Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. Цели и задачи исследований
1.1. Основные параметры, влияющие на производительность и качество поверхности при отделочно-зачистной обработке 4
1.2. Классификация машин отделочно-зачистной обработки в абразивных средах 7
1.3 Условия осуществления процесса ОЗО при центробежно-планетарной обработке 23
1.4 Цель и задачи исследования 27
2. Методика проведения исследований
2.1. План проведения, исследований 29
2.2. Экспериментальная установка 30
2.3. Общая методика проведения исследований 32
2.4. Математическая обработка экспериментальных данных 35
3. Теоретическое исследование процесса отделочно-зачистной обработки свободными абразивными средами
3.1. Виды движений массы загрузки в рабочих камерах 3 8
3.2. Кинематика центробежно-планетарной установки 45
3.3 Физическая сущность механизма съема металла абразивными частицами 64
3.4. Математическое моделирование металлосъма ЦПУ с вертикальными осями расположения камер и водила 72
4. Экспериментальное исследование параметров ОЗО в ЦПУ
4.1 Экспериментальное оборудование и характеристики материалов используемых в ходе проведения исследований 89
4.2 Исследование металл осъема ЦПУ методом полного факторного эксперимента . 90
4.3 Экспериментальные исследования влияния угла наклона оси вращения камеры к оси вращения водила на съем металла и на формирование шероховатости поверхности 112
4.4 Оптимизация параметров формирования шероховатости поверхности и съема металла 122
4.5 Сопоставление исследуемого способа обработки с пространственной маятниковой вибромашиной 125
5. Рекомендации по разработке ЦПУ и технологических процессов отделочно-зачистной обработки
5.1 Рекомендации по разработке ЦПУ 128
5.2 Технологические рекомендации и технологические процессы на типовые детали обрабатываемые в ЦПУ . 132
Основные результаты и выводы 135
Литература 137
Приложения
- Классификация машин отделочно-зачистной обработки в абразивных средах
- Кинематика центробежно-планетарной установки
- Исследование металл осъема ЦПУ методом полного факторного эксперимента
- Технологические рекомендации и технологические процессы на типовые детали обрабатываемые в ЦПУ
Введение к работе
Темпы развития технологии и оборудования в новом тысячелетии ставят насущные задачи поиска новых методов отделочно-зачистной обработки, обладающих высокой производительностью и широкими технологическими возможностями.
Одним из наиболее перспективных направлений является отделочно-зачистная обработка (030) деталей в центробежно-планетарных установках (ЦПУ), отличающаяся высокой интенсивностью процесса за счет использования центробежных Сил многократно превышающих силу тяжести, с закономерно изменяющимися параметрами силового поля.
К настоящему времени, предлагаемые математические модели кинематики ЦПУ, аналитические математические модели съема металла и получаемой шероховатости поверхности деталей не позволяют осуществить прогнозирование без предварительного экспериментального определения множества коэффициентов.
Ряд конструктивных разработок направленных на решение проблем процесса ОЗО, связанных с образованием застойных зон при движении массы загрузки в рабочих камерах ЦПУ, не нашли повсеместного распространения из-за сложности в использовании и обслуживании предлагаемых устройств, поэтому изучение кинематики и динамики ЦПУ, определение параметров и конструктивных решений интенсивного перемешивания массы загрузки внутри ЦПУ является актуальной задачей.
Целью настоящего исследования является: повышение эффективности отделочно-зачистной обработки деталей в центробежно-планетарных устройствах путем наклона осей вращения рабочих камер к оси вращения водила при обеспечении заданного качества поверхностного слоя обрабатываемых деталей.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Спроектировать и изготовить экспериментальное ЦПУ, оси вращения камер которого описывают конусообразные траектории относительно оси вращения водила принимая дискретные значения угла наклона.
Установить кинематические закономерности процесса центробежно-планетарной обработки от угла наклона осей вращения рабочих камер, позволяющие обоснованно выбирать конструктивные параметры центробежно-планетарной установки и технологические режимы обработки.
