Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ показателей процесса вибрационного сверления отверстий и пути их интенсификации 9
1.1. Особенности процессов вибрационного сверления, классификация и анализ способов формообразования отверстий 9
1.2. Особенности конструкций оборудования, приводов, инструмента и технологий сверления отверстий с вибрационными осевыми колебаниями 21
1.3. Стружкообразование при сверлении отверстий малого диаметра 38
1.4. Зависимости, взаимосвязи показателей процесса вибрационного сверления с технологическими факторами и пути интенсификации параметров процесса резания 43
1.5 Анализ влияния высокочастотных колебаний на работоспособность сверла малого диаметра и его кинематические факторы 48
1.6. Выводы по первой главе 57
Глава 2. Разработка методик исследований и моделирования процесса сверления отверстий малого диаметра с введением высокочастотных осевых колебаний в зону резания 59
2.1. Концепция построения процесса сверления отверстий малого диаметра с введением высокочастотных осевых колебаний 59
2.2. Выбор объектов исследований, схем и способов обработки 62
2.3. Экспериментальные установки, оборудование и условия проведения исследований 66
2.4. Разработка принципиальной кинематической схемы, элементов электродинамического вибрационного привода и компоновка установки 76
2.5. Разработка узлов экспериментальной установки для сверления отверстий малого диаметра (1...2 мм) с осевыми колебаниями частотой 0,5...2 кГц 86
2.6. Методика статистического анализа и планирование эксперимента 93
2.7. Выводы по главе 97
Глава 3. Построение моделей процесса сверления отверстий малого диаметра с наложением высокочастотных осевых колебаний 100
3.1. Моделирование кинетических и динамических характеристик процесса высокочастотного осциллирующего резания 100
3.2. Математическая модель процесса сверления с дополнительными осевыми гармоническими колебаниями 105
3.3. Математическая модель осевых вибраций при прерывистом процессе резания - сверления и обоснование способа обработки 114
3.4. Теоретическая разработка параметров циклограммы высокочастотных осевых колебаний 119
3.5. Динамическая модель консольной части сверла 124
3.6. Исследования характеристик температурного поля при сверлении инструментом малого диаметра 130
3.7. Выводы по главе 141
Глава 4. Экспериментальные исследования процесса сверления 144
4.1. Выбор оптимальных рабочих углов сверла при обработке с осевыми вибрациями 144
4.2. Результаты планирования эксперимента с входными и выходными параметрами процесса вибрационного сверления 151
4.3. Технология дискретного сверления отверстий малого диаметра с наложением высокочастотных осевых колебаний 158
4.4. Достижение повышения технологических показателей процесса вибрационного сверления отверстий малого диаметра за счет введения высокочастотных осевых колебаний инструмента 160
4.5. Выводы по главе 168
Заключение и общие выводы по работе 170
Библиографический список 173
Приложения 183
- Особенности конструкций оборудования, приводов, инструмента и технологий сверления отверстий с вибрационными осевыми колебаниями
- Разработка принципиальной кинематической схемы, элементов электродинамического вибрационного привода и компоновка установки
- Теоретическая разработка параметров циклограммы высокочастотных осевых колебаний
- Достижение повышения технологических показателей процесса вибрационного сверления отверстий малого диаметра за счет введения высокочастотных осевых колебаний инструмента
Введение к работе
Актуальность темы. Традиционные методы обработки резанием продолжают занимать важное место в современном машиностроении. К числу таких процессов относится сверление отверстий. Несмотря на весомые успехи известных технологий, проблемой остается высокопроизводительная обработка глубоких отверстий малого диаметра (1-2мм) в труднообрабатываемых металлах, включая, коррозионно-стойкие стали. Отверстия указанного вида широко распространены в деталях и конструкциях различных узлов. Это вставки прессформ, различные форсунки, распылители, элементы охлаждающих систем, детали топливной аппаратуры и другие изделия.
Помимо высокой трудоемкости получения малых отверстий, технологи сталкиваются с малой стойкостью инструмента, низкой производительностью и нестабильным качеством поверхностей.
Известные комбинированные методы обработки отверстий не всегда приемлемы, поэтому механические методы их изготовления являются базовыми на многих предприятиях, тем более хорошие результаты показывает вибрационное сверление. Однако ранее применяемые при обработке отверстий низкочастотные колебания (50-200 Гц) исчерпали себя. Поэтому необходимо создание новых технологических процессов, например, с использованием высокочастотных (500-2000 Гц) осевых колебаний инструмента.
