачастую лимитируют межремонтные, межсервисные и ресурсные интервалы изделий. В настоящее время машиностроительное производство в России наращивает объем выпуска МЖД, что обусловлено совершенствованием прочностных расчетов, оптимизацией форм и конструкций деталей, снижением металлоемкости изделий и все возрастающей потребностью в прецизионных машинах.
Особенности геометрии и конструктивных параметров МЖД создают серьезные технологические трудности в производстве.. Можно выделить следующие причины этого: а) значительный уровень остаточных напряжений, формируемых на стадии заготовительной технологии и термических операциях; б) влияние технологической наследственности на возможное эксплуатационное коробление детали; в) значительные упругие и пластические деформации на всех стадиях механической обработки, сборки и эксплуатации деталей; г) малая термоустойчивость деталей. Действие перечисленных факторов при изготовлении МЖД приводит к значительным погрешностям формы и размеров деталей, поверхностным дефектам, снижению производительности из-за ограничения
режимов резания и, в конечном счете, к снижению эксплуатационной надежности МЖД.
Анализ технологии изготовления МЖД в условиях
единичного и мелкосерийного производств показал, что
практикуется ввод операций ручной доводки и применение
нескольких дорогостоящих термических
искусственностарильных операций для обеспечения заданных параметров детали. Такой путь существенно увеличивает трудоемкость обработки и не гарантирует требуемое качество изделий. Поэтому совершенствование операций искусственностарильной группы в технологии изготовления МЖД является важной задачей, повышающей эффективность производства и качество продукции машиностроения.
Повышение эффективности и производительности технологии виброобработки (ВИО), которая относится к группе искусственностарильных операций способствует улучшению эксплуатационных свойств МЖД, частичному или полному устранению пригоночных работ, возможности интенсификации режимов резания на последующих механических операциях. Это, в свою очередь, снижает трудоемкость изготовления деталей и сборки машин, увеличивает их надежность.
Достижения российских и зарубежных ученых [62, 63, 66] в вопросах повышения производительности, эффективности и качества виброобработки, а также результаты промышленного их использования показывают, что основными направлениями интенсификации технологии ВИО являются: создание прогрессивных конструкций
механических, электромеханических, электрических и ультразвуковых вибровозбудителей, характеризуемых широким диапазоном создаваемых частот и усилий, технологичностью сопряжения с обрабатываемыми деталями, относительно низкой себестоимостью; создание новых способов ВИО/ таких, как способы воздействия на МЖД знакопеременными крутящим моментом и продольной силой; создание систем автоматического управления (САУ) процессами ВИО, что позволяет создавать в детали равномерное напряженное состояние требуемого уровня, что в конечном итоге повышает производительность, эффективность процесса и качество получаемых деталей.
Значительный вклад внесли ученые - авторы публикаций [27, 41, 43, 58]. Ими предложен ряд способов ВИО МЖД и разработаны конструкции устройств для реализации этих способов. Однако, проблема создания оптимального технологического процесса ВИО при обработке маложестких деталей с отношением длин к поперечным сечениям больше десяти не решена в полной мере. В частности, применяемые вибровозбудители характеризуются малым ресурсом и низкой надежностью работы, а большинство предлагаемых способов не дают удовлетворительных решений для случаев обработки маложестких ступенчатых валов из коррозионостойких материалов. Можно сказать и об отсутствии предложений на современном рынке технологий систем автоматического управления ВИО, позволяющих в полной мере использовать все преимущества этого метода искусственного старения.
Работа состоит из четырех глав, выводов и приложения.
В первой главе дан обзор существующих технологических методов ВИО деталей малой жесткости, представлено обоснование необходимости совершенствования технологии ввиду значительного уровня остаточных напряжений МЖД, рассмотрены основные технологические приемы искусственного старения, проведен анализ существующих методов и средств ВИО.
Во второй главе разработаны математические модели процессов ВИО, составлены расчетные схемы процесса, описаны колебательные системы при виброобработке.
В третьей главе приведены теоретические разработки системы автоматического управления применительно к технологии ВИО, изучено влияние управления на релаксационные процессы, происходящие в материале.
В четвертой главе даны экспериментальные исследования процессов ВИО, рассмотрена экспериментальная установка, ее функциональные схемы и алгоритм работы с применением автоматической системы управления процессом, показаны результаты .. экспериментальных и промышленных исследований.
