Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ исследований в области совершенствования технологии стабилизации напряжений в изделиях машиностроительного производства 14
1.1 Причины возникновений внутренних напряжений в процессе изготовления изделий машиностроительного производства 14
1.2 Роль накопленной деформации в упругих чувствительных элементах малогабаритных датчиков давления типа МД – ТП и их влияние на стабильность работы прибора 20
1.3 Классификации методов стабилизации напряжений в чувствительных элементах датчиков давления 25
1.4 Патентный поиск способов и устройств релаксации напряжений металлических изделий основанных на энергии ультразвука 27
1.5 Ультразвуковой метод стабилизации механических и геометрических параметров изделий. 33 1.6. Вывод 38
Глава 2. Математическое моделирование процесса ультразвуковой релаксации остаточных напряжений и стабилизации пара метров круглых пластин 40
2.1 Исходные данные и принятые ограничения 40
2.2 Остаточная деформация круглой упругой пластины при наличии в ней остаточных напряжений 41
2.3 Способ ультразвуковой стабилизации геометрических параметров круглых металлических пластинах 50
2.4 Разработка алгоритма и программы моделирования 56
2.5 Анализ полученных результатов 61
2.6 Вывод 67
Глава 3. Методика проведения экспериментальных исследований
3.1 Объект исследований 68
3.2. Экспериментальная установка, метрологические средства 71
3.3 Методика рационального планирования экспериментов и обработки результатов 75
3.4 Вывод 83
Глава 4. Обработка результатов экспериментальных исследований 85
4.1 Влияние условий ультразвуковой стабилизации на геометрические параметры круглых пластин 85
4.2 Проверка адекватности математической модели 90
4.3 Методика выбора рациональных условий обработки 92
4.4 Сравнительный анализ изменения свойств и структуры материала в результате воздействия ультразвуковых механических колебаний 97
4.5 Вывод 102
Глава 5. Разработка технологических рекомендаций и технико экономическое обоснование 103
5.1 Область практического применения предложенной технологии 103
5.2 Разработка технического задания на создание промышленного оборудования для ультразвуковой стабилизации деталей типа круглых пластин 105
5.3 Расчет экономической эффективности промышленного примене ния результатов исследований 111
5.4 Вывод.. 115
Заключение 116
Список использованных источников
- Классификации методов стабилизации напряжений в чувствительных элементах датчиков давления
- Остаточная деформация круглой упругой пластины при наличии в ней остаточных напряжений
- Методика рационального планирования экспериментов и обработки результатов
- Сравнительный анализ изменения свойств и структуры материала в результате воздействия ультразвуковых механических колебаний
Введение к работе
Актуальность. В точном машиностроительном производстве значительную долю составляют различного рода приборы и датчики, основными элементами которых являются упругие чувствительные элементы типа круглых пластин.
Упругая тонкостенная деталь типа круглой пластины сопряжена с деталями сложного механизма, которые соединяются между собой в основном с помощью винтов и прочих резьбовых соединений. Большое количество пружин возвратного типа, внутренних люфтов подвижных механизмов, способствует в процессе работы возникновению накопленной деформации круглой пластины, что влияет на стабильность показаний в процессе эксплуатации датчика давления типа МД – ТП. Стабильность характеристик круглой пластины во времени может измениться вследствие пластической ползучести материала, которое может возникнуть при нормальной температуре и накопленной деформации. Это связано с неоднородностью структуры материала и появлением в его микрообъемах остаточных напряжений при изготовлении. Для исключения данного явления в режиме эксплуатации круглые пластины подвергаются стабилизации – специальной технологической обработке, так называемой «тренировке», при которой равномерно распределенная циклическая нагрузка действует на круглую пластину под действием жидкости или газа, эмитируя реальную работу прибора. Данная операция подразумевает под собой искусственную стабилизацию накопленной деформации круглой пластины с целью получения стабильных показаний датчиков давления. Тренировка в течение нескольких часов проходит сначала при отрицательной температуре, затем при повышенной температуре и обычно осуществляется неоднократно. Такая технология связана с большими затратами и не всегда обеспечивает требуемую точность показаний приборов.