Анализ показывает, что до настоящего времени отсутствуют разработки по теории и проектированию технологического процесса и средства высокочастотной электродинамической вибрационной обработки, что не позволяет использовать этот метод сверления отверстий на практике. Имеющаяся теория не учитывает связь технологических показателей процесса высокочастотной виброобработки с режимными факторами, условиями внешних наложений вибраций, стойкостью инструмента, производительностью и многими другими факторами.
В связи с этим нами сформулирована концепция высокочастотного (диапазон 0,5-2,0 кГц) дискретного сверления глубоких отверстий. Она показывает, что при дискретном сверлении, в определенных условиях, скорость удаления припуска обрабатываемого материала возрастает пропорционально величине технологических вибропараметров, причем без возрастания температурно-силовых показателей. Это обеспечивает возможность интенсификации процесса обра-
ботки и существуют весомые предпосылки создания технологии на базе нового способа формообразования отверстий малых диаметров.
Положительные результаты наших предварительных исследований по разработке нового способа высокочастотной электродинамической вибрационной обработки явились обнадеживающими. В итоге был создан эффективный процесс глубокого сверления отверстий малого диаметра в коррозионно-стойких материалах. Считаем, что данная тема работы отвечает современным требованиям и запросам машиностроения и приборостроения, она является актуальной.
Работа выполнялась в рамках программы АТН РФ «Новые технологические процессы» на 1995-2010гг. и Планом госбюджетной работы ГОУВПО "Курский государственный технический университет".
Цель работы. Исследование особенностей дискретной высокочастотной электродинамической вибрационной обработки и технологических параметров процесса получения отверстий малого диаметра с целью разработки технологии и средств инструментального обеспечения высокоэффективного сверления.
Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи исследований.
-
Установить влияние осевых высокочастотных электродинамических колебаний сверла на стружкообразование и параметры процесса резания.
-
Разработать методики исследований, выявить закономерности и влияние электродинамических высокочастотных колебаний инструмента на формообразование глубоких отверстий малых диаметров, элементы режима резания и выходные параметры процесса.
-
Разработать математическую и уточнить физическую модели процесса сверления отверстий малых диаметров, с наложением на инструмент осевых колебаний высокой частоты (0,5-2,0 кГц).
-
Разработать способ, средства инструментального обеспечения и технологию эффективного высокочастотного вибросверления глубоких отверстий диаметром (1-2мм) в коррозионно-стойких сталях.
5. Провести экспериментальные исследования и промышленную апробацию способа и технологии дискретного высокочастотного вибрационного сверления отверстий малого диаметра.
Методы исследований. При выполнении работ применяли основные положения теорий резания металлов, пластического деформирования, теории электромагнитных и механических колебаний, основы электротехники и магнетизма, динамики станков, методы статистического анализа, численного моделирования и другие. В эксперимен-
тальных исследованиях использовалось современное станочное и измерительное оборудование; вычислительная техника.
На защиту выносятся:
1. Результаты исследования процессов, протекающих при высокочастотной электродинамической обработке отверстий малого диаметра, и комбинированном воздействии дискретного вибрационного глубокого сверления, на основе которых предложен новый способ обработки (поданы заявки на изобретения).
2 Установленные зависимости и построенные математические модели взаимосвязей технологических параметров (подача, скорость резания, амплитуда и частота виброколебаний, условия обработки) процесса сверления отверстий малого диаметра с наложением высокочастотных осевых колебаний с показателями (микрогеометрия поверхности, стойкость инструмента, время обработки).
3. Методику проведения комплексного исследования механизмов высокочастотного вибрационного резания - сверления, включающую: выбор условий обработки и построение моделей процесса вибрационного сверления отверстий малого диаметра с наложением высокочастотных осевых колебаний; численное моделирование параметров с учетом кинетических и динамических характеристик процесса; расчет и особенности проектирования тяговых сил электромагнитов и электродинамического двухполевого вибровозбудителя.
Научная новизна работы включает:
-
Установленный механизм влияние осевых высокочастотных колебаний сверла на стружкообразование и параметры процесса резания, объясняющий как наложенные извне электродинамические колебания способствуют снижению негативного фактора ударного действия режущих кромок инструмента и интенсифицируют процесс мелкого дробления образующийся стружки, что способствует стабилизации температурно-силовых показателей, создает эффект выглаживания и повышает стойкость инструмента.
-
Разработанную математическую и уточненную физическую модели процесса дискретного сверления с наложением на инструмент осевых колебаний высокой частоты (0,5-2,0 кГц), подтверждающих установленные закономерности технологических взаимосвязей входных параметров с выходными параметрами процесса сверления, на базе которых создано устройство (заявка № 2008130462) и предложен новый способ обработки.
