Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ исследований и практики виброударного упрочнения крупногабаритных деталей. постановка цели и задач исследований 10
1.1 Методы и области применения упрочняющих технологий 10
1.2. Технологические возможности виброударного упрочнения 14
1.3. Динамические схемы, режимы работы и конструкции виброупрочняющих станков 15
1.4. Анализ зарубежных технологий и оборудования для упрочнения крупногабаритных деталей 24
1.5. Постановка цели и задач исследований 27
2. Особенности применения резонанса в процессах виброударного упрочнения. методика исследований 29
2.1. Особенности применения близко резонансных режимов при виброударном упрочнении 29
2.2. Методика теоретических исследований 32
2.3. Методика экспериментальных исследований 33
2.4. Экспериментальное оборудование, приспособления, инструментальные среды 35
2.5. Аппаратурное обеспечение исследований 38
3. Теоретичекое исследование динамики процесса виброударного упрочнения в близко резонансных режимах 41
3.1. Разработка физической, динамической и математической модели технологической системы с упругим креплением детали 41
3.2. Скорость виброударных перемещений частиц инструментальной среды 50
3.3. Скорость циркуляционных перемещений и траектория движения частиц инструментальной среды 56
3.4. Продолжительность, угол, фаза и скорость периодических соударений поверхности детали с частицами инструментальной среды 62
3.5. Энергетические параметры периодических соударений детали с вибрирующей инструментальной средой 70
Выводы по 3-й главе 75
4. Исследование формирования поверхностного слоя при упругом креплении детали в контейнере 77
4.1. Физическая модель и параметры моделирования формирования поверхностного слоя при упругом креплении детали 77
4.2. Определение съема металла с поверхностного слоя 80
4.3. Формирование микронеровностей поверхностного слоя 84
4.4. Формирование сжимающих остаточных напряжений в поверхностном слое детали 88
4.5. Степень и глубина наклепа поверхностного слоя детали 91
Выводы по 4-й главе 95
5. Экспериментальное исследование стабильности, вибрационного воздействия на основание, потребляемой мощности. расчет режимов 96
5.1. Исследование жесткости и диссипации пневмоупругих элементов, амплитудо-частотных свойств технологической системы 96
5.2. Вибрационное воздействие на основание 104
5.3. Динамическая стабильность близко резонансных режимов обработки с упругим креплением детали 106
5.4. Потребляемая мощность привода вибратора 108
5.5. Экспериментальное исследование формирования шероховатости при упругом креплении детали 109
5.6. Расчет режимов виброударного упрочнения и параметров вибростанка резонансного типа с упругим креплением детали 112
5.7. Компоновка виброустановки резонансного типа ВУД-2500-Р с упругим креплением детали 115
Выводы по 5-й главе 118
Основные результаты и выводы 119
Список используемой литературы
- Динамические схемы, режимы работы и конструкции виброупрочняющих станков
- Экспериментальное оборудование, приспособления, инструментальные среды
- Скорость циркуляционных перемещений и траектория движения частиц инструментальной среды
- Динамическая стабильность близко резонансных режимов обработки с упругим креплением детали
Введение к работе
Актуальность работы. При виброударном упрочнении крупногабаритных деталей используются зарезонансные режимы работы виброупрочняющих станков с жестким креплением в контейнере, с вращением или с переустановкой. Виброударное упрочнение позволяет для деталей, например из стали 30ХГСНА, обеспечить формирование сжимающих остаточных напряжений 320-560 МПа, наклеп 12-15 %, снижение исходной шероховатости в два - три раза. В результате виброударное упрочнение повышает усталостную прочность до 12-15 % и усталостную долговечность - до 20-30 %.
В зарезонансном режиме при жестком креплении детали в контейнере на 100 кг массы детали приходится около 1000 кг и более массы подвижной системы контейнера. Поэтому необходимы большие мощности вибратора. Например, на ВУД-2500 для получения амплитуды колебаний 0,5 см установлен электродвигатель 75 кВт. Зарезонансные режимы затрудняют управление режимами обработки, в этой связи возникают значительные погрешности упрочнения. Обработка с вращением детали в контейнере связана с конструктивной сложностью и низким ресурсом оснастки.