Альтернативой традиционной технологии «тренировки» чувствительных элементов приборов давления может служить ультразвуковая технология. Ультразвуковая технология, применяемая с различной целью при обработке конструкционных материалов, нашла свое отражение в исследованиях отечественных и зарубежных ученных С.И. Агапова, Б.Н. Монахова, А. И. Маркова, О.В. Абрамова, В. Е. Накоря-кова, Б. Г. Новицкого, М. А. Маргулиса, Т. Мейсона, Л. Бергмана, В.Ф. Казанцева, Л. Д. Розенберга, Б.М. Бржозовского, Н.В. Бекренева, Белоцкого, В.Н. Винниченко, Е.А. Житникова, О.В Захарова, А.В. Королева, Ю.З. Лесюка, И.М. Муха, А.П. Петровского, J. Kleiman, H. Gao, R. Dutta, R. Huizenga, M. Amirthalingam, M. Hermans, T. Buslaps and I. Richardson, B. Houston, D. Kumabe и других. В работах и исследованиях этих и других ученых глубоко изучены процессы воздействия ультразвука на жидкие и кристаллизирующиеся металлы, возможность применения ультразвука в процессах обработки металлов давлением, особенности влияния виброударных ультразвуковых колебаний на процессы свободной и закрытой осадки, плющения и ковки металлов и сплавов, возможности ультразвуковой виброударной очистки деталей, механизм жидкофазной ультразвуковой обработки, процессы ультразвукового диспергирования и гидроабразивной обработки, возможность применения ультразвука при получении металлов и полупроводников повышенной чистоты.
На основе анализа перечисленных методов, способов и технологических процессов можно сформулировать очевидные достоинства ультразвуковой обработки: исключительная широта диапазона технологического применения ультразвука – от размерной обработки твердых материалов до неразъемного соединения (сварки, пайки, и т.д.) деталей или интенсификации химико-технологических и электрохими-
ческих процессов, сравнительная несложность эксплуатации промышленных установок, возможность автоматизации и механизации.
В работах М.Г. Бабенко, С.В. Слесарева, выполненных под руководством проф. А.В. Королева, показана высокая эффективность технологии ультразвуковой релаксации остаточных напряжений в деталях типа колец подшипников. Согласно результатам экспериментальных исследований, представленных в этих работах, при использовании ультразвукового метода релаксации происходит существенное сокращение затрат времени и энергии при более стабильных результатах по геометрическим параметрам изделий в сравнении с термическими методами. Однако остается открытым вопрос о возможности эффективного применения ультразвуковой обработки для стабилизации накопленной деформации в деталях типа круглых пластин, применяемых в качестве упругих чувствительных элементах в датчиках давления.
Поэтому тема диссертации, направленная на исследование механизма и разработку технологии стабилизации накопленной деформации круглых пластин, применяемых в датчиках давления, на основе применения ультразвуковой энергии, является актуальной.
Целью работы является повышение производительности процесса стабилизации деформации упругих элементов типа круглых пластин, применяемых в датчиках давления, способом ультразвукового механического воздействия.
Методы и средства исследований. Теоретические исследования процесса стабилизации накопленной деформации круглых пластин основываются на методах технологии машиностроения, расчетно-аналитических методах материаловедения и сопротивлении материалов, на математическом моделировании режимов ультразвуковой обработки, теории полного факторного планирования эксперимента. Экспериментальные исследования базировались на применении ультразвукового генератора «МЭФ 15». Разработка математической модели проводилась в среде MathCAD V15. Эмпирические данные обрабатывались в программе Microsoft Excel с использованием методов математической статистики. В качестве измерительных средств использовалась высокоточная аттестованная измерительная техника ООО ЭПО «Сигнал» и СГТУ имени Гагарина Ю.А.
Научная новизна работы:
-
Исследован механизм изменения размерной точности круглых пластин, возникающих из-за асимметрии эпюр накопленной деформации относительно главных осей поперечных и продольных сечений пластин, происходящих в процессе их тренировки и эксплуатации под действием циклических нагружений.
-
Предложена математическая модель процесса ультразвуковой стабилизации, отражающая влияние основных технологических факторов, что позволило научно обосновать технологию ультразвуковой стабилизации накопленной деформации круглых пластин, применяемых в датчиках давления.
-
Установлена и формализована экспериментальная зависимость основных показателей процесса ультразвуковой стабилизации накопленной деформации круглых пластин от основных технологических факторов: внешней нагрузки, времени обработки и амплитуды колебаний, подтвердившая адекватность математической модели.
4. Разработано методическое обеспечение для определения рациональных условий ультразвуковой стабилизации круглых пластин, предложены рациональные условия ее осуществления.
