Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Бурлаков Віктор Іванович
УДК 621.923.74
ПІДВИЩЕННЯ ПРОДУКТИВНОСТІ ВІБРОАБРАЗИВНОГО ОБРОБЛЕННЯ НЕЗАКРІПЛЕНИХ ДЕТАЛЕЙ НАКЛАДАННЯМ ПОЛЯ КВАЗІПОСТІЙНИХ ВІДЦЕНТРОВИХ СИЛ
Фах: 05.03.01 - Процеси механічної обробки, верстати та інструменти
Автореферат
дисертації на здобуття вченого ступеня
кандидата технічних наук
Донецьк 2005
Дисертацією є рукопис
Дисертація виконана на кафедрі “Технологія машинобудування”Приазовського державного технічного університету Міністерства освіти і науки України
Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Барсуков Володимир Анатолійович, Приазовський державний технічний університет кафедра “Технологія машинобудування”
Офіційні опоненти: Матюха Петро Григорович, доктор технічних наук, професор, завідувач кафедрою металорізних верстатів та інструменту Донецького національного технічного універсітету
Гах Віталій Михайлович, кандидат технічних наук, доцент кафедри металорізних верстатів та інструменту Донбаської машинобудівної академії
Провідна організація: Національний технічний університет „Харківський політехнічний інститут”, кафедра різання матеріалів, Міністерство освіти і науки України, м. Харків.
Захист відбудеться “”жовтня 2005р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 11.052.04 Донецького національного технічного університету за адресою: 83000, м.Донецьк, вул.Артема, 58, ДонНТУ, 6-й навчальний корпус, ауд. 6. 202.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці ДонНТУ за адресою: 83000, м.Донецьк, вул.Артема, 58, ДонНТУ, 2-й навчальний корпус.
Автореферат розісланий “”вересня 2005р.
Вчений секретар спеціалізованої
вченої ради, к.т.н., доцент Т.Г.Івченко
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність роботи. У період відновлення економіки країни, особливої уваги необхідно приділити технічному переозброєнню всіх галузей народного господарства, зокрема, - розробці і впровадженню устаткування для принципово нових технологічних процесів. Головною задачею в галузі машинобудування є: збільшення продуктивності, економічності, надійності і довговічності деталей, що виготовляються, зниження трудомісткості і витрат ручної праці, комплексна автоматизація і механізація трудомістких ручних процесів.
Сьогодні рівень технічної досконалості металообробного і штампувального виробництва досяг нового якісного рівня. Однак подальший прогрес вищеназваного виробництва істотно стримується відсутністю високопродуктивних методів зачищувального оброблення, особливо у випадках оброблення деталей складної форми. Так, наприклад, після відрізки кілець на токарно-револьверному автоматі, трудомісткість видалення задирок, розташованих на крайці обрізу, складає 300-350%, а видалення задирок після штампування складає 400-450% від трудомісткості виготовлення цих деталей. Через складність форми та невеликі розміри зазначені деталі не можуть бути обробленими на віброабразивних машинах або галтовочних барабанах, а при великій масі - ультразвуковим способом.
З аналізу різних наукових джерел видно, що турбулентно-абразивне оброблення переважно застосовується при обробці деталей жорстких, простої конструкції, віброабразивне оброблення з великими амплітудами коливань доцільніше для деталей складної конфігурації з пазами й отворами, у тому числі для деталей малої жорсткості. Створення віброабразивних машин із великими амплітудами коливань (10-20 мм) навіть при малих об'ємах робочої камери (до 1 літру) пов'язано з великими конструкційними труднощами, а також з вирішенням питань щодо вібро- і шумоізоляції.
Таким чином, зачищення деталей малої жорсткості масою 25 –грам на даний час залишилося немеханізованим і найчастіше здійснюється вручну.
Останнім часом почало набувати розповсюдження вібровідцентрове оброблення, що поєднує вібраційне та відцентрове оброблення. При такій обробці деталей пристрої сконструйовано так, що відцентрові сили за об’ємом робочої камери розподілені нерівномірно –від нуля біля вісі оберту камери до максимуму на периферії. Це значить, що позитивний вплив відцентрових сил використовується не повною мірою й може бути підвищеним, якщо вібраційне оброблення здійснити у середовищі квазіпостійних відцентрових сил.