Разработать математическую модель прогнозирования съема металла и шероховатости поверхности с учетом изменения силового поля внутри рабочих камер центробежно-планетарной установки в зависимости от угла наклона осей вращения рабочих камер.
4. Экспериментально оценить адекватность математической модели съема
металла и шероховатости поверхности от параметров установленного сило
вого поля, частоты его изменения и угла наклона оси вращения камеры к оси
вращения водила.
Обосновать схему рациональной конструкции ЦПУ и определить экономическую эффективность процесса отделочно-зачистной обработки.
Разработать типовые технологические процессы на детали-представители, применительно к изделиям ЗАО "СО АТЭ" им. A.M. Мамонова.
*r ч*
Научная новизна:
Выявлены кинематические зависимости нового способа отделочно-зачистной обработки в центробежно-планетарных устройствах с наклоном осей рабочих камер к оси вращения водила. Установлена возможность создания больших градиентов силового поля в объеме технологической загрузки за счет вращения осей рабочих камер по конусообразной траектории, возможность реализации черновой и чистовой обработки в одном устройстве.
Получены аналитические зависимости изменений параметров переменного силового поля по сечению рабочей камеры при любых значениях: угла наклона оси вращения камер к оси водила; передаточных отношений между частотами вращений камеры и водила; чисел оборотов водила; радиуса рабочей камеры; расстояния между рабочей камерой и осью вращения водила. Установлено, что наибольший градиент объемного силового поля обеспечивается, когда отношение тангенциальной к нормальной составляющей силы больше динамического коэффициента трения.
Экспериментально установлено, что центробежно-планетарная обработка наиболее эффективна при наклоне рабочей камеры 5-10.
Практическая ценность работы заключается:
Разработана конструкция ЦПУ, реализующая черновую и чистовую обработку деталей в одном устройстве, оси вращения камер которого описывают конусообразные траектории относительно оси вращения водила, обеспечивающая заданное качество поверхностного слоя обрабатываемых деталей при повышении производительности от 2 до 3 раз и интенсивности перемешива-ния массы загрузки внутри рабочих камер по сравнению с неподвижными параллельными осями вращения камер и водила.
Разработаны технологические и конструктивные рекомендации обработки свободными абразивными средами в центробежно-планетарном силовом поле и выявлены диапазоны значений технологических факторов.
Результаты исследований апробированы в ЗАО "СО АТЭ им. A.M. Мамонова" на мелких деталях малой жесткости массой 10 - 50 гр.
Классификация машин отделочно-зачистной обработки в абразивных средах
Технологические возможности обработки деталей в свободных абразивных средах определили и основные направления их развития. Большое разнообразие способов ОЗО позволяет охватить широкий диапазон обрабатываемых деталей как по габаритам и массам, так и по видам обрабатываемых материалов и их физико-механическим характеристикам. Укрупнено весь диапазон деталей, обрабатываемых в жидкостно-абразивных средах применительно к изделиям среднего машиностроения и приборостроительного производства можно охарактеризовать следующими группами [1]: 1. Очень мелкие детали с наибольшими габаритными размерами до 5 мм и массой от долей грамма до 2 граммов; 2. Мелкие детали малой жесткости с наибольшими габаритными размерами до 25 мм и массой до 10... 15 граммов; 3. Мелкие объемные детали с максимальными габаритными размерами до 50 мм и массой до 300 граммов; 4. Средние детали с максимальными габаритными размерами до 70 мм и массой до 1 кг; 5. Крупные детали с габаритными размерами от 100 до 150 мм и массой до 1,5 кг; 6. Очень крупные детали с габаритными размерами от 150 до 300 мм и массой от 3 до 6 кг; 7. Крупногабаритные тяжелые детали с размерами 350...500 мм и массой 15...30 кг.
Приведенные 7 групп охватывают подавляющее большинство деталей машиностроения, приборостроения и других металлообрабатывающих отраслей промышленности (кроме тяжелого машиностроения). Для механизации обработки всех групп деталей разработано оборудование и технология с использованием разных способов обработки свободными абразивными частицами без жесткой кинематической связи обрабатываемой детали и инструмента-частицы.