В конце диссертационной работы сформированы общие выводы и намечены пути для дальнейших исследований и разработок в области технологии виброобработки МЖД.
В приложении приведены методики проведения эксперимента, описания разработанных контрольных устройств и акты внедрения.
Технологические процессы, применяемые для стабилизации геометрической формы маложестких заготовок
При отпуске и отжиге для снятия остаточных напряжений основным механизмом изменения остаточных напряжений является их релаксация, которая протекает наиболее быстро при повышении температуры [73, 74, 78] . Недостатки этого процесса: 1) остаточные напряжения снимаются не полностью в зависимости от температуры отпуска, длительности выдержки, материала, массивности изделия; 2) при нагреве и последующем охлаждении заготовка с большим уровнем остаточных напряжений меняет свои форму и размеры; 3) производство таких термических операций у длинномерных деталей является трудоемкой операцией, снижающей производительность процесса. Существенное влияние при этом оказывает скорость охлаждения после отпуска и отжига, так как при остывании изделий возможно возникновение новых остаточных напряжений и коробление заготовок.
Стабилизацией геометрической формы М2ЭД занимались авторы [78, 4 6] . Решение этой задачи ими предложено реализовать путем введения новой операции термостабилизации с применением системы автоматического контроля за ходом техпроцесса. В данном случае одновременно контролируется температура нагрева заготовки по длине, усилие, скорость и величина пластической деформации и обеспечивается стабилизация пластических деформаций и температуре по длине изделия путем управления этими параметрами. Прямого контроля за реономным поведением материала в процессе термосиловой обработки осуществить невозможно и поэтому в разработанной САУ были применены косвенные методы измерения в реальном масштабе времени таких параметров, как удлинение и сужение заготовки, внешнее усилие, приложенное к ней, температура нагрева и охлаждения, а также их производные. На основании априорной информации о взаимодействии перечисленных параметров и математических зависимостях, была разработана многоканальная, с автономными каналами, система управления, работающая по составленным алгоритмам, отдельные контуры которой работают как системы по отклонению регулируемого параметра и как системы стабилизации - внешнего усилия с заданной величиной деформации (управление продольной деформацией и температурой нагрева и охлаждения). Описанная система была внедрена в технологию изготовления на Тольяттинском ОАО «Азотреммаш» [46]. По сравнению с «классическими» методами такая система обладает преимуществами, но все же с применением этого технологического подхода не удалось создать равномерного напряженного состояния материала, обеспечивающего стабильность геометрической формы МЖД. Существенными недостатками такой систем являются низкая универсальность, высокая стоимость и сложности при отладке.
Исследования проф. Драчева О.И. легли в основу системы управления динамической правкой МЖД [41, 48, 4 6]. Целью разработанных устройств и системы управления явилось устранение неравномерности пластических деформаций. В работе [51] доказана целесообразность модального управления, т.е. прикладывать управляемую нагрузку в зонах и узлах пучности, т.к. при высоких модах зоны пластических деформаций при четных и нечетных формах практически совпадают. Был выбран такой алгоритм правки, что первоначально заготовка деформируется по первой форме изгиба, затем по второй, далее по третьей и т.д., при этом каждый модуль правки работает как автономный от задатчика программы по новому разработанному алгоритму. Заготовка независимо от длины, при любой форме правки имеет опоры, относительно которых проводится упруго-пластическая деформация, т.е. всегда известна длина между опорами и геометрические параметры заготовки, следовательно, всегда можно рассчитать в первом приближении величины действующих в заготовке напряжений и величины пластических деформаций, их глубину залегания. При внедрении в производство САУ процессом правки была решена задача повышения точности формы МЖД, получивших значительное искривление на переходах токарной обработки. Однако МЖД, имеющие повышенный уровень остаточных напряжений после заготовительных операций и термообработки, даже после адаптивной правки не имеют эксплуатационной стабильности геометрической формы.