У зв'язку з цим, пошук і розробка нових методів викінчувальної обробки, що забезпечують зачищення деталей малої жорсткості масою до 25-40 г., за допомогою накладення квазіпостійних сил, є актуальною задачею.
Зв'язок із науковими програмами, темами, планами. Дисертаційна робота виконана на кафедрі "Технологія машинобудування" Приазовського державного технічного університету в рамках виконання науково-дослідної роботи "Розробка вітчизняного поглинаючого апарату класу Т2 для вантажних вагонів” № 8/03 (номер держреєстрації ) від 01.01.03р. Замовник –ВАТ “Азовмаш”.
Тематика представлених розробок цілком відповідає науковому напрямку кафедри технології машинобудування Приазовського державного технічного університету і відповідає виконанню довгострокових комплексних планів.
Мета і задачі досліджень. Мета досліджень - підвищення продуктивності віброабразивного оброблення при заданій якості незакріплених деталей за рахунок зміни характеру відносних переміщень завантаження шляхом накладення поля квазіпостійних відцентрових сил.
Для досягнення вказаної вище мети необхідно вирішити наступні задачі:
. Розробити конструкцію установки, що дозволяє реалізувати вібраційне оброблення із квазіпостійними відцентровими силами.
. Розробити математичну модель вібровідцентрового оброблення незакріплених деталей в полі квазіпостійних відцентрових сил.
. Провести комплексні дослідження процесу вібровідцентрового оброблення деталей в полі квазіпостійних сил.
. Вивчити динаміку руху оброблюваних деталей і вільного абразивного матеріалу в процесі вібровідцентрового оброблення.
. На підставі досліджень установити залежність продуктивності технологічного процесу від конструктивних, технологічних параметрів і фізико-механічних властивостей матеріалу деталей із метою створення оптимальних умов оброблення.
. Оптимізувати час оброблення деталей для забезпечення заданої якості поверхні. Розробити і впровадити у виробництво процес вібраційного оброблення у середовищі квазіпостійних відцентрових сил і устаткування для її реалізації.
Об'єкт дослідження - процес вібровідцентрового оброблення деталей в полі квазіпостійних відцентрових сил.
Предмет дослідження - особливості і закономірності впливу режимів вібраційного оброблення в полі квазіпостійних відцентрових сил на продуктивність обробки.
Методи досліджень. Методологічна основа роботи - системний підхід і аналіз об'єкта досліджень, що базується на фундаментальних положеннях теорії механізмів і машин, математичному моделюванні. Експериментальні дослідження виконувалися в лабораторних умовах із використанням сучасних вимірювальних приладів та ПЕОМ.
Достовірність результатів, отриманих у роботі, забезпечується їхньою узгодженістю з основними закономірностями процесів абразивного оброблення, відтворюваністю результатів у межах 95%-вих довірчих інтервалів.
Наукова новизна отриманих результатів:
Практичне значення отриманих результатів. Виконані дослідження впливу параметрів вібровідцентрового зачищувального оброблення деталей дозволили оптимізувати значення параметрів процесу, визначити режими, що забезпечують підвищення продуктивності оброблення в 3 рази. Розроблене устаткування і технологія оброблення деталей були апробовані і впроваджені на підприємстві ВАТ "Азовмаш" з економічним ефектом 11850 гривень на рік.
Особистий внесок здобувача. Автором особисто розроблено:
Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на науково-технічній внутрішньовузівській конференції "Прогресивні процеси механічної обробки" (Маріуполь, 1993 р.), III регіональній науково-технічній конференції (Маріуполь, 1995 р.), IV регіональній науково - технічній конференції (Маріуполь, 1997 р), науковому семінарі по викінчувально-зачищувальному обробленню деталей у вільних абразивних середовищах (кафедра "Технології машинобудування", ПДТУ, Маріуполь, 1998 р.), науковому семінарі деталей у вільних абразивних середовищах (кафедра "Технології машинобудування", Донбаська машинобудівна академія, Краматорськ, 1999 р.), науковому семінарі по викінчувально-зачищувальному обробленню деталей (кафедра "Технології машинобудування", Донбаська машинобудівна академія, 2000 р.), VII регіональній науково - технічній конференції (Маріуполь, 2001р), науково-технічній внутрішньовузівській конференції "Прогресивні процеси обробки" (Маріуполь, 2003р.), розширеному науковому семінарі по викінчувально-зачищувальному обробленні деталей у вільних абразивних середовищах (кафедри "Технології машинобудування" і „Процеси механічної обробки, верстати і інструменти”, Донецький національний технічний університет, Донецьк, 2004 р.).