Практическая ценность и реализация работы:
– разработана технология ультразвуковой стабилизации накопленной деформации круглых пластин, позволяющая повысить стабильность измерения приборов давления и многократно снизить потребное время тренировки приборов и связанные с этим затраты;
– создана экспериментальная конструкция ультразвуковой установки на базе генератора «МЭФ 15», с целью стабилизации накопленной деформации круглых пластин, путем воздействия на ее поверхность ультразвуковыми колебаниями;
– предложены рациональные условия осуществления ультразвуковой стабилизации накопленной деформации в круглых пластинах.
Технология ультразвуковой стабилизации деформации круглых пластин рекомендована к внедрению в технологический процесс стабилизации упругих чувствительных элементов датчиков давления типа МД – ТП Энгельсского приборостроительного объединения ООО «Сигнал».
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается лабораторными исследованиями, выполненными с применением современных методов планирования экспериментов и обработки экспериментальных данных, а также показателями эффективности опытно-производственного применения разработанной технологии и практических рекомендаций.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
– Региональной научно-практической конференции с международным участием «Молодые ученые – науке и производству», Энгельс, 2013;
– Всероссийской заочной научно-технической конференции «Проблемы исследования систем и средств автомобильного транспорта», Тула, 2015;
– V Международной научно-практической конференции «Техника и технологии: пути инновационного развития», Курск, 2015;
– II Международной научно-практической конференции «Наука, технологии и инновации в современном мире», Уфа, 2015;
– ежегодных научно-технических конференциях молодых ученых СГТУ имени Гагарина Ю.А. (2011-2015 гг.);
– заседаниях кафедры «Технология машиностроения» СГТУ имени Гагарина Ю.А.
– на заседаниях совета Института электронной техники и машиностроения СГТУ имени Гагарина Ю.А. (2013-2015 гг.).
Публикации. Всего автор имеет 17 публикаций. По результатам исследований опубликовано 6 работ, в том числе 2 статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ, 2 статьи в изданиях ближнего зарубежья. Получено положительное решение о выдаче патента по заявке RU №2015135341 «Способ стабилизации геометрических параметров детали».
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка использованной литературы из 107 наименований, 3 приложений. Диссертационная работа изложена на 140 страницах машинописного текста.
Классификации методов стабилизации напряжений в чувствительных элементах датчиков давления
Образование остаточных напряжений при различных технологических процессах происходит различным образом. В основе их возникновения обычно лежат необратимые объемные изменения в материале.
Возникновение остаточных напряжений в процессе предварительной пластической деформации является одним из наиболее широко распространенных процессов. Как правило, данная деформация возникает при охлаждении или нагревании тела.
Образование остаточных напряжений после нагрева и охлаждения возникает в случае неравномерного распределения температуры по сечению детали. Величина и характер температурных напряжений зависят от скорости нагрева и охлаждения, от размеров и формы детали, от коэффициентов теплопроводности и теплопередачи. Большое значение имеет скорость охлаждения и температура, с которой начинается охлаждение [42].
С повышением температуры, от которой производилось охлаждение, максимальные напряжения увеличиваются. Особенно резкое увеличение напряжений происходит при t0 500 C. Наибольшие напряжения получаются при максимальной скорости охлаждения в воде (осевые напряжения до 600 МПа), а при охлаждении на воздухе напряжения не превышают 60 МПа.
Остаточные напряжения образуются в случае неравномерного нагрева по сечению детали. При быстром охлаждении детали наружные ее слои, охлаждающиеся быстрее, будут растянуты. Сердцевина под действием более холодных слоев будет сжата. Если в этот момент возникающие напряжения окажутся выше предела пропорциональности при данной температуре, то произойдет пластическая деформация. Возможен случай, когда температурные напряжения в наружных слоях превысят предел прочности металла и образуется трещина («горячая трещина»).