3.Теоретическое обоснование рациональных диапазонов технологических параметров процесса высокочастотного вибрационного
резания в комбинации с принудительным прерыванием процесса сверления при пошаговой схеме съема припуска по глубине отверстия, обеспечивающих высокопроизводительную и качественную обработку отверстий малого диаметра в коррозионно-стойких сталях.
Практическая значимость работы.
- На базе предложенного способа (подана заявка на изобретение) и устройства (подана заявка) создана технология дискретного сверления отверстий малого диаметра посредством использования высокочастотного электродинамического вибровозбудителя осевых колебаний инструмента, обеспечивающая получение требуемого качества поверхности, повышение стойкости инструмента при обработке коррозионно-стойкой стали.
- Обоснованы диапазоны рациональных технологических режимов и условия качественной обработки глубоких отверстий малого диаметра в труднообрабатываемых материалах и разработаны рекомендаций по созданию технологии дискретного вибросверления. Результаты исследований прошли промышленную апробацию и внедрены в производство
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на научно - технических конференциях: I Международной научно-технической конференции «Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации» ( Курск, 2003); VIII Международной научно-технической конференции «Физические и компьютерные технологии (Харьков, 2003), II Международной научно-технической конференции «Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации» (Курск, 2004), III Международной научно-технической конференции «Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации» (Курск, 2005); ГУ Международной научно-технической конференции «Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации» (Курск, 2006), на семинаре кафедры «Теоретическая механика и мехатроника» КурскГТУ, 2008; ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава КурскГТУ (Курск, 2003 - 2008); научном семинаре ВГТУ (Воронеж, 2008).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 научных работ, в том числе 2 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [I] - разработка методики проектирования электромагнитного привода возбудителя высокочастотных вибраций, [3] - результаты и исследования процесса сверления
глубоких отверстий малого диаметра; [4] - разработка теории и обоснование конструкции многопозиционного станка для сверления глубоких отверстий малого диаметра; [5] - предложение учитывать коэффициент трения как характеристику динамики сверления малых отверстий в печатных платах; [6] - определение оптимального соотношения составляющих скорости движения режущего клина при вибрационном резании; [7] - проведение интерполирования значений осевой силы при сверлении отверстий малого диаметра; [9] - обоснование принципов повышения эффективности сверления отверстий малого диаметра.
Структура н объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и общих выводов; списка литературы из 96 наименований Основная часть работы изложена на 183 страницах и содержит 67 рисунков, 16 таблиц и 5 приложений.
Особенности конструкций оборудования, приводов, инструмента и технологий сверления отверстий с вибрационными осевыми колебаниями
Вибрационное резание на любых станках обеспечивается с помощью возбудителей колебаний - вибраторов. В настоящее время известно достаточно большое число вибраторов разного типа (гидромеханические, гидродинамические, магнитострикционные, пьезоэлектрические и т. д. [28, 29, 30]), которые устанавливаются практически на всех отечественных станках, где реализуют процесс вибрационной обработки.
Наиболее универсальными, причем имеющими высокую удельную мощность, являются гидравлические виброприводы, например, АС 621483 СССР; АС 683856 СССР и др. Они могут создавать весьма широкий диапазон амплитуд и частот. Недостатками гидравлических виброприводов являются относительная сложность конструкции и обслуживания, высокая стоимость; кроме того, в этих вибраторах необходимо предусматривать систему регулирования температуры масла, которая существенно влияет на параметры вибраций.
Широкое распространение в вибрационном резании получили механические вибраторы. Это объясняется известными достоинствами механических систем: простотой конструкции и эксплуатации, надежностью, дешевизной, высоким КОД. Наиболее часто механический вибратор выполняется на основе шарнирно-рычажного или кулачкового механизма, преобразующего вращательное движение ведущею звена в возвратно-поступательное или качательное ведомого звена, которое, будучи связанным с режущим инструментом, придают ему колебания.
Механические вибраторы используют как с приводом энергии, так и без привода энергии. В первом случае для создания вибраций используется источник энергии (чаще всего электродвигатель). Кинематические схемы и конструкции таких вибраторов достаточно просты. Однако необходимость использования двигателя приводит к увеличению габаритных размеров, усложняется также обслуживание станка.
В механических вибраторах без дополнительного привода энергии источником возбуждения вибраций является двигатель станка или обрабатываемая деталь, движение от которых через различного вида кинематические цепи передается на механизм возбуждения колебаний. В этом случае имеем усложнение кинематической схемы и конструкции. Однако в данных вибраторах наиболее просто осуществляется рациональное соотношение между скоростью вращения детали и частотой колебаний.