Известны многочисленные примеры полезного применения резонанса, в том числе в механических системах (вибрационные конвейеры, грохоты и др.). Повышение производительности и снижение энергетических затрат вибрационных машин основано на применении резонанса, в котором упругие и инерционные силы взаимно уравновешиваются, а энергия вибратора расходуется на преодоление диссипативных сил. Резонансные режимы обладают меньшими затратами мощности, позволяют управлять режимами в процессе обработки, но обладают низкой динамической устойчивостью в связи с высокой чувствительностью к изменению технологической нагрузки и параметров системы, оказывают большое вибрационное воздействие на основание.
В настоящей диссертации для устранения этих недостатков предлагается подвижную систему детали с установленным на ней вибратором упруго крепить к контейнеру с близко резонансной настройкой, а контейнер крепить к основанию с заре-зонансной настройкой. В этом случае подвижная система дета-
ли за счет вибратора совершает близко резонансные колебания с амплитудой ускорения 8-10 g, а подвижная система контейнера, установленная на основание на амортизаторах малой жесткости, совершает зарезонансные колебания с ускорением 4-5 g за счет силового воздействия упругих элементов подвижной системы детали. Динамическая устойчивость резонансного режима решается конструктивно за счет буферных пневмоупру-гих элементов с нелинейной характеристикой жесткости.
Актуальность диссертации обусловлена тем, что применение резонанса повышает эффективность вибрационных технологий, в том числе виброударного упрочнения, но связано с обеспечением устойчивости при воздействии дестабилизирующих факторов и со снижением значительных вибрационных воздействий на основание, которые не решены в настоящее время.
Работа выполнена в соответствии с федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 г.г. (мероприятие 1.2.1 «Проведение поисковых научно-исследовательских работ по направлению «Ракетостроение») и научным направлением ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» в соответствии с планом ГБ НИР № 2010.15 «Наукоемкие технологии в машиностроении, авиастроении и ракетно-космической технике».
Научная проблема состоит в обосновании эффективного применения резонансных режимов при виброударном упрочнении за счет упругого крепления упрочняемой детали в контейнере и применения буферных пневмоупругих элементов с нелинейной жесткостью, обеспечивающих устойчивость процесса, снижение вибрационного воздействия и потребляемой мощности.
Цель диссертационной работы состоит в теоретическом обосновании и экспериментальном подтверждении работоспособности новой технологической схемы виброударного упрочнения с упругим креплением детали в близко резонансном режиме, которая обеспечивает устойчивость процесса при изменении массы инструментальной среды и стабильность формирования шероховатости, остаточных напряжений и наклепа, снижение вибрационного воздействия на основание и потребляемой мощности.
Задачи исследований. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи исследований.
-
Разработать математические модели и теоретически исследовать динамику перемещений детали и контейнера, периодических соударений частиц инструментальной среды с различными участками упруго закрепленной детали в близко резонансном режиме.
-
Разработать математические модели и теоретически исследовать формирование шероховатости, остаточных напряжений и наклепа на различных участках упруго закрепленной детали в близко резонансном режиме.
-
Экспериментально исследовать характеристики буферных упругих элементов; массовые, диссипативные и ампли-тудо-фазо-частотные характеристики технологической системы с упругим креплением детали.
-
Исследовать устойчивость, вибрационное воздействие на основание и потребляемую мощность при упругом креплении детали.
-
Разработать методику расчета режимов виброударного упрочнения и параметров вибростанка резонансного типа с упругим креплением детали. Доработать компоновку виброустановки ВУД-2500.
Методы исследования. Теоретическое исследование динамических параметров, формирования шероховатости, остаточных напряжений и наклепа на различных участках детали выполнялось посредством компьютерного моделирования; экспериментальные исследования формирования этих параметров, а также динамической устойчивости, воздействия на основание и потребляемой мощности при переменной массе подвижной системы в близко резонансном режиме осуществлялись на созданной установке ВУРТ-3М.
На защиту выносятся.
– Закономерности соударений частиц инструментальной среды с различными участками упруго закреплнной крупногабаритной детали в контейнере и со станком в близко резонансных режимах.
– Закономерности формирования шероховатости, остаточных напряжений и наклепа при виброударном упрочнении на различных участках упруго закреплнной крупногабаритной детали в близко резонансных режимах.