Публікації. Основні положення дисертаційної роботи відображені в 7 роботах, що опубліковані у журналах, які входять у перелік фахових видань ВАК України.
Структура й обсяг роботи. Дисертація містить вступ, шість глав, основні висновки, список використаних джерел і додатків. Повний її обсяг - 169 сторінок, із них 47 малюнків, 9 таблиць, а також список використаних джерел із 124 найменувань, і 23 сторінок додатків.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У першому розділі проаналізовані сучасні способи підвищення ефективності віброабразивного оброблення: із застосуванням гранульованого абразивного наповнювача, у середовищі дрібнозернистого абразиву, в тому числі зваженими в спеціальній емульсії; використання камерного методу; шпиндельної вібраційної обробки; магнітноабразивного оброблення; ультразвукового абразивного оброблення; оброблення з ущільненням робочого середовища відцентровими силами. Показано, що продуктивність і якість зачищувальних операцій можуть бути підвищені об'єднанням вібраційного і відцентрового методів. Відзначено вагомий внесок у дослідження характеру взаємодії абразивних зерен, що вільно рухаються, з обробленою поверхнею деталей таких вчених як: А.П Бабічев, П.С. Берник, Н.І. Богомолов, Л.А Гейзер, Н.В Корольов, В.Н.Кощєєв, Є.М.Маслов, О.Є.Проволоцький, Н.А.Сагарда, Л.А.Ящеріцин та інші.
Поставлено мету і задачі досліджень, які приведені раніше.
В другому розділі описана загальна методика досліджень, обґрунтована можливість підвищення продуктивності віброабразивного оброблення накладенням поля квазіпостійних відцентрових сил, аналітично визначені амплітуда, власні частоти робочої камери та загальний технологічний критерій продуктивності оброблення, та отримана формула для розрахунку продуктивності оброблення з урахуванням фізико-механічних характеристик матеріалу деталей.
Сутність процесу вібровідцентрового оброблення викладалась з використанням вербальних методів. Дослідження продуктивності вібровідцентрового оброблення виконувалась аналітично з використанням положень теорії механізмів і машин, теорії розмірності, математичного моделювання.
Підвищення продуктивності оброблення можна досягти, якщо в процесі обробки буде домінувати мікрорізання, що супроводжується видаленням із деталі найтонших стружок. При віброабразивному обробленні цього можна досягти, якщо одночасно з вібраціями на робоче середовище буде діяти поле відцентрових сил.
Принципова схема вібровідцентрової установки (рис. 1), являє собою механізм, що складається з центральної осі 5, що передає обертання від електродвигуна на водило 3, на якому закріплена платформа 6 з опорами 7 із пружин. На опорах розташований контейнер 1 із завантаженою масою абразиву і деталей. Під днищем контейнера знаходиться мотор - вібратор 2 із закріпленими на його осі дисбалансами 4.
Схема установки являє собою систему з трьома ступенями свободи. Це - переміщення уздовж вісі Y і уздовж вісі Z, і поворот навколо вісі X - на кут φ.
Для складання диференціального рівняння руху системи з метою визначення частот власних коливань і амплітуд вимушених коливань використовуємо метод рівнянь Лагранжа II роду. Вихідними даними є: маса контейнера mΣ, кг; маса
Рис.1 Розрахункова схема віброустановки
- контейнер, 2 - вібратор, 3 - водило, 4 - дисбаланси, 5 - вісь, 6 - платформа, 7 - опори з пружин
дисбалансу - mд, ,кг; маса вібратора mв ,кг, кутова швидкість wz, рад/с,навколо центральної вісі, що співпадає з віссю Z, і робоча кутова швидкість дисбалансу wр,рад/с.