При дальнейшем охлаждении детали интенсивность охлаждения наружных слоев уменьшается, и разность температур между поверхностью и сердцевиной также уменьшается. В этот момент поверхность уже имеет темпера- 15 туру, практически равную температуре окружающей среды, и дальнейшая температурная деформация наружных слоев прекращается. Сердцевина, имеющая более высокую температуру, будет продолжать интенсивно охлаждаться, изменяя объем. Если наружные слои были пластически деформированы в первый период, то в некоторый момент второго периода, когда температура сердцевины еще достаточно высокая, наступает равновесие между наружными слоями и сердцевиной и напряжения в детали будут равны нулю. При дальнейшем охлаждении наружные слои будут деформироваться мало, а сердцевина будет стремиться существенно, сокращаться. Поэтому сердцевина будет сжимать наружные слои, которые, в свою очередь, будут растягивать сердцевину. В момент окончания процесса охлаждения величина напряжений может превысить предел упругости и произойдет повторная пластическая деформация, но уже обратного знака [62].
Образование остаточных напряжений после закалки обусловлено главным образом скоростью охлаждения. На образование остаточных напряжений влияет химический состав металла, условия закалки, начальная температура и скорость охлаждения, а также исходное состояние поверхностного слоя.
Существенное влияние на характер и величину суммарных напряжений оказывает время перемены знака тепловых напряжений по отношению ко времени появления структурных превращений. Если структурные превращения появились до перемены знака тепловых напряжений, то суммарные напряжения уменьшаются. Если структурные превращения произошли после перемены знака тепловых напряжений, то суммарные напряжения увеличиваются.
При поверхностной закалке характер эпюры остаточных напряжений зависит от режима нагрева, глубины закаленного слоя, условий охлаждения, химического состава и исходной структуры обрабатываемой стали [26].
Варьируя частоту тока и тепловой режим нагрева, можно получить разную глубину закаленного слоя и различный характер распределения остаточ-- 16 ных напряжений по глубине изделия.
С увеличением количества углерода сжимающие остаточные напряжения в поверхностном слое уменьшаются из-за преобладающего действия структурного фактора. Возле поверхности в закаленном слое остаточные напряжения (осевые и тангенциальные) – сжимающие. Вблизи границы слоя напряжения резко уменьшаются и переходят в растягивающие, максимум которых располагается на некотором расстоянии от границы закаленного участка.
Основной причиной возникновения растягивающих остаточных напряжений вблизи твердого слоя являются объемные пластические деформации в процессе нагрева и охлаждения.
Остаточные напряжения возникают в результате неоднородной пластической деформации в различных технологических процессах (ковка, штамповка, прокатка). Пластическое формоизменение может производиться при нормальной и высокой температуре.
Величина остаточных напряжений, возникающих в результате обработки давлением при низкой температуре, зависит от степени обжатия и глубины деформации [29].
Растрескивание прокатанного металла, как с поверхности, так и в сердцевине происходит тогда, когда остаточные напряжения после прокатки с большими степенями обжатия превышают предел прочности материала.
Одной из главных причин появления остаточных напряжений при горячей обработке давлением является неравномерное охлаждение детали в процессе обработки. Кроме того, обрабатываемая деталь испытывает значительные силовые воздействия.
Остаточная деформация круглой упругой пластины при наличии в ней остаточных напряжений
Ниже представлен анализ выявленных в результате поиска технических решений по тематике исследований.
Большое количество найденных в результате патентного поиска документов относится к методам релаксации остаточных напряжений посредством виброобработки, среди которых наиболее распространены методы, связанные с воздействием ультразвуковых колебаний на изделие. По воздействию на металл вибрационный метод эквивалентен длительному естественному старению, во многих случаях он может заменить дорогостоящую термическую обработку.
Например, в патенте [78] ультразвуковой обработке подвергают цилиндровую втулку высокофорсированного дизеля на устойчивой резонансной частоте в 19 - 21 кГц с амплитудой колебаний в 50 - 80 мкм путем увеличе ния потребляемой мощности до 3 - 3,5 кВт и времени обработки до 10 - 12 мин. Предложенный способ стабилизации остаточных напряжений в поверхностном слое цилиндровой втулки повышает работоспособность конструкции путем снижения остаточных напряжений с 200 - 250 МПа до 0 - 15 МПа и их стабилизации во времени.
Из патента [79] известен способ релаксации остаточных напряжений, включающий введение в контакт с деталью инструмента, представляющего собой источник ультразвуковых колебаний, и поворот детали вокруг своей оси. Деталь закрепляют на неподвижной опоре в виде призмы, источник ультразвуковых колебаний устанавливают на жестко фиксированном расстоянии от опоры, поворот детали осуществляют периодически после некоторого времени обработки в каждом фиксированном положении детали.