- Результаты экспериментальных исследований зависи
мости массовых, упругих, диссипативных, амплитудо-фазо-
частотных характеристик технологической системы, динами
ческой устойчивости технологического процесса, вибрацион
ного воздействия на основание, потребляемой мощности при
упругом креплении детали в близко резонансных режимах.
- Методика расчета режимов виброударного упрочнения
и параметров вибростанка резонансного типа с упругим креп
лением детали.
Научная новизна выполненных в диссертационной работе исследований состоит в следующем.
1. Выявлены новые закономерности периодических пе
ремещений и соударений частиц инструментальной среды с
различными участками упруго закрепленной детали в близко
резонансном режиме: частицы пограничного слоя вибрирую
щей инструментальной среды перемещаются относительно де
тали большую часть периода синфазно (попутно), в результате
скорости их соударений малы, интенсивность упрочнения
снижается.
-
Теоретически установлено, что при креплении на детали экрана частицы пограничного слоя инструментальной среды перемещаются относительно детали в противофазе, в результате скорости соударений повышаются, интенсивность снижения шероховатости растет на 15-17 %, интенсивность формирования остаточных напряжений растет на 7-10 %, - наклепа на 8-12 %; относительная погрешность их формирования снижается на 20-30 %.
-
Экспериментально доказана возможность безаппаратурного обеспечения устойчивости амплитуды колебаний упрочняемой детали в пределах 20-35% при отстройке собственной частоты колебаний ее в дорезонансной области на величину ю/ю0 =0,9-0,85, при изменении массы инструментальной
среды до ^10%, за счет упругого крепления детали и нелинейной буферной жесткости пневмоупругих элементов.
4. Экспериментально установлено, что при упругом
креплении детали с близко резонансной настройкой
ю/ю0^0,9-0,85и зарезонансной настройкой контейнера виб
рационное воздействие на основание снижается пропорцио
нально соотношению их масс до допустимых санитарных
норм, а потребляемая мощность вибратора на единицу амплитуды колебаний снижается на 50-70 % и более по отношению к зарезонансному режиму.
Достоверность результатов. Достоверность исследований, научных выводов и рекомендаций, полученных в работе, обеспечивается корректностью постановки задач, обоснованностью принятых допущений теоретических исследований, применением апробированных методов математики и механики; экспериментальными исследованиями процесса виброударной обработки для различных режимов оборудования; подтверждением теоретических результатов экспериментальными исследованиями.
Практическая значимость работы. Разработаны новая технологическая схема виброударного упрочнения с упругим креплением детали в близко резонансном режиме и компоновка виброупрочняющего станка, позволяющая снизить на 50-70 % энергетические затраты, повысить при этом в 2-3 раза ресурс работы вибростанков, повысить качество обработки.
Практическая реализация работы. Результаты исследований диссертации, технологические рекомендации используются на «ВМЗ» – филиале ФГУП «ГКНПЦ им. М. В. Хруни-чева», ОАО «НИИАСПК» и в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет».
Апробация работы. Основные положения работы докла
дывались и обсуждались на следующих семинарах и конфе
ренциях: Х Международной научно-технической конференции
«Управляемые вибрационные технологии и машины (ВИБРА-
ЦИЯ–2012)» (Курск, 2012); Международной научно-
технической конференции «Новые достижения, практическая
реализация и перспективы развития методов обработки по
верхностным пластическим деформированием (ППД)», (Рос
тов, 2012); XIII Всероссийской научно-технической конферен
ции и школы молодых ученых, аспирантов и студентов «Авиа
космические технологии» (Воронеж, 2009–2013); Междуна
родной научно-технической конференции «Фундаментальные
и прикладные проблемы модернизации современного машино
строения и металлургии», (Липецк 2012).
Публикации по работе. По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, в том числе 3 – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Личный вклад автора. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично автором выполнено следующее: в [2] сделано описание спроектированной виброустановки ВУРТ-3М; в [5] выполнено численное моделированние; [6] разработана компоновка виброустановки ВУРТ-3М; [7, 8] – выполнены экспериментальные исследования; [9] – исследованы амплитудо-фазо-частотные характеристики; [10] – модернизация виброустановки зарезо-нансного типа ВУД-2500; [12] – исследовано формирование технологических параметров; [13] – выполнено компьютерное моделирование динамики процессов виброударного упрочнения.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и приложения, изложенных на 138 страницах; включает 124 рисунков, 19 таблиц, список литературы 112 наименований.