Важным направлением в развитии автоматических систем стабилизации геометрической формы МЖД на переходах токарной механической обработки явились исследования, проведенные авторами [49, 44, 42, 40, 39]. Ими была разработана эффективная система управления процессом резания, синтез которой основан на современных методах управления технологическими процессами. Система позволяет управлять жесткостью процесса резания и включает в себя самоцентрирующие люнеты. Промышленно реализована такая система на Тольяттинском ОАО «Азотреммаш» в 1990 году [15] . С ее применением стало возможным значительно интенсифицировать режимы резания, например, при наружной обточке вала длиной 5 600 мм и средним диаметром 38 мм. удалось достичь глубины резания t=7 мм [14]. Недостатком такой системы является создание равномерного напряженно-деформированного состояния лишь в поверхностных слоях заготовки МЖД, то есть эта система, так же как и система адаптивной правки не позволяет минимизировать остаточные напряжения по всему объему детали.
Создание динамической модели процесса виброобработки маложесткой детали
В качестве моделей динамических явлений процесса виброобработки можно применять одно, двух или многомассовые модели с сосредоточенной массой, жесткостью и демпфированием [42] . При виброобработке длинномерных МЖД влияние свободных частей на процесс вибрации значительно, особенно при высоких частотах воздействия на заготовку, что связано с малой жесткостью заготовки и накапливаемой в ней кинетической энергией [51] , В связи со сказанным, нами были созданы модели динамических явлений процесса виброобработки маложестких длинномерных деталей с распределенными по длине детали массой и жесткостью.
Нагрузки в процессе виброобработки МЖД,. как правило, удовлетворяют условиям Дирихле и поэтому могут быть разложены Б ряды Фурье. Следовательно, при анализе динамики процесса будем рассматривать гармонические нагрузки переменной частоты. Частотный диапазон будем выбирать из практических соображений.
Предполагаем, что в случае типовой схемы виброобработки деталь может подвергаться изгибу в двух плоскостях. Колебания стержня, имеющего прямолинейную ось и незакрученное поперечное сечение, на основе допущений теорий изгиба с учетом эффектов депланации описывают системой уравнений для перемещений v и & центра изгиба сечения в направлениях осей Оу и Oz (ось Ох направлена вдоль оси стержня и проходит через границы тяжести сечений, оси Оу и Oz являются главными). Указанная система представлена в виде: дх2{ zdx2) дх[ -дх) и dt2 чл } здесь р - плотность материала; F - площадь поперечного сечения; Jy и Зг- осевые моменты инерции; Jk - момент инерции при кручении; Ja - секториальный момент инерции; JA = Jv + {a + al)F - полярный момент инерции относительно центра изгиба; J0 - полярный момент инерции относительно центра тяжести; я, и аг - координаты центра изгиба; qi r qlf ц - интенсивность нагрузки в соответствующей плоскости. В зависимости от вида опорных устройств на концах стержня задаются концевые условия, определенные в [72] .
Анализ литературных источников, проведенный в первой главе, показал, что для маложестких деталей изгибные колебания оказывают доминирующее влияние на эффективность процесса виброобработки. Поэтому сосредоточим внимание на изгибных колебаниях.
В осесимметричной детали все оси инерции поперечных сечений являются главными. Деталь имеет переменную по длине изгибную жесткость EJ(x), распределенную погонную массу m=pF, При поступательных перемещениях сечения вала в направлениях у и z возникают распределенные силовые реактивные нагрузки с коэффициентами пропорциональности С при перемещениях и К при скоростях. распределенные по длине детали силы внутреннего трения в материале учитываются коэффициентом пропорциональности f(x).
Деформированное состояние в каждом сечении характеризуется деформационными параметрами, включающими вектор упругих перемещений ui.xJ) с компонентами иу и иг и вектор угла поворота (p{x,t) с компонентами р и pzf и силовыми параметрами - вектором поперечной силы Q{x,i) с компонентами Q и Qs и вектором изгибающего момента M{XJ) С компонентами Му и Мг . Неуравноведіенность детали определяется как отклонение в каждом сечении оси инерции от теоретической геометрической продольной оси - е} и е2
Теоретические исследования процессов релаксации остаточных напряжений при виброобработке
Целесообразно остановиться на технологических проблемах, связанных с управлением ВИО с учетом прочностных характеристик и физмехсвойств обрабатываемого материала . Известные работы в области управления уровнем остаточных напряжений [69 г 71] решают задачу расчета, на основе априорной информации о времени и потребляемой вибровозбудителем, мощности на резонансных режимах, с целью минимизации таким образом остаточных внутренних напряжений. Задача управления в этом случае сводится к созданию в материале требуемого напряженного состояния при суммировании остаточных и вибрационных напряжений.