Преимущество рассматриваемых способов обработки деталей в жидкост-но-абразивных средах - безразмерный характер осуществляемого процесса, т.е. детали обрабатываются по всем поверхностям, к которым имеется доступ абразивным частицам (гранулам) и химически активным рабочим жидкостям.
Для реализации процесса ОЗО накоплен огромный опыт создания оборудования, реализующего различные энергоносители для их осуществления. На рисунке 1.1 представлена классификация различных методов и устройств для их осуществления с указанием их конструктивных особенностей.
В классификатор включены наиболее характерные способы ОЗО, выполняемые в абразивных средах и апробированные в промышленности. В классификатор не включены разновидности, варьирующие химико-технологические параметры процесса, дополнительные электроэнергетические и магнитные воздействия, а также методы упрочнения поверхности пластическим деформированием, тепловым и взрывным воздействием (сжиганием заусенцев) и другие физико-химические технологии.
Классификатор содержит 5 основных классов, различающихся по видам энергетического воздействия, то есть способа передачи энергии обрабатывающей среде. Каждый класс разбит на подклассы по типам машин или устройств, конструктивно реализующих особенности этого класса.
Детали первой группы рекомендуется обрабатывать в ультразвуковых установках с концентрированным ультразвуковым полем, позволяющим локализовать зону активной кавитации в абразивно-жидкостной среде, в которой находятся обрабатываемые детали. Обработка производится с использованием микропорошков карбида бора или стандартных абразивных зерен карбида кремния черного или зеленого, монокорунда и др.
Важным преимуществом ультразвуковой абразивной обработки является ее высокая избирательность, так как кавитационные процессы и связанная с ними интенсивность обработки преимущественно протекают на острых кромках деталей, где и расположены заусенцы.
Общим недостатком ультразвуковой абразивной обработки, ограничивающим ее технологические возможности, является ограниченная величина заусенцев, что вынуждает устанавливать жесткие требования к состоянию вырубных штампов, а также большая энергоемкость ультразвуковых генераторов и сравнительно высокие их стоимость и затраты на обслуживание, что значительно снижает экономичность способа.
Указанные ограничения в применении ультразвуковой обработки в жид-костно-абразивных средах определяют пути поиска новых более совершенных и экономичных способов обработки мелких деталей [1].
Перспективными направлениями отделочной обработки мелких деталей являются разновидности струйных способов абразивной обработки, которые в последнее время активно развиваются в отечественной и зарубежной прак-тике [12].
Кинематика центробежно-планетарной установки
Для исследования кинематики движения рабочих камер, рассмотрим частный случай движения точки М расположенной на цилиндрической поверхности рабочей камеры, когда оси вращения водила и камер параллельны.
В общем случае поведения системы необходимо исследовать кинематику трехмерной модели ее движения, имеющую наклон рабочих камер по отношению к оси вращения водила. В качестве обобщающего критерия введем дополнительные переменные параметры - передаточное число и, угол наклона рабочей камеры /? и RB - фактическое расстояние от оси вращения водила до оси вращения камеры где: RB = RBO - h-sinp, RBO - расстояние от оси вращения водила до оси вращения дна камеры, h — высота технологической загрузки.
Для исследования влияния геометрических параметров устройства и их оптимизации, разработана программа для автоматического построения траекторий, скоростей и ускорений любой произвольной точки лежащей на поверхности рабочей камеры. Программа построена в среде Microsoft Excel, она позволяет помимо расчетов построить и графические изображения полученных зависимостей. Полученные с помощью программы результирующие величины перемещений, скоростей и ускорений для точки М представлены на рисунках 3.5- 3.10. Так как изменение числа оборотов водила п конструктивно не связано с изменением числа оборотов рабочей камеры (см. 2), число оборотов водила при построениях траекторий, годографов скоростей и ускорений принято постоянным п=120 об/мин. Радиус камеры принят также постоянным (г=100мм) поскольку в производственных условиях варьировать этим параметром затруднительно. Угол наклона между камерой и водилом при построениях принят (3=0, так как в исследуемых диапазонах варьирования этот параметр (см. 2) визуально не оказывает влияния на выполняемые построения. С целью исследования водопадного режима (с точки зрения большинства авторов [5, 19, 37 и др.] наиболее интенсивного) работы ЦПУ вертикального исполнения, были исследованы модифицированные числа Фруда Fr(n)=0,68; 0,83; 0,98 при радиусах водила RB=147 мм; 272мм; 410мм.
