Содержание к диссертации
Введение
Глава1 Состояние вопроса. цель и задачи исследования 9
Вибрационная обработка. Технологические возможности, основные характеристики процесса, типаж технологического оборудования 9
Обзор исследований производительности вибрационной обработки .., 19
Экологичность вибрационных технологических машин и пути ее улучшения 25
Выводы по главе и постановка задач исследования 32
Глава 2 Теоретическое исследование производительности вибрационной обработки 34
Влияние режимов виброабразивной отделочно-зачистной обработки на производительность процесса 35
Моделирование процесса виброударного упрочнения 46
Выводы по главе 76
Глава 3 Экспериментальные исследования производительности, шумо и виброактивности вибрационных станков 78
Методика экспериментальных исследований 78
Влияние режимов работы вибрационного технологического оборудования на показатели его производительности 39
Шумо- и виброактивность технологического оборудования., 101
Выводы по главе 113
Глава 4 Разработка рекомендаций по выбору рациональных технологических режимов и улучшению экологических характеристик оборудования для вибрационной обработки 111
Назначение рациональных и определение предельно допустимых амплитуд и частот вибрации...
Выбор рациональной виброзащиты 120
Мероприятия по снижению шума 125
Заключение 133
Общие выводы по работе 134
Литература 136
Приложения 147
- Обзор исследований производительности вибрационной обработки
- Моделирование процесса виброударного упрочнения
- Влияние режимов работы вибрационного технологического оборудования на показатели его производительности
- Выбор рациональной виброзащиты
Введение к работе
В условиях быстрой интеграции России в мировую экономическую систему важное значение приобретает конкурентоспособность продукции отечественного машиностроения, в значительной степени зависящая от надежности и долговечности ответственных деталей производимых машин. Это обстоятельство заставляет разработчиков современной техники широко применять технологические операции отделки и упрочнения, повышающие контактную жесткость, износостойкость и усталостную прочность нагруженных элементов конструкции за счет улучшения параметров шероховатости, повышения поверхностной твердости (или микротвердости), создания сжимающих остаточных напряжений. Среди разнообразия соответствующих технологических методов (механические, химические, термические, физические, комбинированные) особое место занимает вибрационная обработка. Универсальность метода обусловлена возможностью обработки деталей произвольно сложной геометрии, широчайшим кругом обрабатываемых конструкционных материалов, простотой изготовления и обслуживания технологического оборудования и др. Сущность метода состоит в массовом хаотическом воздействии на поверхность детали частицами рабочей среды (абразивными при выполнении виброшлифования и твердыми сферами при упрочняющей обработке), приводящем к удалению дефектных слоев металла, либо упрочнению на глубину от десятых долей до единиц мм. Движение рабочей среды при этом возбуждается вибрационным движением камеры, содержащей обрабатывающую среду и детали. Достижение высоких технико-экономических показателей процесса обеспечивается правильным выбором оборудования, схемы, режимов обработки, типа рабочей среды. Тем не менее, требование высокой производительности процесса часто вступает в
противоречие с его экологическими характеристиками - уровнем шума и вибраций на рабочем месте оператора. Решение этой проблемы может быть достигнуто фиксацией технологических режимов и созданием средств шумо-и виброзащиты, оптимально снижающих уровни шума и вибрации в возбуждаемом диапазоне частот и амплитуд. При этом, однако, процесс лишается одного из своих главных преимуществ - гибкости, т.е. возможности быстрой перенастройки для обработки других типов деталей. Преодоление этой трудности позволит существенно повысить технико-экономические и экологические показатели процесса и, в конечном итоге, качество изготавливаемой продукции при снижении общих издержек на ее производство.
Целью настоящей работы является разработка научно обоснованных методик выбора технологических и конструктивных параметров вибростанков, обеспечивающих с учетом экологических ограничений наибольшую производительность виброотделочной и виброупрочняющей обработки деталей, а также нормативные уровни вибраций на рабочем месте оператора.