Однако данный способ характеризуется низкой производительностью и низким качеством обработки, так как релаксация осуществляется неравномерно вдоль поперечного сечения детали, а также вдоль оси детали большой протяженности.
На повышение эксплуатационной надежности прецизионных деталей высокофорсированного дизеля направлено техническое решение по патенту [80], включающее вибрационное старение, которое осуществляют ультразвуковыми колебаниями на устойчивой резонансной частоте в 15-18 кГц с амплитудой колебаний в 25-45 мкм и временем обработки прецизионных деталей до 7-9 мин.
Из патента [81] известен способ управления процессом виброобработки маложестких деталей, включающий регулируемое воздействие механических колебаний посредством вибровозбудителя на размещенную на опорах деталь, при этом опоры перемещают по длине детали для изменения расположения зон пучностей механических колебаний и измеряют температурное поле детали для характеристики распределения в ней остаточных напряжений, процесс виброобработки завершают при достижении постоянных значений температуры по всей длине деталей, близких к значениям, измеряемым в пучно-29 стях механических колебаний детали. Способ заключается в повышении эффективности виброобработки, достигаемой путем повышения эксплуатационной прочности деталей за счет регулируемого снижения в них уровня остаточных напряжений до некоторых их минимальных значений.
Из патента [82] известен способ снятия остаточных напряжений объекта, включающий: (a) приложение вибрации к объекту в некотором диапазоне частот; (b) наблюдение за вибрацией объекта для определения опорной частоты, на которой амплитуда вибрации собственной моды составляет одну третью от максимальной амплитуды вибрации на собственной частоте объекта и определения оптимальной частоты, на которой частота и амплитуда гармоник соответственно больше чем частота и амплитуда гармоник опорной частоты; (c) приложение вибрации к объекту на найденной оптимальной частоты в течение продолжительного времени.
Следует также отметить ряд других патентов, относящихся к конструкциям устройств для вибрационной обработки, используемым для вибрационного старения деталей и снятия остаточных напряжений для повышения их размерной стабильности.
Например, из патента [83] известно устройство для вибрационной обработки, направленное на повышение эффективности и производительности обработки маложестких длинномерных деталей типа вал с достижением следующих технических результатов: повышение степени стабилизации геометрии вала в межоперационный и эксплуатационный периоды за счет максимального снижения уровня остаточных технологических напряжений и обеспечения его равномерности по длине детали за счет амплитудно-модулированного воздействия на заготовку, общее снижение времени обработки из-за сокращения промежуточных, стабилизирующих структуру материала операций, снижение энергоемкости процесса изготовления вала за счет исключения термических стабилизирующих операций. Согласно данному техническому решению, устройство для вибрационной обработки включает переднюю и заднюю опоры, рабочий орган и вибровозбудитель, содержащий ротор с выступами и упорные ролики, причем ротор с выступами выполнен в виде кулачков с многогранным профилем, устанавливаемых относительно заготовки в местах, соответствующих зонам образования пучностей соответствующих гармоник в заготовке, упорные ролики подпружинены к кулачкам с заданным усилием, а передняя и задняя опоры выполнены с возможностью подпружинивания заготовки, приводимой во вращение, с регулируемым коэффициентом жесткости.
Однако данное устройство предназначено для виброобработки только вращающихся изделий, таких как валы. При вращении вала ролики перемещаются по поверхности установленных на валу кулачков со сложной поверхностью и за счет этого генерируются колебания вала с частотой kn, где k - число выступов на кулачке, а n - число оборотов в секунду.
Методика рационального планирования экспериментов и обработки результатов
Выполненные исследования позволяют решить задачу снижения погрешности приборов, в которых в качестве упругого чувствительного элемента датчика давления применяется круглая металлическая пластина, путем разработки эффективной технологии стабилизации деформации круглых металлических пластин. Так как одним из основных факторов, оказывающих влияние на остаточную деформацию пластины, является число циклов на-гружения, то этот фактор и следует использовать для решения поставленной задачи. На практике многие предприятия с этой целью осуществляют так называемую тренировку приборов. Тренировка заключается в том, что приборы перед окончательной тарировкой длительное время работают в тренировочном режиме на специальном стенде, где пластина нагружается рабочей средой – жидкостью или газом, имитируя работу прибора в процессе эксплуатации. Но такая тренировка малоэффективна, так как длится очень продолжительное время (до 30 циклов подача - сброс давления) и при этом затрачивается большое количество энергии. Максимальное повторение количества циклов варьируется от 3 до 7.