Кинематика камер при совпадающих направлениях вращений водила и камер, и передаточном отношении и= (йк/(йв= 1; RB=410; Fr(n)=0,98. а) перемещение [м]; б) скорость [м/с]; в) ускорение [м/с2] Правильность выбора составляющих скоростей и ускорений при графоаналитическом методе расчета, подтверждается построениями с помощью графоаналитического и аналитического методов, которые совпали.
Из представленных годографов скоростей и ускорений точки принадлежащей периферии камеры, очевидно, что как скорость, так и ускорение точки не являются постоянными величинами и в зависимости от положения камеры изменяются как по направлению, так и по величине, то есть на точку М будет воздействовать переменнее силовое поле.
Установлено, что при совпадающих направлениях вращений рабочих камер и водила, координаты точки принадлежащей периферии рабочей камеры изменяются от R до R+2r, а при противоположных направлениях вращений рабочих камер и водила, от R до R-2r с частотой равной величине и.
Установлено, что скорости и ускорения точки принадлежащей периферии рабочей камеры при значениях передаточного числа и=0, 0.5, 1, 2, 2.5 и 3 изменяют величину и направление от Vmjn=0, Wmjn до VmaxJ Wmax, создавая переменное силовое поле, параметры которого изменяются с частотой 0, 0.5, 1, 2, 2.5 и 3 за один оборот водила соответственно. То есть, количество изменений силового поля за один оборот водила, равно передаточному числу между камерой и водилом.
Исследование металл осъема ЦПУ методом полного факторного эксперимента
В качестве основных факторов и интервалов варьирования, влияющих на съем металла и на формирование шероховатости поверхности, исходя из априорной информации с учетом технологических возможностей экспериментальной установки приняты: -число оборотов водила п=120об/мин; 150 об/мин; 180 об/мин, -модифицированное число Фруда Fr(n)=0,830; 0,905; 0,980 определяющее режим движения массы загрузки при радиусах водила RB=272 мм; 341мм; 410мм, и передаточных числах между рабочей камерой и водилом: 2; 2,5; 3 при совпадающих направлениях вращений и 0,5, 0.75, 1 при противоположных направлениях вращений соответственно. - угол наклона осей камер к оси вращения водила Р=0; 5; 10.
В качестве исследуемых факторов были выбраны следующие конструк-торско-технологические параметры обработки единые как для съема металла, так и для формировании шероховатости поверхности: Xj - число оборотов водила, п (об/мин); Хг — модифицированное число Фруда Fr(n); хз - угол наклона оси вращения камеры к оси вращения водила, у (градусов).
Опыты проводились на плоских образцах из стали 20, меди М4, алюминия АД1 и на цилиндрических образцах из стали 20 и меди М4. Время обработки при изучении съема металла для совпадающих и противоположных направлений вращений камер и водила составляло 15 мин. В экспериментах, связанных с изучением формирования поверхностного слоя время обработки распределили на 6, 12, 18, 24 минуты для противоположных направлений вращений, а для совпадающих на 15,,30, 45, 60 минут при Fr(n)=0.98 и на 30, 60, 90, 120 минут при Fr(n)=0.83. Уровни и интервалы варьирова .t ния факторов, приведенные в таблице 4.1, выбраны с учетом технологических возможностей экспериментальной установки.