Вісь Z співпадає з віссю обертання водила, а вісь Y співпадає з горизонтальною площиною водила. У якості постійних розмірів використовуються: радіус водила, - l, м, ширина камери - a, м, максимальний ексцентриситет - e, м, момент інерції водила - Ix, мм, жорсткість пружин - Сz і Сy, H/м, коефіцієнт опору руху –β, H.
Переносні сили інерції які створюють відцентрову силу уздовж вісі Y визначаться виразами:
Fин пер = m∑ wz (l+ a / 8); (1)
Fин пер = mд wz (l+ b sin φ ); (2)
Fин пер = mв wz (l+ b sinφ ) . (3)
Уздовж вісі О D (див. рис. 2) буде діяти вібраційна збуджуюча сила
Fвозм = mд wр e. (4)
Диференціальні рівняння руху системи будуть мати вигляд:
(5)
З рівнянь руху системи (5), власні частоти вібрації робочої камери будуть рівні:
- частота вібрації навколо вісі Х
k= , Гц ; (6)
- частота вібрацій уздовж вісі Y
k = , Гц; (7)
- частота вібрацій уздовж вісі Z
k = , Гц. (8)
та амплітуди коливань системи:
уздовж вісі Z
Az = мм; (9)
уздовж вісі Y
Ay = мм; (10)
навколо вісі X
A φ = мм. (11)
Максимальне переміщення уздовж вісі Y під дією складових переносних сил інерції визначиться за формулою:
YW = 1/Cy M l Wz + mзав 2/3 а/8 Wz . (12)
де М - сумарна складова, що складається з маси двигуна mдв, контейнера mк, маси завантаження mзав, маси вібратора mв і маси дисбалансу mд
М = mдв + mк + mзав + mв + mд . (13)
З формул (6) і (7) випливає, що частоти коливань і амплітуда коливань залежать від кутової швидкості, а значить, і здобутком двох складових частот коливань і двох складових амплітуд коливань, що визначають продуктивність оброблення, є також функція Аk=f(wz), що залежить від кутової швидкості. Отже, знаючи зв'язок частот коливань і амплітуд вимушених коливань системи з кутовою швидкістю, можна оцінити ефективність обробки.
Параметри А и k, що є технологічними параметрами оброблення, визначаються за формулами
А= Аz + Аy + Аφ; (14)
k = k + k + k. (15)
Вплив фізико-механічних властивостей матеріалу на процес оброблення досліджувались за допомогою теорії розмірності. У результаті продуктивність вібровідцентрового оброблення описується формулою
, (16)
де a - ударна в'язкість, кг/с; m –маса, кг; - межа тривкості, кг/мс; P - питома вага, кг/мс; К - коефіцієнт умов оброблення.
Значення коефіцієнта К для різних матеріалів та для різних конфігурацій деталей наведені у таблиці 1.
Таблиця 4.
Знаходження значення коефіцієнта К у рівнянні
|
№ п/п |
Форма заготовки |
Матеріал |
Маса m, кг |
Питома вага Р, .Н/м (кг/мс) |
Ударна в’язкість а, Н/м (кг/с) |
Межа тривкості σ МПа (кг/мс) |
Знімання метала Q, кг |
Коефіцієнт К, Дж (кгм/с) |
|
1 |
Пластина Циліндр Куток |
Сталь 65Г |
0,036 |
294 |
730 |
1,14×10-3 ,1×10-3 1,09×10-3 |
13,47 ,9 ,8 |
|
|
2 |
Пластина Циліндр Куток |
Мідь М4 |
0,04 |
392 |
400 |
1,36×10-3 ,33×10-3 1,31×10-3 |
4,17 ,08 ,02 |
|
|
3 |
Пластина Циліндр Куток |
Сталь 40Х |
0,036 |
343 |
700 |
1,1×10-3 ,09×10-3 1,07×10-3 |
7,9 ,5 ,4 |
|
|
4 |
Пластина Циліндр Куток |
Алюмі-ній АМг-6 |
0,02 |
245 |
146 |
1,46×10-3 ,43×10-3 1,4×10-3 |
3,6 ,47 ,4 |
У третьому розділі описані методики експериментальних досліджень, устаткування, оброблювані матеріали та деталі, робоче середовище.