Модель производительности процесса отделочно-зачистной вибрационной обработки, построенная в работе на основе комплексного экспериментального исследования, регрессионного анализа и применения методов подобия, позволила напрямую связать показатели производительности с динамическими характеристиками процесса и типоразмерами оборудования, и тем самым предложить методику рационального выбора режимов обработки с учетом конструктивных ограничений. Модели процессов высокоамплитудной виброударной обработки получены с использованием методов теории виброударных систем и прямого моделирования движения частиц среды с помощью дифференциальных уравнений явились методологической основой выбора рациональных режимов оборудования на операциях упрочнения деталей.
Экспериментально выявленные спектральные составы генерируемых вибрирующими элементами конструкции вибрационного станка, шума и вибраций позволили предложить методику обоснования средств вибро и шумозащиты оборудования для вибрационной обработки.
Научная новизна.
Установлены конструкторско-технологические соотношения,
обеспечивающие при виброабразивной отделочной обработке в вибростанках разных типоразмеров стационарность циркуляционного движения рабочей среды и качественно уточняющие расчетные зависимости для оценки производительности процесса.
Определен критерий эффективной загрузки рабочей средой камер вибростанков для виброударной высокоамплитудной упрочняющей обработки, позволивший описать физическую сущность механизма обработки наиболее распространенных технологических схем виброударного упрочнения одномассными моделями.
Предложен метод прямого численного моделирования для анализа эффективности протекания процесса виброударного упрочнения во времени; выявлены условия возникновения виброударных режимов целой и дробной кратности для различных технологических схем виброударного упрочнения.
Установлены источники вибраций и закономерности влияния амплитудно-частотных режимов на уровень вибраций, возбуждаемых вибростанками на рабочем месте оператора.
Практическая значимость.
Разработана методика выбора технологических режимов виброабразивной отделочной обработки для различных типоразмеров технологического оборудования, обеспечивающих с учетом конструктивных, технологических и экологических ограничений наибольшую производительность в условиях стационарного циркуляционного движения рабочей среды.
Для группы технологических схем виброударного упрочнения разработана методика выбора режимов, обеспечивающих с учетом размерных характеристик камер, амплитудно-частотного диапазона оборудования и экологических ограничений оптимальный с точки зрения производительности и качества поверхностного слоя характер движения частиц рабочей среды.
Разработана методика расчета уровней вибраций на рабочем месте оператора в зависимости от технологических режимов и типоразмеров вибростанков, а также рекомендации по их снижению в случае превышения их над нормативными.
Исследования проводились с привлечением математических методов подобия регрессионного анализа, теории виброударных систем, а также метода прямого моделирования движения частиц с помощью дифференциальных уравнений.
Экспериментальные исследования проводились в лабораториях кафедры «Технология машиностроения» Донского государственного технического университета и на ОАО «Роствертол».
Внедрены результаты теоретических и экспериментальных исследований работы на ОАО «Роствертол» для совершенствования технологий вибрационной обработки кронштейнов и фитинговых деталей.
Диссертация состоит из четырех глав, включающих анализ состояния вопроса, цель и задачи исследования (первая глава), теоретическое исследование производительности вибрационной обработки (вторая глава), экспериментальные исследования производительности, пгумо и виброактивности вибрационных станков (третья глава), разработку рекомендаций по выбору рациональных технологических режимов и улучшению экологических характеристик оборудования для вибрационной обработки (четвертая глава).
Автор защищает:
Теоретические соотношения, устанавливающие стационарность циркуляционного движения среды при виброабразивной отделочной обработке деталей и связывающие производительность процесса с типоразмером технологического оборудования, режимами и физико-механическими свойствами обрабатываемого материала.
Теоретические модели, описывающие физическую сущность типовых технологических схем виброударной высокоамплитудной упрочняющей обработки и метод их анализа путем прямого численного моделирования на ЭВМ с цель выбора наиболее эффективного по производительности режима обработки.