Динамические схемы, режимы работы и конструкции виброупрочняющих станков
В зарубежном машиностроении постоянно и активно ведутся разработки технологий, оборудования, инструментальных сред и технологических жидкостей для дробеструйного, виброударного и других методов упрочнения [98-110]. Большая часть деталей типа лонжеронов, цельно фрезерованных панелей, стрингеров и других крупногабаритных деталей в зарубежом машиностроении упрочняется посредством дробеструйного наклепа [81, 106, ПО]. Такая практика сложилась в 1970-е годы, когда начали активно применять упрочнение поверхностно-пластическим деформированием для повышения усталостной прочности и ресурса авиационных деталей и стали активно применяться роботы, которые использовались для перемещения дробеструйного сопла по программе.
В отечественном машиностроении роботы в то время еще не получили широкого применения, поэтому пришлось искать другие методы упрочнения. В результате поисков были разработаны технологии виброабразивной обработки и виброударного упрочнения, которые стали применяться в 1970-е годы.
Зарубежные фирмы Rossler, Roto Finish, Pangborn, Walther Trowal и другие предлагают технологии, станки, инструментальные среды и автоматические линии полного цикла для отделочно-зачистной, главным образом без закрепления «в навал», и упрочняющей обработки (рис. 1.5, 1.6).
Линии комплектуются устройствами загрузки и выгрузки деталей, сепарации среды, автоматической промывки и сушки деталей и среды. Помимо этого установки комплектуются системами ЧПУ с различными программами и системами обратной связи по контролю параметров колебаний. В крупносерий 25 ном производстве нашли применение вибрационные установки тороидального типа (рис 1.5, б). Для упрочнения крупногабаритных деталей авиационного производства, изготовленных из высокопрочных стальных, титановых и алюминиевых сплавов, используются технологии дробеструйной и дробеметной обработки.
. Общий вид центробежной установки фирмы Rosier (а), вибрационной установки тороидального типа английской фирмы PDJ Vibro (б) для зачистки деталей по схеме без закрепления «в навал»
Виброустановки с круговой траекторией фирмы Walther Trowal представляют собой универсальные установки для отделочно-зачистной обработки и полировки, снятия заусенцев и скруглення острых кромок.
Виброударное упрочнение иностранными фирмами используется редко. Некоторые фирмы в последние годы проявляют интерес к этим технологиям [30], в связи с тем, что они, согласно испытаниям, обеспечивают несколько большее повышение усталостной прочности и долговечности.
Анализ информации в Интернете и литературных данных показывает, что иностранное виброобрабатывающее оборудование не может выполнять поверхностное упрочнение крупногабаритных деталей из высокопрочных сплавов из-за недостаточной энергетики. На заводах авиационных фирм «Boeing» и «Airbus» основным методом упрочнения силовых деталей планера самолёта и шасси является дробеструйная и дробеударная обработка в различных модификациях. Следует отметить высокую техническую культуру проектирования и реализации технологий упрочнения, сертификации, контроля и управления процессом упрочнения, автоматизации вспомогательных операций на заводах этих фирм.
Обзор и анализ литературных источников, выполненных исследований и практического промышленного опыта показал следующее.
Для повышения эксплуатационных свойств и качества поверхностей крупногабаритных деталей сложной пространственной формы целесообразно применять виброударное упрочнение. Оборудование, работающее в зарезо-нансном режиме колебаний, имеет повышенную мощность привода вибратора из-за большой массы контейнера с оснасткой и инструментальной средой.
Этих недостатков лишены близко резонансные режимы, однако их реализация требует новой много массовой компоновки технологической системы. Обзор литературных источников показал, что применение резонансных режимов в процессах виброударного упрочнения исследовано недостаточно, на практике эти режимы при виброударном упрочнении не применяются.
Для обеспечения устойчивости резонансного режима и стабильности процесса предполагается применять пневмоупругие элементы с нелинейной характеристикой жесткости, установленные по координатам управления.
Для снижения вибрационного воздействия на основание предлагается деталь с вибратором крепить к контейнеру упруго и обеспечить резонансную на 28
стройку ее колебаний, а контейнер крепить к основанию на мягких амортизаторах и обеспечить ему зарезонансную настройку колебаний.