Такое соотношение несложно реализуется в вибраторах без привода энергии путем подбора передаточного отношения кинематической цепи, передающей движение от обрабатывающей детали к источнику колебаний. При изменении скорости детали соотношение (1.1) будет сохраняться, тем самым, обеспечивая дробление стружки с наименьшей возможной амплитудой. Однако в вибраторах с приводом энергии это соотношение обеспечить достаточно трудно даже с помощью устройства регулирования частоты вращения двигателя.
Важным для вибрационного резания классификационным признаком механических вибраторов является вид связей кинематической или силовой цепи, соединяющей источник колебаний и инструмент. Известные механические вибраторы в этом смысле можно подразделить на два типа: вибраторы с геометрическими и динамическими связями.
С позиции конструкции оборудования в вибраторах с геометрическими связями важна кинематическая цепь, соединяющая источник вибраций и инструмент, так как она обеспечивает колебания с определенным законом, зависящим от схемы и размеров цепи. Существенным недостатком такого типа вибратора является то, что колебательное движение инструмента совершается независимо от действующей нагрузки. Следовательно, при увеличении силы резания в пределах цикла (неизбежном при виброрезании) инструмент не реагирует на данное увеличение и совершает такое лее перемещение, как и при меньшей нагрузке
В вибраторах с динамическими связями отсутствует жесткая геометрическая связь между источником колебаний и инструментом; вместо нее используются различного рода динамические связи.
Важнейшим свойством данного типа вибраторов является то, что перемещение инструмента при вибрационном движении зависит от сопротивления обрабатываемого материала движению резания. При этом процесс резания становится в определенном смысле «авторегулируемым», т. е. условия резания в пределах одного периода самоустанавливаются в зависимости от сопротивления резанию [17]. Такая авторегулируемость создает оптимальный закон движения инструмента, что благоприятно сказываться на условиях его работы. Вместе с тем вибраторы с динамическими связями по простоте конструкций или габаритным размерам не уступают вибраторам с геометрическими связями. При выборе вибратора из указанных двух типов обычно отдают предпочтение вибраторам с динамическими связями.
Электрические [38, 41] (электромагнитные и электродинамические) вибраторы имеют широкие возможности по возбуждению колебаний больших частот (вплоть, до ультразвуковых). Эти вибраторы чаще других используют при резании труднообрабатываемых материалов. Однако они работоспособны лишь при небольших силах резания вследствие своей малой удельной мощности. Тем не менее, по нашему мнению использование вибраторов такого вида вполне приемлемо при вибрационном сверлении отверстий малого диаметра.
Комбинированные вибраторы сочетают в себе гидравлические, электрические, механические и другие виды связей. Применение этих вибраторов расширяет возможности рассмотренных выше вибраторов и сглаживает их недостатки. Вместе с тем следует отметить усложнение схем и конструкций комбинированных вибраторов.
Проведем анализ конструкций технологического оборудования, используемого для сверления отверстий с осевыми колебаниями инструмента. В настоящее время российскими и зарубежными производителями оборудования разработаны специальные станки, ряд устройств, насадок. В том числе, есть установки для вибрационного сверления отверстий с осевыми колебаниями. Так, А.Г. Туктановым [93] была разработана экспериментальная вибросверлильная установка для сверления отверстий диаметром 3-8 мм на базе горизонтального станка для сверления глубоких отверстий. В качестве вибровозбудителя на станке смонтирован гидравлический следящий усилитель мощности, в поршне которого в цанговом патроне крепилось сверло. Золотник гидроусилителя приводился в движение вращением эксцентрикового кулачка. Вращение кулачка осуществлялось от шпинделя установки через гитару сменных колёс. Необходимая амплитуда устанавливалась за счёт изменения эксцентриситета кулачка. Типовые режимы обработки: п=300 мин 1; S0=0,04 мм/об; А=0,03; 0,04; 0,05; 0,08 мм.
В статье [93] представлены станки BC-I и ВС-Ш с электродинамическими вибровозбудителями, позволяющими задавать частоты колебаний шпинделя до 500-600 Гц. Но в связи с тяжёлыми условиями работы шпиндельных узлов в вибрационном режиме они требуют дальнейшей конструктивной доработки.
Для сверления деталей типа втулок используют горизонтальный станок-полуавтомат BC-IV. Деталь вращается в патроне станка, а сверло крепится в суппорте и получает движение подачи и гармонические колебания вдоль оси.