Результаты экспериментальных исследований производительности и качества поверхностного слоя, формируемого в процессе виброабразивной отделочной и виброударной упрочняющей обработки.
Методики выбора эффективных по производительности и эколргическим характеристикам технологий вибрационной обработки деталей, а также рекомендации по снижению уровней вибраций, возбуждаемых вибростанками в рабочей зоне оператора. Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались
на ежегодных научных конференциях ДГТУ в 1996-2004 г.г.., Международной конференции «Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы», Волжский, 1998-99 г.г., Ш, IV Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности», Санкт-Петербург, 1998-99 г.г., научной конференции «Проблемы динамики и прочности исполнительных механизмов и машин», Астрахань, 2004 г.
Обзор исследований производительности вибрационной обработки
Обсужденная в предыдущем разделе 1.1 неразрывная связь характеристик производительности и экологичности процессов вибрационной обработки должна быть рассмотрена на фоне экспериментальных данных, полученных в работах исследователей процесса. Сложность анализа и сопоставления этих данных будет вызвана тем, что они приводятся для разных материалов деталей, рабочих сред, технологических жидкостей, типоразмеров станков, видов обработки (грубая очистка, шлифование, полирование или упрочнение ППД [28]). Целью же данного раздела является выяснение влияния динамического состояния массы загрузки, обусловленного управляющими факторами процесса (главным образом, амплитуды и частоты), на его производительность и качество. Чтобы облегчить сопоставимость результатов, ограничимся рассмотрением только производительности (удельным съемом) процесса виброабразивной обработки в станках традиционной компоновки с применением наиболее распространенных СРЖ без повышенной химической активности и поверхностно-активных свойств. К сожалению, в большинстве работ приведены данные не по удельному съему, а съему, отнесенному ю всей поверхности детали. Корректное сопоставление таких данных невозможно, но характер зависимости съема от частоты и амплитуды при аккуратном выполнении экспериментов должен сохраниться. Анализ теоретических моделей, характеризующих производительность и качество процесса, отложим до теоретического раздела.
При всем многообразии имеющихся в литературе экспериментальных данных наиболее достоверными представляются результаты, приведенные в докторской диссертации А.П. Бабичева и цитируемые позже в нескольких монографиях. Зависимость съема металла от амплитуды колебаний исследовалась на станке с U- образной камерой объемом 25 л, загруженной на 2/3. Абразивная среда- дробленая крошка промывалась кальцинированной содой. Частота колебаний равнялась 25 Гц. Съем измерялся в течение 3 часов. Призматические образцы, открытые действию среды с одной стороны, свободно загружались в камеру. По данным экспериментов, выполненных с 3-5 повторениями, зависимость съема Q (не удельного, а обычного, измеряемого в граммах) от амплитуды Л является, с ошибкой менее 5%, линейной: а параметры прямой для исследованных материалов даны в таблице 1.3. Формула верна в диапазоне амплитуд от 1 до 5 мм. По таблице 1.3 построены графические зависимости на рис. 1.7. Хорошо виден рост съема с увеличением амплитуды колебаний. При малых амплитудах данные ненадежны, потому что движение абразивной среды отсутствует или неустойчиво. По-видимому, при малых амплитудах зависимость нелинейна, но этот диапазон не представляет интереса для практической технологии. Автором отмечается, что увеличение амплитуд до 6 мм приводило к увеличению съема, но опыты были прекращены из-за нештатного режима работы установки.
Зависимость съема металла от частоты колебаний исследовалась при тех же условиях эксперимента: на том же станке с U- образной камерой объемом 25 л, загруженной на 2/3. Съем замерялся после 1 часа. Частота колебаний выбиралась из ряда фиксированных значений:
Для каждого исследованного материала определены параметры аппроксимирующей кривой, на их основе построены графические зависимости рис. 1.8. Формула (12) верна в исследованном диапазоне частот. Приведенные на рис. 1.8 зависимости показывают, что при малых частотах, когда движение среды отсутствует, съема металла не наблюдается. С увеличением частоты выше ненлорой оптимальной, соответствующей наиболее интенсивному движению загрузки, прирост съема снижается. Это явление наблюдалось рядом авторов при частотах свыше 60 Гц в торовых станках.