На наш взгляд эффективность тренировки приборов, имеющих в качестве упругого чувствительного элемента круглую металлическую пластину, можно существенно повысить, если использовать ультразвуковой способ стабилизации пластины, обеспечивающий высокую частоту колебаний пластины, а, следовательно, снижение время тренировки, при котором обеспечивается потребное число циклов нагружения.
Технологическая операция стабилизации остаточных напряжений круглой пластины основывается на методе релаксации остаточных напряжений путем воздействия колебательных движений ультразвуковой частоты.
Данная технологическая операция обеспечивает возможность исключения искажения геометрических параметров деталей, под воздействием нагрузки, и повышении качества обработки.
Стабилизации остаточных напряжений круглых пластин достигается тем, что в способе, включающем закрепление детали на опоре и установку источника ультразвуковых колебаний с возможностью деформации детали, деталь в виде круглой пластины закрепляют по ее краю, источник ультразвуковых колебаний подводят к центру пластины, а пластину деформируют на допустимую силу нагружения пластины, равную: P ±t„ (2.35) [d d Ї o-41n d2 d (! + //) где d - наружный диаметр пластины, мм; do - диаметр наконечника ультразвукового инструмента, мм: 8 - толщина пластины, мм; ц - коэффициент Пуассона материала пластины; Jt - предел текучести материала пластины, МПа. Так как деформацию детали ограничивают возникновением в пластине напряжений, не превышающих предел текучести, то это предотвращает искажение геометрической формы детали в процессе обработки. Данным способом возможна обработка пластины любой формы, в том числе круглой, что расширяет технологические возможности способа.
Схема технологической операции стабилизации геометрических параметров круглых пластин изображена на рис. 2.2 Рис 2.2 - Схема технологической операции стабилизации геометрических параметров круглых пластин (1 - круглая пластина; 2- контур жестко защемляющий круглую пластину; 3 - наконечник ультразвукового инструмента)
На круглую пластину 1, которая представляет собой упругий чувствительный элемент (мембрану) толщиной 8 и диаметром d, жестко защемленную по контуру в корпусе 2, воздействуют инструментом 3 колебаниями ультразвуковой частоты. Наконечник инструмента 3, имеющий диаметр d0, устанавливают перпендикулярно к поверхности круглой пластины 1 и воздействуют на нее статическим усилием P, сообщая колебательные движения ультразвуковой частоты в пределах 18-22 кГц. С помощью статического усилия P деталь деформируют на величину(2.35) не превышающую предела упругой деформации пластины. Для предотвращения концентрации напряжений поверхности пластины по краям, кромки наконечника 3 имеют округления.
При такой деформации в пластине возникают напряжения изгиба, не превышающие предела текучести материала, что исключает потерю исходной геометрической формы [64].
Отличительной особенностью схемы ультразвуковой стабилизации, изображенной на рис. 2.2, от схемы «тренировки», изображенной на рис. 2.1, является то, что сила воздействия на пластину не распределена по ее поверхности, а сосредоточена в центре пластины на небольшой круговой площадке диаметром do, а частота колебаний пластины соответствует частоте колебаний ультразвукового генератора f. Поэтому в формуле (2.31) число циклов нагружения равно / = f, где t - время от начала обработки.
Энергия, затрачиваемая на колебательные движения предлагаемым способом, отличается от энергии, затрачиваемой при стандартной технологической тренировке. Элементарная энергия деформации пластины при воздействии на нее сосредоточенной силы равна: dU = P(X)-dl. (2.36) Здесь сила Р(Л) складывается из двух составляющих: постоянной нагрузки Р0 и нагрузки Ра (Л), создаваемой в результате деформации пластины от перемещения наконечника инструмента. Указанная нагрузка равна: Pa(A) = j-A, (2.37) где Ар - амплитуда колебаний пластины, мм.; j - жесткость пластины, Н/мм. Раскрывая в равенстве (2.36) значение Р(Л) и подставляя в него выражение (2.37), получим: dU = (P0+Pa(A))-dA = (P0+J-A)-dA. (2.38) Пластина совершает вынужденные колебания с частотой инструмента /. Но собственная ее частота отличается от этой частоты. Несложно показать, что частота собственных колебаний пластины намного ниже ультразвуковой частоте колебаний инструмента. Поэтому пластина будет совершать сложные не гармонические колебания. Амплитуду перемещения пластины можно определить, если известна собственная частота ее колебаний.