Параметри процесу вібровідцентрового оброблення досліджували на оригінальній лабораторній установці (рис. 2), яка дозволяє виконувати вібровідцентрове оброблення в полі квазіпостійних відцентрових сил, що включає прямокутний каркас 1, виконаний із профільного матеріалу, у центральній частині каркасу закріплений підшипниковий вузол 2 із центральним валом 3. Електродвигун 5 передає обертання на центральний вал за допомогою черв'ячної передачі 4. На верхній ділянці вала встановлено водило 6, на якому розташовані противага 7 і платформа 8 із U-образним робочим контейнером 9. Платформа 8 установлена на чотирьох опорах 10 із пружин. Під площадкою змонтований дисбалансний горизонтальний мотор-вібратор 11. Над водилом змонтований струмознімач 12, який складається із трьох кільцевих контактів, розділених ізоляторами. Стінки контейнера обкладені прогумованим матеріалом для зменшення рисок і подряпин, що виникають унаслідок тертя деталей об стінки контейнера, і уникнення зносу самих стінок у результаті впливу абразивних робочих тіл. Робоча камера закривається кришкою. Спостереження, а також проведення відеозйомки процесу здійснювалося через прозору кришку.
Електроживлення вібровідцентрової установки ВВУ-1 здійснюється по двох електричних ланцюгах. У першу чергу напруга подається по ланцюгу 13 (струмознімач 12 - мотор-вібратор 11), після чого починає вібрувати робоча камера.
Рис.2 Схема установки для вібровідцентрового оброблення в полі квазіпостійних відцентрових сил
Абразив і оброблювані деталі починають переміщатися. Потім напруга подається на електродвигун, розташований у нижній частині установки, що крутить водило, унаслідок чого на абразив і оброблювані деталі, що перемішуються, накладається відцентрова сила.
Частота обертів водила визначалася за допомогою тахометра і змінювалася за допомогою набору знімних черв'ячних пар.
Амплітуда вібрацій визначалася за допомогою самописця, закріпленого на контейнері, і обертового барабана , закріпленого поруч із контейнером, з діаграмною стрічкою.
Маса контейнера склала - 12 кг, маса вібратора - 10 кг, маса деталей - 1 кг, маса абразиву - 2 кг, сумарна маса - 26,2 кг, маса дисбалансу - 1,2 кг.
При оцінці продуктивності вібровідцентрового оброблення використані деталі у формі пластини, пластини з отворами, циліндричної форми, циліндра з отвором, кутки і кутки з отворами. У процесі оброблення використовувалися деталі різної жорсткості.
Матеріали, з яких були виготовлені деталі: бронза Бр Б2, латунь ЛС 59-1, конструкційна сталь 3, пружина сталь 65Г, нержавіюча сталь 40Х, мідь М4, алюміній АМг6.
Вибір матеріалів забезпечував широкий діапазон зміни механічних властивостей матеріалів, таких як: показників ударної в'язкості (алюмінієві зразки мають високий показник ударної в'язкості, нержавіюча сталь - низький), межі тривкості. При проведенні експериментів були оброблені деталі з різною масою (від 1,5 г до 15 г) і питомою вагою (від 245 кг/мс до 392 кг/мс).
За робоче середовище використовували призматичні робочі тіла марки ПТ15 з карбіду кремнію зеленого 63С з розміром граней 15мм. Для зниження корозійного впливу, а також для очищення деталей від відходів абразивного матеріалу і стружки, що утворилася в процесі оброблення, за робочу рідину застосовувався 1-1,5% - ий водяний розчин кальцинованої соди (NaCO).
Рівень завантаження при проведенні експериментів змінювався в межах від 1/3 обсягу робочої камери до 2/3.
При дослідженні продуктивності викінчувально-зачищувального оброблення деталей варіювали наступними параметрами: амплітудою вібрації А, мм; частотою обертання водила n, об/хв; рівнем завантаження робочої камери; розміром ребра робочого тіла r, мм; співвідношенням кількості деталей і абразиву.
Під час проведення дослідів розмір амплітуди вібрації змінювався від 0 до 7 мм. Частота обертання - від 0 до 80 об/хв.
Визначення оптимальних режимів вібровідцентрового оброблення за критерієм максимальної продуктивності здійснили в два етапи.