Рис. 1.8. Зависимость массового съема металла с с разцоФСт частоты колебаний (абразив ЭБ63СЖ грануляции 25-40мм, амплитуда 1,5 мм, время 1 час). Данные [5,22] Зависимость съема металла от объема загрузки исследовалась крайне редко [5, 114], что можно объяснить нецелесообразностью частичного использования рабочего объема камеры. Исследования А.П. Бабичева проводились при описанных выше условиях эксперимента: на станке с U- образной камерой объемом 60 л, загруженной на 1/3, 2/3 и полностью. Частота колебаний равнялась 25 Гц. Съем замерялся после 1 часа. Результат представлен на рис. 1.9.
Автор увеличении загрузки с ростом давлений и вызываемых этим контактных сил при взаимодействии абразива с поверхностью деталей. Замедление нарастания съема объясняется уменьшением скорости движения среды. Позже, в работе [114] эти явления детально изучались в связи с динамическим состоянием массы загрузки, причем качественные данные [5] получили убедительное обоснование с помощью методов подобия. В [П4] показана также сильная зависимость интенсивности процесса от траектории колебаний и формы камеры.
Подводя итог материалу раздела, необходимо отметить, что среди факторов, управляющих параметрами производительности вибрационной обработки, можно выделить группу факторов, связанных исключительно с вибростанком. Это режимы (амплитуда, частота, форма траектории) и характеристики камеры (объем, форма, свойства стенок). Надежно установлено, что с ростом режимов производительность растет, но этот рост ограничивается требованиями качества (ухудшается шероховатость), прочности и долговечности элементов конструкции вибростанка, уровнем создаваемого шума и вибраций.
Несмотря на наличие большого числа разновидностей вибростанков, в промышленности нашли применение сравнительно немного их типов [77, 80]. Представляется перспективным на основе обобщения большого количества экспериментального материала создать группу моделей, описывающих влияние перечисленных факторов на производительность процесса. При этом экологические требования могут стать ограничениями, позволяющими выявить области оптимальной работы вибрационного оборудования. Рассмотрим характер этих требований и средства снижения уровня вибраций и шума вибростанков.
Моделирование процесса виброударного упрочнения
В отличие от виброабразивной обработки, где съем является главным и практически единственным показателем производительности процесса, для виброударного упрочнения такой универсальный показатель отсутствует. При упрочняющей обработке поверхностей деталей с целью повышения их контактной жесткости и износостойкости задачей обработки является создание слоя с повышенной микротвердостью достаточной толщины (глубины упрочнения). Возможности процесса иллюстрируют рис. 2.4-2.7. 50Щ—Т50 - не 0 Ш 200 ЭОО &, : Рис. 2.4. Изменение Нц в поверхност- Рис. 2.5. Изменение Нц в поверхностном слое при обработке стали ном слое при обработке стали где F- сила соударения частиц среды с упрочняемой поверхностью, т, - предел текучести материала детали. При этом предполагается, что поверхность детали сплошь покрыта пластическими отпечатками. Таким образом, эффективность процесса зависит главным образом от динамических характеристик процесса, т.е. от скоростей встречного движения частиц среды и детали. Это обстоятельство заставляет чаще всего применять при виброупрочнении схему обработки с закреплением детали, т.