Цель диссертационной работы состоит в теоретическом обосновании и экспериментальном подтверждении работоспособности новой технологической массовой схемы виброударного упрочнения с упругим креплением детали в близко резонансном режиме, которая обеспечивает устойчивость процесса при изменении массы инструментальной среды и стабильность формирования шероховатости, остаточных напряжений и наклепа, снижение вибрационного воздействия на основание и потребляемой мощности.
Задачи исследований состоят в следующем.
1. Разработать математические модели и теоретически исследовать динамику перемещений детали и контейнера, периодических соударений частиц инструментальной среды с различными участками упруго закрепленной детали в близко резонансном режиме.
2. Разработать математические модели и теоретически исследовать формирование шероховатости, остаточных напряжений и наклепа на различных участках упруго закрепленной детали в близко резонансном режиме.
3. Экспериментально исследовать характеристики буферных упругих элементов; массовые, диссипативные и амплитудо-фазо-частотные характеристики технологической системы с упругим креплением детали.
4. Экспериментально исследовать устойчивость, вибрационное воздействие на основание и потребляемую мощность при упругом креплении детали.
5. Разработать методику расчета режимов виброударного упрочнения и параметров вибростанка резонансного типа с упругим креплением детали. Доработать компоновку виброустановки ВУД-2500
Во второй главе сформированы принципы применения резонанса при виброударном упрочнении. Обоснован способ обеспечения устойчивости колебаний и снижения вибрационного воздействия на основание. Приведена методика исследования параметров перемещений частиц инструментальной среды. Дано описание устройства новой экспериментальной установки, средств измерения, макета детали и инструментальных сред.
Особенности применения близко резонансных режимов при виброударном упрочнении Реализация вибрационного упрочнения в близкорезонансном режиме работы оборудования позволяет использовать меньшую мощность привода вибратора, управлять амплитудой скорости и траекторией колебаний. Однако реализация близко резонансного режима работы с жестким креплением детали в контейнере затруднена по следующим причинам [30, 32].
Первой причиной является динамическая неуравновешенность виброустановок с жестким закреплением детали. В одномассовых виброударных системах возрастает вибрационное воздействие на основание. Это ведет к ухудшению условий труда, выходу из строя окружающего оборудования.
Экспериментальное оборудование, приспособления, инструментальные среды
В четвертой главе представлены результаты теоретических исследований формирования технологических параметров съема металла, шероховатости, остаточных напряжений, степени и глубины наклепа в процессе виброобработки с жестким и упругим креплением детали в контейнере. Отличие результатов от ранее выполненных работ, состоит в том, что моделирование выполняется для упругого крепления детали в контейнере в близко резонансном режиме, с учетом собственных частот колебаний детали Од и контейнера щк [36, 40].
4.1. Физическая модель и параметры моделирования формирования поверхностного слоя при упругом креплении детали
Для теоретических исследований поверхностного съема металла с обрабатываемой детали, а так же других параметров качества поверхностного слоя, использовалась программа для ЭВМ (рис. 4.1), алгоритмы которой основывались на методе двухмерного моделирования динамики конечного множества частиц [34]. В соответствие с этим методом моделирование виброударного упрочнения выполняется в сечениях, совпадающих с плоскостью колебаний, инструментальная среда описывается конечным множеством частиц. Размерная модель системы строится в масштабе, площадь сечения разбивается на ячейки, которые заполняются частицами среды. Контуры элементов детали и контейнера разбиваются на сплайны. Метод моделирования позволяет получать сплай-новое распределение динамических и технологических параметров процесса, установить закономерности их распределения, определить съем металла, шероховатость, остаточные напряжения и наклеп. Метод позволяет сократить затраты на отработку технологий, повысить качество и производительность. Погрешности моделирования не превышают 3-4% в сравнении с экспериментами, что значительно меньше погрешности ранее разработанных методик.
В процессе моделирования исследуются семь режимов. Параметры крепления детали и амплитуд колебаний режимов представлены ранее в табл. 3.1.