Объем предварительно обкатанного диабаза загружаемого в рабочую камеру составлял 1/3 от объема рабочей камеры и равнялся 2 дм3. Количество одновременно обрабатываемых деталей каждого вида 10 шт. Рабочая жидкость - 3% раствор кальцинированной соды.
Значения функций отклика М (мг/мин) и Ra (мкм), соответствовали следующим материалам и видам образцов: Mi(i;2); Rai(i;2) — плоские образцы из стали 20; Ra2; М2 — плоские образцы из меди М4; Ra3; М3 - плоские образцы из алюминия АД1; Ra4; М4 - цилиндрические образцы из стали 20; Ra5; М5 - цилиндрические образцы из меди М4;
Дисперсия воспроизводимости показывает, что все расчетные значения дисперсии меньше табличных значений, то есть все опыты являются воспроизводимыми.
Дисперсия адекватности оценивалась на основании сопоставления экспериментальных значений функции отклика Мі(і)И М1(2)При обработке образцов из стали 20 с соответствующими расчетными значениями, полученными при реализации математической модели с учетом парных взаимодействий.
Таким образом, значения коэффициентов, модуль которых при противоположных направлениях вращений водила и рабочих камер (движение по гипоциклоиде) при съеме металла меньше 0.5, при шероховатости поверхности 0.08 и при совпадении направлений вращений водила и рабочих камер (движение по эпициклоиде) при съеме металла меньше 0.3, при шероховатости поверхности меньше 0.1 являются незначительными.
Уравнения регрессии, составленные в окончательном виде для съема металла при противоположных направлениях вращений водила и рабочих камер (модели 4.50-4.54) показали, что все факторы на съем металла влияют положительно, а наиболее значимым фактором для всех обработанных образцов является число оборотов водила хь возрастание которого существенно влияет на центробежно-планетарную обработку (ЦПО). Вторым и третьим по значимости факторами, влияющими на ЦПО, являются фактор переда 102 точного числа между водилом и камерой х2 и фактор взаимного влияния
X]X2. Четвертым фактором, влияющим на металлосъем, является угол наклона оси камеры к оси вращения водила х3. Остальные факторы, являющиеся факторами взаимного влияния и по значимости от 2 раз до 30 раз меньше вышеперечисленных факторов и расположены по значимости в следующем порядке: Х]Х3, х2х3, х,х2х3.
Модели 4.55-4.59 показали, что на формирование шероховатости поверхности деталей при противоположных направлениях вращений камер и водила положительно влияют, уменьшая шероховатость деталей, фактор угла наклона оси вращения камеры к оси вращения водила х3 и сочетание х3 с другими факторами которые по сравнению с х3 малозначимы и расположены по зна-чимости в следующем порядке: х2х3, Х]Х3. Отрицательными факторами стали два сопоставимых по значимости фактора фактор Xi и фактор х2. Незначимым общим фактором, таким образом, при обработке всех образцов стал фактор Xix2x3. Помимо общего незначимого фактора при обработке стали 20 к незначимым факторам добавились факторы ХіХ2, х2х3, а при обработке пластин и цилиндров из меди М4 к незначимому общему фактору добавились факторы Xix2, х(х3, х2х3.
При совпадающих направлениях вращений водила и рабочих камер уравнения регрессии съема металла (движение по гипоциклоиде - модели 4.60-4.64) показали, что все факторы на съем металла влияют положительно, а наиболее значимым фактором, влияющим на ЦПО, является х2. Вторым по значимости фактором, меньшим в среднем на 10%, чем первый фактор, стал фактор xi. Следующим по значимости стал фактор Х]Х2 - влияние этого фактора меньше на 50%, чем влияние фактора х2. Далее по значимости расположился фактор х3 по значимости этот фактор в среднем на 55% меньше чем фактор Х]Х2. Остальные факторы, оказывают незначительное влияние на металлосъем: Х]Х3, х2х3, Хіх2Хз. Незначимым фактором при обработки образцов из меди М4 стал фактор хіх2х3.