к. при свободной загрузке деталь увлекается конвективными потоками среды, и за счет этого встречная скорость уменьшается. На базе основополагающих работ А.П. Бабичева исследования процесса виброударного упрочнения проводились В.П. Устиновым [107], В.Б. Юркевичем [116], А.А. Ромашовым [84], Е.В. Матюхиным [70], В.А. Лебедевым [66]. В настоящее время это направление развивается также Ю.Р.Копыловым [59-61] и его учениками. Наиболее систематические исследования, выполненные Е.В. Матюхиным применительно к технологиче ской задаче упрочнения металлообрабатывающего инструмента, позволили уточнить зависимость получаемой микротвердости от режимов и времени обработки. И ft, хг/мм? Рис. 2.8. Влияние времени обработки (t), амплитуды вибрации (А), диаметра шарика на значение поверхностной микротвердости сталей Х12М и Р18 (5=35 Гц): 1,2- А=2 мм; 3,4 — А=2,5 мм; 5,6 - А=3,5 мм; 1, 3, 5 - d=8 мм; 2, 4,6 - d=14 мм Из графиков на рис. 2.8 видна превалирующая зависимость результатов упрочнения от амплитуды колебаний, что подтверждает зависимость (2.16). Кроме того, зависимости от времени носят экстремальный характер. Иначе говоря, процесс упрочнения за определенное время достигает порога насыщения, после чего начинается разупрочнение (или перенаклеп), сопровождающееся ухудшением состояния поверхности. Экспериментами установлено, что роль частоты вибраций при упрочнении отличается от таковой при виброабразивной обработке. А именно, частота определяет общее количество ударов частиц, воспринятых поверхностью детали, тем самым отвечая за сплошность покрытия поверхности отпечатками. Однако сила удара, форми рующая отпечаток требуемой глубины, зависит, главным образом, от амплитуды. Это соображение иллюстрируется рис. 2.9 - 2.12. Приводимые иллюстрации 2.9 - 2.12 и 2.13, 2.14 построены проектированием полиномиальной модели, полученной планированием эксперимента, на плоскости факторного пространства. Они демонстрируют практически линейную зависимость результатов упрочнения от амплитуды вибрации при достижении частотой и временем соответствующих пороговых значений. Превышение этих пороговых значений не дает прироста микротвердости и глубины упрочнения. Эксперименты с датчиком силы соударений, размещенным внутри камеры показали стохастичность параметров соударений. Так, лишь небольшая часть ударов частиц приводила к пластической деформации. Изменение положения датчика (детали) внутри камеры существенно меняло характер распределения сил ударов. Удаление датчика от активного днища камеры резко ослабляло динамическое воздействие среды (рис. 2.13,2.14).
Упрочняющая обработка поверхностей деталей с целью повышения их усталостной прочности позволяет увеличить предел усталости и долговечность, в основном, за счет создания поверхностного слоя со сжимающими остаточными напряжениями (рис. 2.15) и улучшения шероховатости (устранение микроконцентраторов напряжений). Как правило, повышение поверхностной твердости оказывает недостаточное влияние на усталостную прочность деталей [96, 108]. Тем более что многие конструкционные материалы не обладают свойством упрочнения при многократной циклической деформации [105].
Это так называемые циклически стабильные материалы (рис. 2.16), к которым относится большинство конструкционных сплавов на основе алюминия. Вверху - мягкое нагружение; внизу - жесткое нагружение.