В первой главе подробно разбирались причины коробления маложестких деталей, здесь только заметим, что потеря геометрической точности изделия напрямую связана с возникновением остаточных напряжений первого рода, последние возникают из-за неравномерности пластических деформаций металла, неоднородности температурного поля профиля заготовки в процессе охлаждения, разновременности протекания процессов структурных превращений. Для минимизации уровня остаточных напряжений необходимо устранить, свести к нулю вышеперечисленные причины возникновения остаточных напряжений, для этого необходимо управлять текущими параметрами процесса ВИО. Трудность в выборе управляемых параметров состоит в том, что нет однозначных зависимостей между текущими и конечными параметрами в процессе ВИО. За основной (доминирующий) параметр было принято значение собственной резонансной частоты на одной из форм изгибных колебаний детали.
Процесс виброобработки необходимо разбить на два этапа: сканирования собственных резонансных частот детали и обработки (нагружения) на этих частотах с корректировкой значений частот возбуждения при минимизации собственной резонансной частоты. Сканирование спектра собственных частот детали может осуществляться также в процессе воздействия [1] . Снижение уровня остаточных напряжений может привести к короблению детали, таким образом, ВИО является «диагностикой» напряженного состояния материала и процессы, происходящие при этом виде нагружения, так или иначе произошли бы при эксплуатации готового изделия.
Применение Диагностического «температурного» контура САУ позволяет визуализировать наблюдения за изменением температурного поля детали в процессе вибровоздействия. Реализация данного контура описана в главе 4 работы.
Согласно разработанной технологии ВИО на изделие накладывают колебания на собственных резонансных частотах, причем при обработке на этих частотах контролируют изменение значений собственных резонансных частот при колебаниях, а в качестве диагностического признака для визуализации процессов внутреннего трения, сопровождающих виброобработку, используют изменение температурного поля детали.
ВИО позволяет устранить технологическую наследственность от предыдущих операций, стабилизировать и минимизировать уровень остаточных напряжений по всей длине детали, одновременно диагностируя критическое напряженное состояние конкретной детали (в этом случае максимальная деформация произойдет в ходе технологического процесса изготовления изделия, а не при работе готового ответственного механизма или машины, включающих в себя рассматриваемый маложесткий длинномерный вал).
В процессе вибрационного нагружения происходят также и изменения напряжений второго рода. Физическая сущность релаксационных механизмов напряжений второго рода дана в приложении диссертационной работы (п 1.)
На Рис. 3.3 представлены экспериментально полученные АФЧХ деталей, обработанных с использованием САУ и без применения системы. Анализ годографов показывает, что при использовании САУ модуль упругости материала снижается на 8 - 10 %, что говорит о релаксации остаточных напряжений и подтверждает предложенную математическу модель.
Вибровозбудитель для возмущения изгибных колебаний при виброобработке маложестких деталей
Анализ конструкций и исполнений существующих вибровозбудителей, представленный в главе 1 работы показал, что для использования в составе САУ виброобработки маложестких деталей нет промышленно применимого вибровозбудителя, обладающего достаточной надежностью и технологичностью регулировок параметров вибровоздействия. На основании этого предложена констукция вибровозбудителя, содержащая корпус, в котором размещен на подшипниках вал с де-балансами, и привод вращения вала, включающий электродвигатель и ременную передачу, дебалансы выполнены в виде трех эксцентриков, два из которых жестко закреплены на валу, а третий размещен между ними и выполнен с возможностью регулирования величины возмущающей силы, при этом последний размещен на участке вала, выполненном с продольными пазами, образующими в поперечном сечении профиль храпового зацепления, а сам дебаланс выполнен с профильным отверстием, в котором размещен стопор, выполненный с возможностью радиального перемещения.
Электродвигатель может быть установлен на корпусе посредством кронштейна, а электродвигатель и кронштейн могут быть соединены между собой с использованием цилиндрических резинометаллических шайб, а кронштейн и корпус - с использованием резинометаллических шарниров.
Выполнение- дебалансов в виде трех эксцентриков, два из которых жестко закреплены на валу, а третий размещен между ними, позволяет создать симметрию на валу, что предохраняет сам вал от излишнего нагружения в продольном направлении, а подшипники - от воздействия биений в этом же направлении.
Выполнение третьего - центрального дебаланса с возможностью регулирования величины возмущающей силы обеспечивает проведение процесса виброобработки в различных диапазонах.