На першому етапі за допомогою однофакторного експерименту встановлювали характер залежності впливу досліджуваного фактора на продуктивність та межі його змін. Продуктивність процесу визначалася інтенсивністю видалення маси знятого металу в одиницю часу.
Вимір маси знятого металу робився шляхом зважування зразків до і після оброблення на аналітичних терезах моделі ВЛА - 200 із точністю до 0,0005 г.
Тривалість кожного досліду складала 30 хвилин і визначалася з точністю секунд. У процесі одно факторного досліду змінювали тільки досліджуваний параметр, всі інші параметри оброблення підтримувалися постійними. При проведенні експериментів з впливу режимів вібрації на продуктивність оброблення частота обертання водила вимірювалася цифровим тахометром ТЦ-3М.
Для зменшення впливу випадкових факторів на результати кожний дослід (при однакових умовах) повторювався 3-5 разів. Для оцінки впливу досліджуваного фактора використовувався середньоарифметичний розмір вихідного параметра.
На другому етапі з метою одержання математичної моделі вібровідцентрового оброблення в оптимальній зоні був реалізований дрібний факторний експеримент 2-2. При цьому параметри факторів, що варіюються, були визначені з графіків однофакторного експерименту в оптимальній зоні. Кількість повторів експериментів дорівнювалися трьом.
Якість обробленої поверхні оцінювалася розміром залишкового задирка, висотою мікронерівностей поверхні деталі, її відбивною спроможністю.
Стан оброблених кромок і розмір початкового і залишкової задирки вивчався і вимірювався на інструментальному мікроскопі УИН - 23.
Параметр Ra і висота задирки визначалися за допомогою профілографа-профілометра моделі 290 для кожної обробленої деталі. З метою запобігання помилки кожний вимір робився 4-5 разів і потім визначався середній розмір.
Для оцінки шорсткості обробленої поверхні були виготовлені контрольні поліровані зразки з різних матеріалів, вихідна шорсткість яких вимірювалася на інтерферометрі моделі МИИ-4У4.2. Крім того, використовувалися зразки, вихідна шорсткість поверхні яких була свідомо гірше, ніж досягнута після обробки.
Відбивну спроможність обробленої поверхні деталей досліджували на фотоелектричному блискомірі.
Значення величин, що вимірювались, оцінювали середньоарифметичною величиною окремих вимірів в довірчому інтервалі.
Однорідність дисперсій оцінювали за допомогою критерію Кохрена.
Четвертий розділ присвячений дослідженню впливу кутової швидкості водила на загальний технологічний критерій продуктивності вібровідцентрового оброблення в полі квазіпостійних відцентрових сил, визначені найбільш вагомі параметри режиму, які впливають на продуктивність оброблення вібровідцентровим способом та межі їх змін, які необхідні для проведення багатофакторного експерименту, розроблена математична модель вібровідцентрового способу для визначення впливу режимів на продуктивність оброблення.
З урахуванням конструктивних параметрів лабораторної установки (момент інерції - Ix = 13333,4×10мм, кутові швидкості обертання водила навколо вісі Z - ωz1=2,09рад/c; ωz2=4,19рад/c; ωz3=6,28рад/c; ωz4=8,37рад/c; ωz5=10,5рад/c; кутова швидкість дисбалансу - ωp=20,9рад/c; ексцентриситет - е=0,03м; коефіцієнти жорсткості пружин - Cz=150×10H/м і Cy=140× 10 H/м; коефіцієнт опору - βy=1,8 H; ширина робочої камери - а=200мм; радіус водила - l=500мм.) вплив кутової швидкості водила на амплітуду, частоту коливань і технологічний критерій продуктивності Аkпроаналізуємо за допомогою формул (7, 8, 10, 11, 14, 15). Виконані дослідження дозволили встановити, що залежність узагальненого технологічного критерію від кутової швидкості водила носить немонотонний характер із двома точками екстремуму. Мінімальний - при кутовій швидкості ω = 2рад/с, коли величина узагальненого технологічного критерію продуктивності дорівнює 80 мм/с, і максимальний, коли при кутовій швидкості 5рад/с технологічний критерій продуктивності набуває максимального значення - 200мм/с.