Согласно действующим технологическим инструкциям Национального института авиационных технологий (НИАТ) все несущие детали летательных аппаратов из конструкционных деформируемых алюминиевых сплавов, подвергаемые виброупрочнению, контрхшируются на распределение остаточных напряжений. Например, лонжерон лопасти вертолета из сплава АВ после виброупрочнения должен иметь величину сжимающих напряжений 120 МПа на глубине 0,35 мм
Влияние режимов работы вибрационного технологического оборудования на показатели его производительности
В данной части работы производилась экспериментальная проверка модельных соотношений (2.15), определяющих величину удельного объемного съема металла с поверхности образцов из материалов различной твердости при варьировании частоты, амплитуды и размеров рабочей камеры. Обязательным условием проведения экспериментов было устойчивое циркуляционное движение абразивной рабочей среды, что достигалось выбором режимов, удовлетворяющих неравенствам в (2.15). В экспериментах необходимо было установить соответствие экспериментальных точек характеру зависимости от перечисленных варьируемых параметров, а также независимость коэффициента К от этих параметров. Как отмечалось в главе 2, ко эффициент К, имеющий размерность А — і— - должен зависеть только от зернистости, твердости, грануляции абразива, свойств технологической жидкости, веса детали. Так как специальное исследование зависимости производительности процесса от перечисленных факторов не входило в задачи работы, эксперименты проводились при однородных условиях, описанных в 3.1. Для сопоставления данных, полученных в U-образной и торовой камерах объем торовой камеры полагали равным площади ее рабочего сечения, умноженной на ширину. Число твердости образцов по Бринеллю определялось с помощью твердомера и для высокопрочных сталей пересчитывалось из твердости по Виккерсу на основе справочных данных (см. табл. 3.3). Основными рабочими средами были ПТ и фарфоровый шар, в обеих были показаны качественно одинаковые зависимости интенсивности процесса от варьируемых факторов. Однако, большая зернистость и, соответственно, производительность, достигаемые при обработке в призмах ПТ, позволяли измерять величину съема с большей точностью. Поэтому ниже приводятся графики, полученные при обработке именно в этой среде.
Наиболее существенная зависимость для решения задач работы приведена на рис. 3.5. Величина коэффициента К для использованных материалов и сред определена из заимствованных экспериментальных данных [97]. Учитывая очень большой разброс измерений потери веса образца, следует признать, что совпадение экспериментальных данных с предсказаниями модели в пределах 15% можно считать очень хорошим. Превалирующим фактором интенсивности процесса является амплитуда колебаний. Частота влияет существенно слабее, что подтверждается данными других исследователей. Жирной линией на графике выделена область предельных режимов, характеризующихся резким повьппением уровня шума привода вибростанка и нарушением устойчивости движения среды, что проявлялось в наложении на циркуляционное движение среды периодического подбрасывания. По-видимому, расположение этой области зависит от конструктивного исполнения станка, степени износа и объема загрузки. Зависимость интенсивности процесса от объема загрузки иллюстрируется рис. 3.6, где приведены результаты, полученные на различных вибростанках при рабочем объеме камер 1л, Юл, 35л, 150 л. Увеличение объема загрузки сопровождается повышением съема, что отмечалось во 2 главе. Модельная зависимость правильно описывает характер и величину вариации съема. Отметим, что представленные результаты получены при том же значении коэффициента К=ЗЛ0 3 (сталь 3 +- абразив ПТ), что и на рис. 3.5. Этот факт подтверждает правильность описания закономерностей съема моделью (2.15) ьэо. УВГ Ю: пт ; Для изучения влияния свойств материала детали на интенсивность съема был проведен эксперимент со всеми материалами, перечисленными в табл. 3.3 при одинаковых условиях: А=2,5 мм, /=26 Гц, К=10 л, среда ГГГ. Модель (2.15) учитывает только твердость материала НВ, хотя, по-видимому, на процесс абразивного изнашивания влияют также вязкость и пластичность материала. Однако полученные результаты (рис. 3.7) показывают, что твердость является важнейшим фактором. Кроме того, эти результаты дают дополнительное доказательство адекватности модели (2.15).
В завершение обсуждения приведенных и всех полученных результатов необходимо сказать, что проведенные эксперименты и теоретическая модель, адекватность которой они подтверждают, выявили уточненную количественную связь режимов обработки с показателем ее производительности, позволив, исходя из требуемой производительности, назначить рациональные режимы с учетом конструктивных ограничений, обусловленных конструкцией привода, подвески и прочностью станка.