В качестве вибровозбудителя использован гидравлический следящий усилитель мощности, позволяющий легко варьировать частотой и амплитудой колебаний при подборе оптимальных параметров сверления. Максимальные частоты колебаний, получаемые в пределах 200-250 Гц при амплитудах 0,03-0,1 мм.
Применение вибросверлильного станка BC-IV в комплексе с твердосплавным специальным двухкромочным сверлом позволило поднять производительность в 2,5-3,3 раза, а стойкость в 10-20 раз по сравнению с безвибрационным процессом сверления обычными винтовыми свёрлами из быстрорежущей стали.
В МВТУ им. Баумана создан станок с электродинамическим вибровозбудителем [85] для сверления отверстий диаметром один — два миллиметра в гайках из жаропрочной стали 1Х18Н9Т, а также двушпиндельный станок полуавтомат для сверления такого же типа деталей и совместно с Ижевским машиностроительным заводом — станок с электрогидравлическим вибровозбудителем для сверления отверстий диаметром один — пять миллиметров в легированных сталях.
В работе [32] описывается установка для вибрационного сверления, выполненная на базе токарно-винторезного станка мод. КТС-250. Установка предназначена для сверления глубоких отверстий малого диаметра в деталях типа тел вращения и корпусных габаритом до 200x200 мм из жаростойких и нержавеющих сталей и титановых сплавов. Изменение амплитуды сверла может быть неточной (при использовании сменных кулачков) и точным (при угловом смещении эксцентрика). Данная модель установки вибрационного сверления имеет следующие технические характеристики [32]
Разработка принципиальной кинематической схемы, элементов электродинамического вибрационного привода и компоновка установки
Разработка идеи передачи виброусилия от электромагнитов на сверло позволила создать экспериментальное вибрационное устройство для формообразования отверстий диаметром до 2 мм, в металлах с высокими физико-механическими свойствами. Частота вибраций, передающаяся через нижнюю катушку к шпиндельному валу 1, составляет от 500 до 2000 Гц и регулируется бесступенчато. Электромагниты спроектированы таким образом, что в момент отталкивания создаётся дополнительная осевая сила, передающаяся через подвижный шпиндельный вал 1 в зону резания (см. рис. 2.10).
Устройство спроектировано для станков, имеющих вертикальное размещение, а так же вертикальный ход шпинделя. Технические характеристики созданного устройства обеспечивают заданные подачи инструмента, требуемые частота вращения шпинделя, обеспечивая необходимую скорость резания (они зависят от технических характеристик выбранного станка), а таюке необходимые амплитуду и высокочастотные осевые колебания инструмента. Отметим, что частоты вращения шпинделя станка, как правило, необходимо увеличивать в 2,0 -2,5 раза. Поэтому передаточное отношение зубчатой пары 19 и 7 в устройстве является повышающей.
Принцип действия устройства таков. Устройство прикреплено к гильзе 37 станка хомутом 27. Шпиндель станка 36 вращается внутри гильзы 37, рис. 2.11. Хомут 27 жёстко закреплён винтами к верхней плите 16 устройства. Плита 16 в свою очередь через стойки 13 крепится к нижней плите 17, винтами и гайками 31. Это образует корпус, в котором расположены основные рабочие элементы конструкции. Гильза 37 имеет поступательное движение, движение подачи.
Для передачи крутящего момента в шпиндельном валу 36 и диске 23 имеются пазы со шпонками. Диск 23 крепится на валу 20 гайкой. Предотвращению прокручивания диска на валу способствует квадратное посадочное место.
Такое соединение способствует передачи крутящего момента на вал 20, на котором закреплено штифтом 35. зубчатое колесо 19 (zj=100). При вращении зубчатое колесо 19 вступает в зацепление с шестерней 7 (z2=40), которая жёстко закреплена на шпиндельном валу 1.
Передача дополнительной энергии в зону резания, а также дополнительного возвратно-поступательного движения инструмента, который крепится в трехку-лачковом патроне на шпиндельном валу 1, осуществляется катушками индуктивности и упругими элементами - пальцами, выполненными в виде винтов 5. Пальцы 5 крепятся в шайбе 4, а шайба крепится винтами на нижней плите 17. Шпиндельный вал 1 закреплен между двумя плитами 77 и 10. На плите 10 установлена подвижная катушка индуктивности, которая крепится к плите 16 винтом 30. Так же крепится вторая, но неподвижной, катушка индуктивности.
