Введение к работе
Актуальность темы. В машиностроении большой объем занимают отде-лочно-зачистные и упрочняющие операции крупногабаритных деталей сложной формы. Виброударное упрочнение по схеме с жестким креплением детали обеспечивает формирование параметров качества поверхностного слоя и производительность процесса при значительных мошностных затратах привода (в зарезонансном режиме колебаний 1,5-2 кВт на 100 кг подвижной системы, при амплитуде перемещений 0,5-0,7 см). Это обусловлено значительной массой интенсивно вибрирующей подвижной системы вибростанка (15-20 кг подвижной системы на 1 кг обрабатываемой детали). Для оптимальной реализации технологического процесса виброударного упрочнения нет необходимости интенсивно вибрировать инструмент. При жестком креплении детали для достижения требуемых технологических параметров амплитуда скорости колебаний детали составляет 100-120 см/с, что соответствует при частоте вынуждающей силы и=100-120 с"' виброускорению 9-12g. При этих режимах обрабатывающие свойства инструмента ухудшаются. При этом затрачивается значительная мощность привода вибростанка. Помимо этого большая продолжительность машинного времени обработки снижает ресурс работы вибростанка (межремонтный ресурс вибрационного станка при обработке по схеме с жестким креплением детали составляет 300-500 ч).
В настоящей диссертационной работе исследуются процесс виброударного упрочнения по схеме с упругим креплением, детали, которая лишена отмеченных выше недостатков; условия формирования оптимальных обрабатывающих свойств инструмента и влияние этих свойств на параметры процесса; динамическая и математическая модели вибростанка; математическая модель формирования параметров качества поверхностного слоя при упругом креплении детали; технологические параметры процесса виброударного упрочнения при упругом креплении. Применение схемы с упругим креплением детали позволяет повысить качество и производительность обработки, снизить энергетические затраты за счет того, что контейнер будет совершать колебания за счет реакций упругих связей и, воздействуя на инструмент, придавать ему обрабатывающие свойства. При этом масса контейнера гасит вибрационные воздействия, передающиеся от интенсивно колеблющейся детали на фундамент. Вследствие динамической уравновешенности технологической системы, при близко-резонансном режиме колебаний детали и зарезонансном режиме колебаний контейнера возможна реализация близкорезонансных режимов обработки.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с направлением исследований проблемного совета «Вибротехнология» Южно-российского отделения Академии технических наук РФ.
2 Цель работы. Повышение качества и производительности процесса виброударного упрочнения при снижении его энергоемкости и вибрационного воздействия за счет упругого крепления детали к контейнеру.
Задачи исследования:
исследование обрабатывающих свойств инструмента и влияние их на параметры процесса;
разработка и исследование динамической и математической модели вибростанка с разным типом привода;
разработка и исследование математической модели формирования параметров качества поверхностного слоя при упругом креплении детали;
исследование технологических параметров процесса виброударного упрочнения при упругом креплении детали.
Методика исследований
Процесс виброударного упрочнения реализуется в условиях периодических соударений инструмента с обрабатываемой деталью и станком. Попытки достичь высокой эффективности технологии виброударного упрочнения без исследований динамики процесса не приводят к положительным результатам. Поэтому в настоящей работе исследование процесса виброударного упрочнения осуществляется с использованием теории виброударных систем, с учетом циркуляционных, энергетических, массовых и формообразующих свойств инструмента; строится динамическая модель технологической системы при упругом креплении детали к контейнеру, составляются и решаются уравнения движения элементов технологической системы вначале без учета, затем с учетом периодических соударений инструмента с деталью; определяются скоростные характеристики элементов технологической системы; исследуется процесс формирования технологических параметров шероховатости, наклепа, остаточных напряжений и производительность процесса виброударного упрочнения с учетом энергетических затрат и вибрационного воздействия на фундамент.
Автор защищает:
критические условия формирования оптимальных обрабатывающих свойств виброупрочняюшего инструмента; '
методику теоретических и экспериментальных исследований процесса виброударного упрочнения при упругом креплении детали;
закономерности влияния периодических соударений инструмента с деталью и станком на скоростные и энергетические параметры процесса;
закономерности формирования параметров качества поверхностного слоя в зависимости от режимов обработки;
условия использования близкорезонансных режимов процесса виброударного упрочнения с упругим креплением детали;
алгоритмы и программное обеспечение моделирования и расчетов процесса виброударного упрочнения с упругим креплением детали.
Научная новизна включает:
-
комплексный подход для определения необходимых и достаточных условий формирования обрабатывающих и энергетических свойств инструмента для виброударного упрочнения, обеспечивающих требуемое качество поверхностного слоя и производительность процесса, которые объективно представляются матрицей массовых, упруговязких и зазорных характеристик, зависящих от режимов обработки;
-
математическую модель виброупрочняющего станка, учитывающую структуру подвижной системы, вид привода и изменение обрабатывающих свойств инструмента от режимов обработки, которая позволяет получать ам-плитудочастотные и скоростные характеристики элементов технологической системы с учетом конструктивных особенностей вибростанка;
-
математическую модель зоны обработки, учитывающую упруговязко-диссипативные и зазорные характеристики инструмента, наличие упруго-диссипативной связи станка и обрабатываемой детали, которая позволяет получить скоростные и фазовые характеристики движений инструмента, детали и станка;
-
закономерности периодических соударений инструмента с деталью, которые учитывают скоростные и фазовые характеристики движения инструмента и детали, режимы обработки и конструктивные особенности пнбростанка и позволяют установить влияние величины периодических соударений на параметры технологической системы, смещающих собственную частоту колебаний детали на 10-15 % и уменьшающих амплитуду скорости колебаний на 25-30 %;
-
закономерности формирования параметров качества поверхностного слоя и производительности процесса виброударного упрочнения от режимов обработки, которые показывают, что при упругом креплении детали можно снизить энергетические затраты привода в 2-3 раза, уменьшить вибрационное
4 воздействие на фундамент в 3-4 раза при снижении высотного параметра шероховатости на 15-20 %, увеличении наклепа на 5-7 %, повышении величины остаточных сжимающих напряжений первого рода на 8-10 %.
Практическая ценность работы: разработаны динамические схемы и определены параметры вибростанка с упругим креплением детали к контейнеру, режимы виброударного упрочнения деталей сложной формы при офаниченных энергетических затратах и вибрационных воздействиях, методика расчета технологических параметров виброударного упрочнения на ПЭВМ.
Практическая реализация результатов работы: технологические рекомендации переданы для использования на Воронежский механический завод, материалы диссертации применялись в учебном процессе в курсе «Автоматизированные системы подготовки машиностроительного производства» (Воронежский государственный технический университет).
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на III Международной научно-технической конференции «Вибрационные машины и технологии» (Евпатория, 1998); Международной электронной научно-технической конференции «Автоматизация и информатизация в машиностроении» (Тула, 2000); научно-технической конференции «Вибрации в технике» (Ростов-на-Дону, 2000); научно-технической конференции «Проблемы строительства и механизации научно-производственных процессов» (Полтава, 2000).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ.
Структура и объем работы: диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы из 86 наименований, двух приложений. Основная часть диссертации изложена на 150 страницах, содержит 90 рисунков и 10 таблиц.