При моделировании частота вынужденных колебаний оо = 157 с" , частота собственных колебаний подвижной системы детали о = 147,58-175,7 с" . Диаметр макета детали 80 мм. Масса подвижной системы детали т = 15,25 кг, масса подвижной системы контейнера Ш2= 24,3 кг, масса инструментальной среды тис = 30 кг. Габариты контейнера: высота 240 мм; ширина 263 мм, диаметр 263 мм. Для повышения эффективности процесса виброударного упрочнения с упругим креплением подвижной системы детали к контейнеру на подвижную систему детали закрепляется сплошной и четырех секционный экран, расположенный на равном расстоянии от поверхностей контейнера и детали. Модель учитывает соударения конечного множества вибрирующих частиц друг с другом, с поверхностями детали и контейнера. Существует мнение [3, 5], что для повышения производительности и качества виброударного упрочнения нужно повысить амплитуду колебаний. Но из-за того, что между инструментальной средой, деталью и контейнером нет кинематической связи, при увеличении амплитуды колебаний производительность может повышаться или понижаться. При повышении интенсивности колебаний происходит разрыхление среды и в соударении участвуют единичные шарики, в результат производительность и качество упрочнения снижается. Для обеспечения оптимального состояния инструментальной среды, когда она приобретает пластичность и циркуляционную подвижность необходима амплитуда виброускорения 3-5g, а для обеспечения требуемой энергии соударений необходимо 8-10g. Так как деталь закреплена вместе с контейнером, то невозможно получить оптимальные условия для среды и для упрочнения. Лучшим вариантом для упрочнения является вариант с упругим креплением детали.
Реализуется этот вариант упрочнения следующим образом. Упруго закрепленная в контейнере крупногабаритная упрочняемая деталь с близкой до-резонансной настройкой совершает колебания с амплитудой виброускорения 8-10g за счет закрепленного на ее подвижной системе вибратора. Подвижная система контейнера имеет далеко зарезонансную настройку и совершает колебания с амплитудой виброускорений 4-5g за счет силового воздействия на нее упругих элементов повышенной жесткости подвижной системы детали. При этом перемещения контейнера отстают от перемещений детали на фазовый угол 95-100. Перемещение частицы инструментальной среды, не имея кинематической связи с контейнером и деталью, отстает от перемещений контейнера на 170-180. Частицы инструментальной среды и деталь в этом случае совершают синфазные (попутные) колебания, в результате этого снизится энергия их соударений и технологические параметры процесса. В третьей главе показано, что для исключения снижения энергии соударений применяется установка на деталь экрана. В четвертой главе доказывается, что установка экрана предотвратит снижение технологических параметров, и даст возможность эффективно использовать резонансные режимы с упругим креплением детали. Модельные представления о формировании поверхностного слоя при
упругом креплении детали. Формирование пластических отпечатков происходит при циркуляционных перемещенях частиц инструментальной среды и случайных координатах соударений множества частиц с поверхностью детали.
В первом такте соударения в каждом пластическом отпечатке формируется шероховатость, остаточные напряжения и наклеп. В центре пластического отпечатка будут создаваться наименьшая шероховатость и большие остаточные напряжения и наклеп, чем на периферии. Во втором такте соударений, из-за случайных координатах соударений, образуются частично совмещенные пластические отпечатки, в которых вероятность снижения шероховатости, повышения остаточных напряжений и наклепа маловероятна, при этом прочность (наклеп) материала несколько повышается, а энергия соударений не увеличивается. Поэтому предполагается, что по центру пластических отпечатков каждого из первоначально созданных пластических отпечатков формируются конечные значения параметров шероховатости, остаточных напряжениях и наклепа. В процессе виброударного упрочнения происходит лишь повышение плотности формирования пластических отпечатков.
Скорость циркуляционных перемещений и траектория движения частиц инструментальной среды
Повышение интенсивности съема металла за счет увеличения зернистости абразивных гранул увеличивает их износ и достигаемую высоту микронеровностей. Повышение амплитуды колебаний приводит к сокращению надежности и ресурса оборудования. Увеличение равномерности съема металла за счет вращения крупногабаритных деталей требует сложной оснастки, а переустановка их требует большого времени вспомогательных операций. При виброабразивной обработке, из-за отсутствия кинематической связи инструментальной среды с деталью и контейнером, доля режущих зерен не превышает 7-15 % [3, 5, 48-53]. В результате съем металла незначителен, изменение размеров составляет 3-10 мкм. Повысить интенсивность и равномерность съема дефектного слоя при виброабразивной обработке с упругим креплением детали можно за счет оптимального поджатия вибрирующей инструментальной среды и угловых колебаний детали. В результате увеличится усилие прижатия абразивных гранул к поверхности детали в момент соударения, повысится продолжительность виброударного контакта и путь их скольжения относительно поверхности детали, возрастет вероятность микрорезания.