Катушки индуктивности, подключают к источнику энергии постоянного и переменного тока, высокочастотному усилителю и генератору высокочастотных колебаний, причем таким образом, чтобы они создавали одноимённое магнитное поле и отталкивались друг от друга. Так как нюкняя катушка подвижна, то она воздействует на шпиндель. Вал перемещается вдоль своей оси на величину амплитуды А. При этом корпус-упор 6 воздействует на упругие элементы 5, которые деформируются практически на величину амплитуды. При прекращении действия усилия на шпиндельный вал 1 со стороны катушек индуктивности, упругие элементы 5 возврашаются в исходное положение, тем самым возвращают в исходное положение и шпиндельный вал 1.
Свободное перемещение скольжения шпиндельного вала 1 осуществляется в бронзовых втулках 2. Шестерня 7 закреплена на шпиндельном валу 1 жёстко, она перемещается вместе с валом, поэтому ширина зубчатого колеса 19 больше ширины шестерни 7 ,что обеспечивает постоянное зацепление при перемещении шпиндельного вала 1 на величину амплитуды.
Подача в процессе сверления осуществляется автоматически, за счёт перемещения гильзы 37. Хомут 27 жёстко закреплен с гильзой, он перемещается вместе с ней, передавая движение подачи всей конструкции.
Таким образом, разработано устройство, включающее электродинамический вибровозбудитель, предназначенный для вибрационного сверления отверстий малых диаметров, отличающийся тем, что оно позволяет подавать вибрации вдоль оси сверла как в низкочастотном, так и высокочастотном диапазоне (от 10 до 2000 Гц), изменять частоту вибраций, не прекращая процесса резания.
Общий вид узлов устройства представлен на фотографии, рис. 2.12.
Проведен монтаж устройства на координатно-расточном станке модели 2Е440А. При размещении устройства на станке обеспечивается автоматическая подача инструмента в диапазоне 0,03...0,16 мм/об.
Расчёт тяговых сил электромагнитов. Для преобразования электрических колебаний в механические была принята схема из двух катушек индуктивности, расположенных друг над другом (см. рис. 2.1). При такой схеме расположения электромагнитов необходимо питать верхнюю катушку постоянным током, а нижнюю переменным. В этом случает механические колебания будут создаваться нижней катушкой. Перевёрнутый сердечник Т-образной формы воздействует на нижнюю катушку, стараясь переместить её вниз при одноимённой полярности создаваемым магнитным полем верхней и нижней катушкой. В итоге нижняя катушка и её сердечник перемещаются совместно возвратно-поступательно. Катушку вдоль оси перемещает магнитодвижущая сила, а возвращают в исходное состояние упругие элементы, предусмотренные в механизме (см. рис. 2.10). При подключении нижней катушки к переменному току и генератору, который создаёт заданную частоту вибраций, она будет менять своё положение в пространстве вдоль собственной оси.
На основе анализа полученных расчётных формул и практики сформулированы исходные данные для расчёта и проектирования вибровозбудителя.
Практически задача сводиться к тому, что необходимо создать два электромагнита со следующими габаритными размерами:
1) катушка верхняя — габаритные размеры 0100x82 мм (рис. 2.16, поз. І);
2) катушка нижняя — габаритные размеры 0100x93 мм (рис. 2.16, поз. 2),
Для полноценно работающей системы вибропривода для сверления отверстий с наложением колебаний необходимо в неё включить:
1) два элемента источника питания (рис. 2.16 поз. 6 и поз. 7). Первый источник питания - постоянного тока, второй - переменного.
2) генератор высокочастотных колебаний, (рис. 2.16 поз. 4), служащий для создания заданной частоты колебаний катушки индуктивности подключенной к источнику питания переменного тока.
3) усилитель (рис. 2.16 поз. 5) -для усиления выходного сигнала с генератора высокочастотных колебаний на вибрирующую катушку индуктивности.
4) осциллограф (рис. 2.16 поз. 3) необходим для учёта контроля и визуализации типа подаваемых сигналов от генератора на подвижную катушку.
Общая принципиальная схема подключения двух электромагнитов к генератору высокочастотных колебаний, усилителю, двум источника питания (постоянного тока и переменного тока) и контролирующему прибору - осциллографу, представлена на рис. 2.16.
Теоретическая разработка параметров циклограммы высокочастотных осевых колебаний
Для сравнения теоретически расчётного вибрационного сверления, в том числе приведенных в предыдущем разделе обоснований, проведем сравнение с реальным (экспериментальным на основании данных наших исследований) вибрационным сверлением и рассчитаем характеристики кинематических величин колебательного процесса.