Размещение центрального дебаланса на участке вала, выполненном с продольными пазами, образующими в поперечном сечении профиль храпового зацепления, позволяет использовать возможности этого зацепления (ступенчатость, простота, надежность и т.д.) для целей регулирования величины возмущающей силы.
Выполнение центрального дебаланса с профильным отверстием, в котором размещен стопор, выполненный с возможностью радиального перемещения, дает возможность жестко фиксировать этот дебаланс на валу с заданным (требуемым) значением величины возмущающей силы.
Установка электродвигателя на корпусе посредством кронштейна позволяет снизить воздействие вибрации на электродвигатель в процессе работы.
Соединение электродвигателя и кронштейна между собой с использованием цилиндрических резинометаллических шайб позволяет максимально разгрузить электродвигатель от воздействия знакопеременных нагрузок за счет демпфирования.
Соединение же кронштейна и корпуса между собой с использованием резинометаллических шарниров обеспечивает еще одну степень разгрузки электродвигателя от воздействия знакопеременных нагрузок. Конструкция вибровозбудителя представлена на Рис. 4.8 - 4.9. на Рис. 4.8 - вибровозбудитель, вид сбоку с разрезом его корпуса; на Рис. 4.9 - центральный дебаланс, разрез А-А на Рис. 4.8; и разрез Б-Б. Вибровозбудитель содержит корпус 1, в боковых крышках которого в подшипниковых опорах 2 установлен вал 3 с деба-лансами 4, 5 и б, выполненными в виде трех эксцентриков, два из которых (4 и 6) жестко закреплены на валу, а третий (5) из них размещен между ними на участке 7 вала. На участке вала 3, выходящем из корпуса 1, размещен ведомый шкив 8, соединенный ременной передачей 9 с ведущим шкивом 10, насаженным на вал 11 электродвигателя 12, который посредством кронштейна 13 закреплен на крышках корпуса, с использованием амортизаторов 14, в качестве которых предпочтительно применять цилиндрические резинометаллические шайбы. Конец вала 3, выходящий за пределы габаритов ведомого шкива 8, выполнен с профильным пазом 15, служащим для установки" в нем регулировочного ключа 16 (обозначен пунктиром) в момент регулирования возмущающей силы вибратора. Для закрепления на детали 17, подвергаемой виброобработке, имеется прихват 18, закрепленный на корпусе и выполненный с болтовым соединением 19. Участок 7 вала выполнен с продольными пазами 20, образующими в поперечном сечении профиль храпового соединения, причем дебаланс 5 выполнен с профильным отверстием 21, в котором размещен стопор 22, выполненный с возможностью радиального переме 129 щения и поджатия к продольным пазам 20. Кроме того, в де-балансе 5 выполнено под прямым углом к отверстию 21 отверстие 23, служащее для введения в него в момент регулирования стопорного ключа 24. В стенке корпуса 1 напротив центрального дебаланса 5 выполнено отверстие 25, закрытое болтом 26. Крепежные элементы вибровозбудителя должны быть надежно защищены от вибрации стопорными деталями.
Работа вибровозбудителя осуществляется следующим образом. Перед обработкой детали 17 определяют (задают) величину необходимого возмущающего усилия, которое выставляется на вибровозбудителе, а последний крепят к телу детали так, чтобы продольная ось детали была параллельна вектору скорости (окружной) и при вращении эксцентриков 4, 5 и 6 и производят виброобработку. По достижении требуемого результата производят переустановку вибровозбудителя таким образом, чтобы он обеспечивал воздействие на деталь крутильных колебаний: деталь устанавливают перпендикулярно относительно первоначального положения и производят виброобработку. Регулирование возмущающей силы вибровозбудителя производят следующим образом. Вывертывают болт 26 из корпуса вибратора. Устанавливают в паз 15 вала 3 вибровозбудителя регулировочный ключ 16 (Рис. 4.8), а через отверстие 25 корпуса вводят стопорный ключ 24. Вращением ключа 16 против стрелки обеспечивают вход стопорного ключа 24. в отверстие 23 центрального эксцентрика 5, а вращением этого же ключа по стрелке устанавливают заданную величину силы, указанную в процентах на кожухе.
Регулирование частоты вибрационного воздействия производится изменением частоты вращения выходного вала электродвигателя.