Экспериментальной проверке подвергали технологические схемы, приведенные на рис. 2.22, а (ВЭД), б (ВУЭ-10); схемы в, г (ВЭД) рассматривались, как одна и та же схема. На эксцентриковой виброустановке ВЭД имелась возможность плавной регулировки режимов, в то время, как вибростенд ВЭД работал с фиксированной частотой 16 Гц и амплитудой 10 мм. При проверке схем а, в, г изменяемым параметром был зазор камеры в вертикальном направлении. Образцы размером 12x8x100 мм прикрепляли к оправке с помощью винтов на краях. После обработки необработанные края отрезали, тыльные стороны образцов угоняли фрезерованием до 2 мм в специальном приспособлении, после чего подвергали измерению остаточных напряжений и сканированию поверхности. В результате экспериментов определяли равномерность покрытия поверхности образца пластическими отпечатками (рассеяние по диаметру отпечатков и по их межцентровому расстоянию) на компьютерной системе анализа изображений СИАМС600 и эпюру остаточных напряжений - на комплексе АСКОН-ЗКАИ. Материалом образцов служили деформируемый алюминиевый сплав АВТ и сталь 40ХН2МА
Некоторые типичные компьютерные фотографии, снятые с поверхности образцов, приведены нарис. 3.8.
Построение статистических характеристик отпечатков производилось с помощью программ Adobe Photoshop (измерение диаметров и расстояний) и MathC AD 2000 (расчет и построение графиков). При разрешении 1600 1200, обеспечиваемом матрицей, преобразующей изображение в растровый bmp - файл, ошибка в определении расстояний составляла около 0.02 мм. Численные результаты измерения остаточных напряжений, выданные системой АСКОН-ЗКАИ в виде ASCII-файла, также загружались в систему MathCAD для усреднения по трем опытам и построения графиков.
В связи с тем, что конечная цель работы была ограничена формулированием условий рациональной работы вибрационного технологического оборудования при выполнении экологических требований к уровням шума и вибрации, вопросы влияния режимов, марки конструкционного материала детали на диаметр пластических
отпечатков специально не исследовались. Задачей проводимых экспфиментов была проверка основных теоретических положений работы, а именно, влияния режимов работы вибростанка и размерных характеристик на стационарность и кратность виброударных колебаний, на развиваемые при этих режимах скорости частиц, равно-мфность покрытия поверхности пластическими отпечатками и величину создаваемых вибронаклепом остаточных напряжений
Выбор рациональной виброзащиты
Аналитические зависимости, приведенные в [43] и установленные закономерности в распределении вибраций станков показали, что снижение виброактивности абразивных станков в месте установки может быть достигнуто тремя путями: 1. Изменением компоновки, т.е. моментов инерции Jx, Jy, Jz [40]. 2. Установкой машины на подошву, которая крепится к нижней части рамы и ее размерами, определяемыми по формулам [86, 87]. 3. Увеличением коэффициента tj колебательной энергии [18, 75]. 6 настоящее время первый путь практически невозможен, поскольку конструкция и технология изготовления вибрационных станков отработаны. Добиться достижения предельно-допустимых уровней вибрации при стационарной установке станка на фундамент можно расчетом необходимой площади подошвы. Величина коэффициента потерь может быть задана из соответствующей справочной литературы. По нашему мнению, вибрационные станки должны быть оснащены индивидуальными подошвами. В этом случае добиться соблюдения санитарных норм за счет размеров подошвы далеко не всегда возможно, т.к. размеры подошвы не должны намного превышать размеры основания установки. При таком подходе наиболее технически обоснованным решением является подбор требуемой величины коэффициента потерь при ограничениях, накладываемых на размер подошвы. Коэффициент потерь стали имеет малую величину и в большинстве случаев принимается равным 1,2-10"3. Для увеличения коэффициента потерь колебательной энергии применяются различные вибропоглощающие покрытия. Принимая для нормального колебания амплитуду о [ — 1 найдем Р] как частное от деления работы на этом смещении амплитудой силы Ргтах на удвоенную кинетическую энергию нормального колебания. Допустимое значение вибрации на этой частоте составляет 0,063 м. Для достижения нормативного значения следует обеспечить значение коэффициента потерь ij = 0,28. Для этого согласно данным работ [91, 101,103] подложка должна представлять собой двухслойную среду. Применение индивидуальной подошвы обеспечило выполнение санитарных норм вибрации на рабочем месте (рис. 4.1). 