Процесс вибрационного сверления протекает при колебании сверла вдоль оси. В этом процессе можно выделить следующие кинематические величины:
1) путь по окружности, совершаемый сверлом за 1 секунду—Z,0Kp. ісек;
2) пути по окружности, совершаемый сверлом за одно колебание (1Гі{) і- "окр. 1Гц5
3) количество колебаний, приходящееся на один оборот сверла —fioG ,
4) путь осевого перемещения за одно колебание сверла — Z-осев. ігш Приведём математические расчёты объявленных кинематических величин. Путь сверла по окружности совершаемый за 1 секунду таков
Примем следующие режимы резания при вибрационном сверлении: частота вращения /7=125...2500 мин [; частота колебанияу==500 Гц; диаметр сверла і=2мм; подача сверла Sb—0,03 мм/об (см. рис. 3.5).
Тогда за одну секунду сверло совершит 2,08 оборота, соответственно решив пропорцию, получим, что время одного оборота составит
Из расчётов видно, что в каждом случае (при /7=125 мин" и при /7=2500 мин" ]) сверло совершает одно и тоже число колебаний за одну секунду.
В первом случае за 2,08 об/с сверло делает примерно 240 колебаний за один оборот, и во втором случае при 41,6 об/с сверло делает 12 колебаний за один оборот. Время одного оборота - соответственно - 0,48 с и 0,024 с (так как /7=2500 мин"1 /7=125 мин"1 в 20 раз).
При частоте колебании 1000 Гц время одного оборота не измениться, будет таким же, как и при частоте колебания в 500 Гц. Измениться только число колебаний за один оборот, соответственно будет равно 480 и 240 колебаний.
Частота колебаний не изменяет числа оборотов сверла. В соответствии с этой пропорцией меняется число колебаний, приходящееся на один оборот.
Из данных утверждений следует, что при меньшем числе оборотов сверла, больше число колебаний, приходящиеся на один оборот. Поэтому длина стружки при малом числе оборотов сверла должна быть, очевидно, меньше, чем при большем числе оборотов сверла. В итоге меняется и условие деформации каждого элемента стружки в первом и во втором случаях (см. рис. 3.6).
Таким образом, теоретические выкладки подтверждаются практическими расчетами и проведенными экспериментальными результатами.
На основании этого мы можем утверждать, что подтверждена вторая гипотеза, а именно: при виброобработке с применением высокочастотных электродинамических осевых колебательных процессах, наложенные извне вибрации этого диапазона, в большей степени, чем другие внешние колебания, интенсифицируют процесс дробления стружки.
На рис. 3.7 приведена циклограмма осевых колебаний сверла в момент формообразования отверстия.
Достижение повышения технологических показателей процесса вибрационного сверления отверстий малого диаметра за счет введения высокочастотных осевых колебаний инструмента
Рассмотрение процессов высокочастотного сверления отверстий малых диаметров разной глубины показывает, что «напряженность» процессов разная. Так, если отношение диаметра к длине невелико (диапазон 1.2,5), то сверление проходит без значительных сил резания и температур. Сверление глубоких отверстий, где L/d порядка 10 и более, протекает по иному. Несмотря на наличие наложенных вибраций, наблюдается повышение температуры и сил резания, хотя не так значительно, как при сверлении без колебаний, при котором температурно-силовые параметры весьма высоки, и невысока стойкость инструмента.
Сверление глубоких отверстий, даже с наложением высокочастотных электродинамических вибраций, требует применения иных подходов. Во-первых, опыты показали, что требуется временное прерывание процесса резания, на это указано в третьей главе, где обосновано необходимость введения такого прерывания. Во-вторых, проектируя на базе исследований станок для сверления глубоких отверстий, нами разработана технология пошаговой обработки отверстий в групповом последовательном процессе. При этом, каждый раз, когда длина отверстия обработано на 1/7 длины L, то требуется кратковременный останов подачи, выход сверла из отверстия с последующим продолжением процесса.
При предложенной схеме сверлении отверстия снизу вверх стружка сама «облегченно уходит» из зоны резания, так как она мелко раздроблена. Однако помимо удаления стружки принудительно пошаговый метод сверления позволяет увеличить выглаживающий эффект поверхности отверстия в процессе обработки.
Мы указывали, что высокочастотные электродинамические вибрации сами по себе способствуют стабилизации формирования повышенного качества поверхностного слоя, а применение дополнительных фактически традиционных выхаживающих ходов при прерывании подачи дополнительно повышают качество, снижая микрогеометрию поверхности отверстия.
При составлении технологий обработки следует учитывать ещё одну особенность процесса высокочастотного вибрационного сверления отверстий. Рассмотрение стадий (фаз) обработки показало, что практически при многих режимах обработки существует различие амплитудно-частотных характеристик в период создания (сверления) глубоких отверстий диаметром 2 мм с наложение осевых высокочастотных колебаний.