Трехмерная деталь делится на исследуемые сечения, контуры которых, делятся на сплайны длиной до 25 мм. Площадь сечений между контейнером и деталью заполняется частицами, делится на ячейки. Координаты всех сплайнов сечения детали и контейнера, центров частиц заносятся в память компьютера. Системе сплайнов сообщаются стационарные колебания, под действием которых частицы инструментальной среды совершают циркуляционные и виброударные перемещения с периодическими соударениями. Для каждого сплайна и частицы вычисляются скорость, время, угол, фаза и энергия соударений, съем металла, среднеарифметическая высота микронеровностей, величина и глубина остаточных напряжений и наклепа, погрешностей их формирования. масса, эксцентриситет и частота вибратора; GA,GK,mA,mK жесткость упругих элементов и масса подвижных систем детали и контейнера; \/д- коэффициент рассеяния; Ф(Т) - производная функции вибрационной подвижности частиц; R - коэффициент восстановления скорости соударений; Р - вероятность микрорезания; к и- коэффициент зернистости абразивных гранул; кфд - коэффициент формы; LCK - путь скольжения; D4- диаметр частиц.
Анализ (4.1) показывает, что увеличить съем металла можно посредством увеличения времени соударения, силы прижатия и пути скольжения абразивных гранул по поверхности детали. Это можно достигнуть за счет оптимального поджатия инструментальной среды [30, 31] в замкнутой полости контейнера и использования угловых колебаний детали. Некоторые результаты моделирования удельного съема металла представлены на рис. 4.2 и 4.3. Г 3.520 3.5Ї«= Рис. 4.2. Удельный съем металла с поверхностного слоя (мгр/см час): а) - при жестком креплении детали режим №1; б) - при упругом креплении без экрана режим №2; в) - при упруго креплении с экраном, режим 3.1ф
Наибольшие значения удельного съема металла с поверхностного слоя упруго закрепленной детали получены в режимах №2ф, №3 и №3.1 до 4,7-5,5 мгр/см час (рис. 4.3). Максимальные значения удельного съема для остальных режимов №1, №2, №3.1ф и №4 различаются незначительно - на 12-14%, от 3,89
Основной причиной возникновения погрешности является неравномерность энергии периодических соударений пограничного слоя среды с обрабатываемыми поверхностями детали и неравномерность удельной плотности кинетической энергии вибрирующей инструментальной среды. Это возникает из-за сложной формы упрочняемой детали и неравномерной циркуляции инструментальной среды, неравномерного динамического разрыхления частиц среды. где RzHCX- исходная высота микронеровностей детали; кзи - коэффициент зернистости абразивных гранул или других частиц (для стальных шариков кзи =1); тч- масса частицы; НМД- твердость материала детали; D4- диаметр частицы; Rz(NT)- функция изменения Rz в процессе упрочнения.
Амплитуда колебаний детали и контейнера определяются с учетом упргого крепления детали, собственных частот колебаний детали Од и контейнера (JOQK частоты ю вынужденных колебаний и отстройки от резонанса m . (A4.oxos8T .) ЭЯ1 =m (A rocoss ) Эч. =—1- -г\ —,Э„. =m (AKlcocossKl) ,(4.7) ді д, д, я/ 4j ф(т)-(1-Ю l Kiv Kl Kj/ V У где Ад.; А Ач. - амплитуда колебаний j-ro участка детали, j-ro участка контейнера, і-й частицы; оо-частота колебаний детали и контейнера; sT., єт , єт. фазовый угол соударений j-й частицы, 1-го сплайна детали, контейнера с і-й частицей; Ф(Т)- функция подвижности вибрирующих частиц; R - коэффициент восстановления скорости соударений; значения Ад, Ак- представлены в
Динамическая стабильность близко резонансных режимов обработки с упругим креплением детали
Необходимость модернизации виброупрочняющих установок ВУД-2500 обусловливается низкой эффективностью применения зарезонансного режима работы, в результате чего они имеют значительную мощность привода вибратора, большую массу подвижной системы по отношению к массе детали, неуправляемый режим упрочнения. Установки ВУД-2500 (рис. 5.13), спроектированные в 1970-1980 годы, позволили внедрить новые в то время технологические процессы виброударного упрочнения деталей авиационного производства, что позволило повысить качество изделий. Вместе с этим эти установки имеют высокую грузоподъемность до 2500 кг; позволяют упрочнять детали до 3 м длинной, позволяют формировать в поверхностном слое детали остаточные напряжения до 650-750 МПа, снижают высотные параметры шероховатости на 1-2 класса, формируют наклеп 8-15%, позволяют производить операции виброабразивной зачистки и т.д. Эти установки достаточно стабильны в работе, но они имеют недостатки, основными из которых являются большая масса подвижных интенсивно вибрирующих элементов с амплитудой до 0,5 см, большие мощности привода до 50-75 Вт при частоте 21-24 Гц, что обуславливает большие проблемы с пуском их двигателей.