800 Экспериментальные исследования шума и вибрации станков показали, что уровни шума превышают допустимые на 5-8 дБА. Эю не позволяет внедрять новые прогрессивные технологические процессы вибрационной обработки в производство и требует проведения комплекса мероприятий по снижению шума и вибрации. С целью снижения шума вибрационных станков разработаны способы вибропоглощения и звукоизоляции [29, 115]. Способ вибропоглощающего покрытия заключается в приклеивание одной или нескольких однородных пластин к основной металлической поверхности. При таком способе покрытия могут быть выполнены в виде мастик, наносимых на металлическую основу методом ыгпателирования и затем затвердевающих. Полимерные вибро-поглощающие материалы, используемые в таких покрытиях, должны быть достаточно жесткими. Однако резина, поролон и другие мягкие полимерные материалы, как вибропоглощающие прослойки не подходят.
В качестве вибропоглощающих прослоек могут быть использованы армированные покрытия расположенные между металлическими листами, которые играют роль армирующих слоев. Приближенный расчет составных пластин, выполненных из металлических и полимерных материалов, производится в первом приближении в предположении квазистатической деформации и дает надежные результаты по сходимости с экспериментальными данными в широком интервале частот 63-4000 Гц [79,82,83]. Коэффициент потерь составной конструкции определяется по формуле [3]: жесткость Ї-ГО элемента конструкции; т]І - коэффициент потерь. Индекс /=1 относится к основному элементу, остальные / = 2,3, ...,«-к вибропоглощающим материалам. Эффективность вибропоглощающего покрытия, характеризуется разностью уровней вибрации демпфированной конструкции до и после нанесения вибропоглощающего покрытия, которые определяются по формуле: где 7]}, В], т} - коэффициенты потерь, изгибная жесткость и поверхностная масса до нанесения покрытия; Щи, ВВп, твп - аналогичные параметры после нанесения покрытия. Коэффициенты Р, М и ЛҐ зависят от режима возбуждения. Для пласти ны при резонансном колебательном процессе и силовом возбуждении со ставляют ]: Р = 20, М= 10 и #=10. Эффективность вибропоглощающих покрытий особенно на резонансных частотах достигается увеличением коэффициента потерь конструкции. Увеличение коэффициента потерь обратно пропорционально уменьшению колебательной энергии при широкополосном возбуждении. Оптимальное расположение покрытия на конструкции и подбор толщины может значительно увеличить эффективность покрытия. Определить толщину покрытия можно в зависимости от соотношения коэффициента потерь конструкции и модулей упругости материала покрытия и металлической конструкции, на которую наносится покрытие. При этом установлено, что располагать покрытие следует в зонах конструкции с наибольшими вибрациями.
Расположение промежуточного слоя (к примеру, пенопласт ПХВ-2) между металлическим элементом и вибропоглощающим слоем в ряде случаев приводит к увеличению жесткости покрытия. При этом увеличивается момент инерции вибропоглощающего слоя относительно нейтральной плоскости изгиба конструкции в целом. Это приводит к увеличению вклада жесткости слоя, что сопровождается увеличением теряющейся в нем колебательной энергии. Сопоставление эффективности однородного покрытия, нанесенного непосредственно на металлические элементы конструкции, и такого же покрытия, соединенного с металлическим элементом промежуточным легкого материала, при одних и тех же весах вибропоглощающего покрытия, показывает, что таким образом можно увеличить суммарный коэффициент потерь в 2-3 раза.