Максимум узагальненого технологічного критерію вібровідцентрового оброблення при ω=5рад/с (Рис. 3) відповідає оптимальним співвідношенням вібраційної і відцентрової сил. Кутова швидкість водила, яка менш ніж 5 рад/с не забезпечує необхідної щільності завантаження, і відповідно, меншу продуктивність; збільшення кутової швидкості водила понад 5 рад/с приводить до збільшення відцентрових сил, ущільненню завантаження і також зменшенню продуктивності оброблення. Таким чином, можна рекомендувати діапазон кутових швидкостей водила в межах - 2-7рад/с,
На продуктивність оброблення впливає амплітуда коливань. При значенні амплітуди до 5мм спостерігається максимальна інтенсивність знімання металу. Збільшення амплітуди вібрації понад 5мм приводить до погіршення якості
Рис.3 Вплив кутової швидкості водила на загальний технологічний критерій продуктивності вібровідцентрового оброблення
обробленої поверхні через зростання кількості мікроударів по поверхні оброблюваної деталі.
Аналітично знайдена точка екстремуму була перевірена експериментально. Максимум, що знайдений експериментально, відповідає числу обертів водила n = 60 об/хв. (Рис.4) або, з урахуванням співвідношенням ω= (π n)/30, ω=6,3 рад/с, що в межах припустимої похибки. Це цілком підтверджує правильність прогнозування при обґрунтуванні вібровідцентрового оброблення в полі квазіпостійних відцентрових сил.
Інтенсивність вібровідцентрового оброблення в полі квазіпостійних відцентрових сил залежить від об'єму завантаження робочої камери. Вплив об'єму завантаження на метал, що видаляється, носить екстремальний характер із максимумом при завантаженні робочої камери на 2/3 від об'єму. Таким чином,
0 20 40 60 80 100 (2/) (4/) (6,2/) (8,4/) (10,5/)
d7 n,1/
Рис. 4 Залежність інтенсивності видалення метала від частоти обертання водила: 1 –куток, 2 –пластина, 3 –циліндр; матеріал деталей –мідь М4, робоче тіло –ПТ15, амплітуда вібрації –мм
параметрами меж варіювання об'ємами завантаження варто рекомендувати 0,2-0,6м.
Ще одним важливим фактором, що впливає на інтенсивність видалення металу, є співвідношення кількості деталей і абразиву. Найбільша продуктивність оброблення досягається при співвідношенні кількості робочих тіл і деталей в межах від 40% до 60%.
На продуктивність вібровідцентрової обробки в полі квазіпостійних відцентрових сил впливають: величини робочого тіла; наявність відцетрової сили; час оброблення; форма оброблюваних зразків та їх маса; жорсткість опор робочої камери; радіус водила.
Було встановлено, що найбільша продуктивність забезпечується робочим тілом ПТ15.
Вплив відцентрової сили на продуктивність залежить від наявності вібраційної сили. При відсутності вібраційної сили, за рахунок підтискання завантаження до стінок робочої камери, перемішування елементів завантаження практично відсутнє і продуктивність оброблення дуже низька і знаходиться в межах від 4,5 мг/хв для деталей циліндричної форми до 15мг/хв для деталей в формі кута. Поява вібраційної сили збільшує продуктивність оброблення, відповідно, до 50мг/хв та 70мг/хв за рахунок інтенсифікації переміщення елементів завантаження. Введення відцентрової сили оптимальної величини при постійній вібраційній силі дозволяє підвищити продуктивність оброблення в 3 рази.
Із збільшенням часу оброблення загальна кількість видаленого металу постійно зростає, при цьому продуктивність оброблення дорівнює 0,5мг/хв (після 15 хвилин), 0,83мг/хв (після 30 хвилин), 0,88мг/хв (після 45 хвилин) і 0,93мг/хв (після 60 хвилин).
Форма оброблюваних деталей також впливає на продуктивність оброблення. Так, із найбільшою продуктивністю обробляється пластина, потім, по мірі зменшування, пластина з отвором, циліндр, куток і порожній циліндр.