Результаты экспериментов (№ 1... 8) приведены в приложениях. На них отчетливо видны различия амплитудно-частотных характеристик разных фаз, пример дан на рис 4 12 а, б, в
Для начальной фазы сверления отверстия в стали 12X18Н9Т с наложением на сверло колебаний d=2 мм; S=0,03 мм/об; п=125 мин"1; f=500 Гц; ивКат=15В; 1вкат=5,6А; иНкаг 30В; Тнка1=1,85А свойственна своя характеристика, рис. 4.12, а
Установившейся процесс сверления отверстия в тех же условиях имеет характеристики, как показано на рис. 4.12,6.
Конечная фаза сверления отверстия в стали 12X18Н9Т с наложением на сверло колебаний: представлена нарис 4.12, в.
Таким образом, наличие этих фаз надо учитывать при создании технологий, особенно на автоматизированном оборудовании.
Рассмотрим предложенную и разработанную нами технологию сверления глубоких отверстий малых диаметров с использованием автоматизированного станка с, обеспечивающего многократный вывод инструмента из отверстия.
Предпосылками к необходимости использования при сверлении глубоких отверстий малого диаметра автоматизированного оборудования являются следующие положения.
1. Замена массового выпуска изделий серийным и мелкосерийным делает не совсем экономичным использование специального оборудования. Требуется перевод технологий обработки изделий на оборудование с автоматизированными системами управления процессом.
2. Применительно к обработке отверстий малых диаметров это сопряжено с необходимостью создания технологий с многократным (пошаговым) выводом сверла для удаления стружки и повышения выхаживающего действия.
3. Возникающая технологическая задача проектирования процесса сверления с наименьшими затратами на процесс, является оптимизационной, многопараметрической.
Таким образом, мы сталкиваемся с целью обеспечения наименьшей себестоимости технологии сверления глубоких отверстий малых диаметров в условиях многократного вывода сверла из отверстия и автоматизированной смены режимов резания по мере увеличения глубины сверления.
Итак, имеем оборудование для глубокой высокочастотной виброобработки отверстий (по типу, указанного в главе 2), см. рис 4.13.
При разработке технологии учитывали многое, в том числе проводили разделение глубины обрабатываемого сверления на проходы (шаги для вывода инст 163 румента их зоны резания). Схема сверления с учетом разбиения на проходы приведена на рис. 4.14. Параметры, приведенные на рисунке, таковы:
/, I], I? - глубина сверления;
Н- глубина прохода;
Н, — глубина следующего прохода;
H,.i - глубина предыдущего прохода;
/, - глубина следующего сверления;
I,-.] - глубина предыдущего сверления;
L - предполагаемая глубина сверления (длина отверстия).
Сверление глубоких отверстий малого диаметра до 2,0-2,5 мм характеризуется нестационарностью силовых параметров в связи с тем, что по мере заглубления инструмента происходит накопление стружки в стружкоотводящих канавках, изменяющее динамические характеристики процесса. При этом крутящий момент быстро достигает значений, при которых наблюдается поломка сверла в связи с ограниченной его прочностью.
В связи с этим обработка ведётся с периодическими выводами инструмента из зоны резания для удаления стружки, охлаждения инструмента и обеспечения доступа СОЖ в зону резания. Характеристики свёрл (геометрия, качество изготовления стружкоотводящих канавок, состояние инструмента в связи с развитием износа, значения предельно допустимых напряжений и пр.), а также физико-механические свойства материала обладают значительной неопределённостью. Поэтому для обеспечения процесса сверления на автоматизированном оборудовании создаются системы управления, обеспечивающие обработку на режимах, при которых крутящий момент не превышает предельно допустимых значений. Управление обычно осуществляется путём варьирования скорости и подачи или на неизменных режимах с обеспечением вывода инструмента из зоны резания от датчика крутящего момента.
Для оптимизации расчёта параметров разработана программа на ЭВМ. Быстро и с высокой степенью точности рассчитывались значения: скорости (v), подачи (S), времени сверления и холостых ходов на каждом проходе другие параметры [20].
Результаты расчётов приведены на рис. 4.15 и 4.16, где представлены: график суммарного времени сверления в зависимости от глубины сверления и числа проходов, а также график холостых ходов, т. е. времени подвода и отвода инструмента [20]. Расчёты и графическая интерпретация позволяют определить оптимальные режимы резания, глубину сверления и величину целевой функции, получения наименьших затрат при реализации процесса сверления.
Похожие диссертации на Технология сверления глубоких отверстий малого диаметра с наложением высокочастотных осевых колебаний