Рабочая масса используется неэффективно: на 100 кг детали приходится 1500 - 2000 кг контейнера, оснастки и инструментальной среды, что является нерациональным. Значительная масса подвижной системы обуславливает большие энергетические затраты мощности привода вибратора, не позволяет работать на скоростях больше 50-60 м/с. Так же имеет место значительная вибрация, действующая на фундамент помещения, где находится установка.
Обработка на станке ВУД-2500 происходит следующим образом. Обрабатываемая деталь 1 жестко крепится в контейнере при помощи специальной оснастки. Далее в контейнер загружается необходимое количество инструментальной среды, металлические шарики или абразив, в зависимости от обработки. Осущест 116 вляется подача промывочной жидкости. Запускается двигатель 7, который при помощи редуктора 6 сообщает вращательное движение, расположенным по бокам контейнера, блокам дебалансов 2. Загруженный контейнер совершает вибрационные колебания, опираясь на упругие связи 3 малой жесткости. Режим работы контейнера далеко зарезонансный. Его колебания из-за большой массы подвижной системы и низкой жесткости упругих элементов передаются на основание станка 4 при уменьшенных значениях. Близкорезонансные режимы позволяют решить приведенные выше проблемы, но их применение связано с большими трудностями в расчетах и компоновке. Такие системы более чувствительны к воздействию дестабилизирующих факторов. Главными остаются две проблемы: обеспечение устойчивости колебаний подвижной системы детали и стабильности технологического процесса, снижение вибрационного воздействия на основание и фундамент. Для того, чтобы обеспечить близкорезонансный режим при 21 Гц нужно поднять собственную частоту до 17-20 Гц. При таких больших массах подвижных систем жесткость упругих элементов должна составлять 1 т/см, что окажет большое вибрационное воздействие на фундамент. Для решения этой проблемы предлагается новая компоновка, суть которой состоит в том, что нужно интенсивно вибрировать не всю массу, а только массу детали и ее оснастки, что в 10 раз меньше, чем при схеме с жестким креплением детали в контейнере за счет ее резонансной настройки. Контейнер настраивать в зарезонансном режиме.
На рис 5.14 приведен вариант модернизации вибростанка ВУД-2500 с применением упругого крепления детали к контейнеру. Здесь деталь 1 с подвижной системой и закрепленным на ней дебалансным валом 2 устанавливается на контейнер 5 на регулируемых пневмоупругих элементах 3 повышенной жесткости. За счет регулировки давления внутри пневмоупругих элементов осуществляется близкорезонансная настройка собственной частоты подвижной системы детали с вынуждающей частотой вибратора с двигателем 8.
При включении двигателя подвижная система начинает совершать близко резонансные колебания с ускорением 8-10 g, за счет жестких упругих элементов колебания передаются на контейнер, который совершает колебания в зарезонансном режиме с ускорением 4-5 g. Упругие элементы подвижной системы детали являются динамическими преобразователями кинетической энергии колебаний в потенциальную энергию, которая каждый период передается в колебательную систему. За счет мягких упругих элементов 4 контейнера на основание 6 передаются небольшие колебания 1-2 g. Для ускорения загрузки и выгрузки детали в контейнер предусмотрен откидной механизм 9, который позволяет выполнять смену деталей без удаления инструментальной среды из контейнера. Выгрузка инструментальной среды выполняется через люк 10.