Сравнительный анализ изменения свойств и структуры материала в результате воздействия ультразвуковых механических колебаний
Ультразвуковая установка состоит из: блока генератора МЭФ 15 (Рис. 3.4.), механической части установки, преобразователя и концентратора. Акустическая система установки выполнена на пьезоэлектрических кольцах.
Блок генератора выполнен на транзисторах и оснащен необходимыми органами управления и индикации, защитой, регулировкой и стабилизацией амплитуды, автоматической подстройкой частоты, сетевым фильтром.
На станине установлена вертикальная направляющая, вдоль которой свободно перемещается подвижный хомут с жестко сопряженным пьезокерамиче-ским ультразвуковым преобразователем. На рабочем столе установки устанавливается монтажная плита.
Далее на монтажную плиту с помощью переходника, крепится измерительный тензометрический элемент для контроля подаваемой статической нагрузки P (Н). С помощью переходника датчик давления типа МД – ТП устанавливается на измерительный тензометрический элемент. На конце ультразвукового преобразователя, в цапфе при помощи резьбового соединения, закреплен инструмент в виде наконечника с плоским торцом изготовленного из материала ВК-8.
Ультразвуковой преобразователь при перемещении подвижного хомута по вертикальной направляющей имеет возможность, через резьбовой штуцер датчика давления типа МД - ТП, прижиматься к обрабатываемой поверхности круглой пластины с помощью наконечника с плоским торцом. Сила прижима обеспечивается специальным грузом, контролируемым в реальном времени измерительным тензометрическим элементом.
Приведем характеристики наиболее важных приборов и приспособлений применяемых в ходе проведения эксперимента и общий принцип работы. Индикатор часового типа МИГ 0.001 (Рис. 3.6) предназначен для изме рения линейных размеров абсолютными и относительными методами, определе ния величины отклонений от заданной геометрической формы и взаимного рас положения поверхностей. Рис.3.6 - ATORN Индикатор часового типа прецизионный.
Тензометрический датчик (Рис.3.7) – это основной измерительный элемент, используемый в электронных весах и весоизмерительных системах. Принцип действия тензодатчика основан на преобразовании механической деформации, возникающей при нагрузке датчика, в электрический сигнал. Затем тензодатчик передает полученный электронный сигнал на индикационный прибор, отображающий полученный результат в цифровом виде.
Так же стоить, особо, отметить принцип измерения амплитуды колебаний инструмента. В ряде случаев необходимо производить измерения амплитуды колебаний поверхности излучателя или какого-либо инструмента, с ним соединенного. Для этого обычно используются специальные приборы - виброметры либо прецизионные индикаторы часового типа.
При конструировании приборов для измерения амплитуды колебаний, одним из условий для этих приборов является независимость их показаний от частоты. В связи с этим для измерения амплитуды используют системы, управляемые сопротивлением (датчики), в датчиках же смещения применяют систему, управляемую упругостью; в датчиках ускорения - систему, управляемую массой.
Визуальный метод не исключает субъективности измерений и имеет ограниченную разрешающую способность измерения амплитуды колебаний, но, тем не менее, широко применяется в условиях отсутствия сложного и дорогостоящего оборудования.
С целью измерения амплитуды колебаний инструмента и амплитуды колебаний маложесткой детали типа круглой пластины в предлагаемом исследовании, было сконструировано специальное приспособление, чертежи которого подробно изложены в приложении III.
На рис. 3.8 приведена общая схема установки приспособления для измерения амплитуды колебаний. Принцип работы заключается в следующем, на монтажную плиту экспериментальной установки с помощью переходника, крепится измерительный тензометрический элемент для контроля подаваемой статической нагрузки. С помощью переходника (Приложение III, чертеж 5) устанавливается прецизионный индикатор часового типа ATORN. Далее с помощью сконструированной втулки переходника (Приложение III, чертеж 4) производится накрутка специально сконструированной втулки внутренний характер которой повторяет геометрию приемного узла датчика давления. Далее при необходимости, в случае замера амплитуды колебаний, маложесткой детали типа круглой пластины, устанавливается прижимное кольцо (Приложение III, чертеж 2) для обеспечения ее жесткого защемления, путем навинчивания крышки (Приложение III, чертеж 1).