Модели 4.65-4.69 показали, что на шероховатость поверхностей деталей при противоположных направлениях вращений камер и водила единственным фактором, уменьшающим шероховатость деталей, стал фактор х3. Остальными наиболее значимыми факторами влияющими отрицательно на шероховатость деталей оказались два сопоставимые между собой фактора влияющие отрицательно: xi и х2. Фактор Xix2 оказывал отрицательное влияние на шероховатость получаемой поверхности при обработке пластин из алюминия АД1. Остальные факторы оказались незначимыми.
Технологические рекомендации и технологические процессы на типовые детали обрабатываемые в ЦПУ
Для внедрения в промышленное производство разработанное ЦПУ разработаны типовые технологические процессы отделочно-зачистной обработки создающей переменное силовом поле (см. приложение №1). Технологические процессы разрабатывались для типовых деталей-представителей в зависимости от их размеров, формы и физико-механических характеристик материала на основании использования результатов проведенных экспериментальных и аналитических исследований.
ОЗО в ЦПУ с использованием свободных абразивных сред имеет широкий диапазон технологических возможностей, поэтому для каждой разновидности обработки существуют определенные специфические условия, определяющие выбор тех или иных режимов технологического процесса. Чтобы облегчить задачу выбора тех или иных режимов обработки, рекомендуется использовать программу, составленную в среде Microsoft Office Excel по методике расчета изложенной в главе 3.
При разработке технологических процессов обработки деталей необходимо следовать следующим технологическим рекомендациям: 1. Рекомендуемая рабочая жидкость - 3%-й раствор кальцинированной соды. 2. Форма, размеры, зернистость, твердость и другие характеристики абра зивного наполнителя определяются назначением обработки (снятие заусен цев, скругление кромок, шлифование, снятие окалины, полирование и другие), материалом и особенностями конфигурации обрабатываемых деталей. Масса гранулы наполнителя имеет большое значение при процессе резания, что уч тено при построении математической модели металлосъема. Влияние мас сы гранулы на металлосъем прямо пропорционально, т.е. крупные гранулы обеспечивают больший съем, чем мелкие, но обработанная поверхность имеет большую шероховатость. Зернистость абразивных гранул обратно пропорциональна получаемой шероховатости поверхностей т.е. при увели чении зернистости шероховатость обрабатываемых поверхностей деталей уменьшается. При обработке деталей, имеющих уступы, необходимо исполь зовать мелкие гранулы наполнителя для проработки зоны угла перехода. Если одновременно требуется значительное притупление радиусов на кром ках, то целесообразно использовать смесь мелких и крупных гранул. 4. Согласно проведенным исследованиям в работе [4] наибольшая эффек тивность обработки достигается при заполнении рабочей камеры технологической средой на 1/3 ее высоты, а при полирова нии рекомендуется увеличивать объем жидкости, при общем заполнении рабочей камеры технологической средой не бо лее 1/2 ее высоты.
1. Разработана схема механизма позволяющего увеличить производительность ОЗО и интенсифицировать перемешивание массы загрузки внутри рабочих камер, а также производить последовательно черновую и чистовую обработки за один цикл обработки деталей за счет изменения расстояния между осью вращения камеры и осью вращения водила с изменением передаточного числа.
2. Для обработки в ЦПУ рекомендуется использовать противоположные на-правления вращений камер и водила при угле наклона оси камеры к оси вращения водила 10 и нижеследующие режимы при гк= 100мм: для чернового режима, Fr(n)=0.98, RB=410MM, ІГ=ЮК/СОВ=3, п=180 об/мин; для чистового режима, Fr(n)=0.83, RB=272MM, и=юк/сов= 2.5, п=120 об/мин.
3. Даны технологические рекомендации по выбору технологических параметров обработки в разработанном центробежно-планетарном устройстве. Основные рекомендации: заполнение рабочей камеры технологической средой на 1/3 ее высоты; рекомендуемая рабочая жидкость - 3%-й раствор кальцинированной соды; для минимальных значений шероховатости обрабатываемых поверхностей деталей зернистость и масса абразивных гранул должна быть минимальная.