Маса деталі також впливає на інтенсивність знімання металу. Чим більше маса, тим вище продуктивність. Це пояснюється тим, що більш важкі зразки без труднощів занурюються в масу робочих тіл і більш інтенсивно піддаються обробленню. Легкі зразки в основному знаходяться ближче до поверхні, де тиск робочих тіл менш, ніж у глибині. У зв'язку з цим, продуктивність легких зразків нижче, ніж важких.
На продуктивність вібровідцентрового оброблення впливають і деякі конструктивні параметри лабораторної установки для реалізації процесу - жорсткість опір і радіус розташування робочої камери.
Максимальна продуктивність досягається при жорсткості опір 50Н/мм, та при радіусі водила 170мм.
Експериментально встановлений вплив ударної в’язкості, маси, межи міцності, питомої ваги на продуктивність оброблення повністю співпадає з впливом перерахованих факторів згідно аналітично отриманою формулою (16).
Дослідження впливу режимів обробки на її продуктивність виконано за планом дрібного факторного експерименту 2-2 із побудовою математичної моделі для розрахунку продуктивності оброблення:
Q = 161,1 , (17)
де А - амплітуда вібрацій, мм; - кутова швидкість обертання водила, рад/с; Vз - сумарний об'єм завантаження, м; - співвідношення кількості деталей і робочих тіл, %; k - частота вібрацій, Гц.
Як видно з приведеної формули, найбільш вагомий вплив на збільшення продуктивності оброблення оказує амплітуда, частота вібрацій робочої камери та кутова швидкість, яка визначає відцентрову силу, що повністю співпадає з аналітичною моделлю процесу вібровідцентрового оброблення в полі квазіпостійних відцентрових сил.
У розділі п'ять досліджували вплив амплітуди вібрації на якість обробленої поверхні, та впливу часу оброблення на висоту задирків.
Вплив амплітуди вібрації на параметр шорсткості обробленої поверхні Ra і відбивної спроможності поверхні, з яким вона пов'язана, описується кривою параболічного типу з екстремумом при амплітуді вібрації А = 5,2мм, коли забезпечується збалансованість відцентрових і вібраційних сил і відсутні мікроудари по поверхні деталі.
Основним призначенням способу вібровідцентрового оброблення в плі квазіпостійних відцентрових сил є видалення задирків, висота яких визначає необхідний час оброблення. Для визначення часу оброблення була запропонована номограма (рис.5), за допомогою якої по припустимій величині задирка і кількості
Рис.5 Номограма для визначення часу оброблення в залежності від необхідної висоти задирка: 1 –мідь М4, 2 –латунь ЛС-59-1, 3 - сталь 3, 4 –сталь 65Г, 5 –алюміній АМг6; частота обертання водила –об/хв, амплітуда вібрації –мм, робоче тіло –ПТ15, деталі типа - пластинаматеріалу, який необхідно вилучити для позбавлення задирка можна визначити необхідний час оброблення.
Розділ шостий присвячений розробленню, випробовуванню і впровадженню у виробництво технологічного процесу вібровідцентрового оброблення в полі квазіпостійних відцентрових сил.
Для умов дослідницько-промислового виробництва була виготовлена і передана на виробництво дослідницько-промислова вібровідцентрова установка ВВУ-2, що може працювати в напівавтоматичному режимі. Підприємству також були передані режими оброблення деталей із міді, латуні, алюмінію, нержавіючих сталей, конструкційних сталей у формі пластини, циліндра, кільця, кутка.
Економічний ефект від упровадження на підприємстві ВАТ "Азовмаш" склав 11850 гривень на рік.
ОСНОВНІ ВИСНОВКИ
1. У роботі вирішена важлива народногосподарська задача, яка полягає в підвищенні продуктивності зачищувальної операції в 3 рази при необхідній якості, за рахунок. виконання вібраційного оброблення незакріплених деталей в полі квазіпостійних відцентрових сил.
. Встановлено, що узагальнений технологічний критерій вібраційного процесу - добуток квадратів сумарних частот і амплітуд коливань робочої камери –є справедливим і для вібраційного оброблення незакріплених деталей в полі квазіпостійних відцентрових сил.
. Продуктивність вібраційного оброблення в полі квазіпостійних відцентрових сил прямо пропорційна масі та квадратові питомої ваги і зворотно пропорційно ударній в’язкості та квадрату межі міцності.
. Розроблено і виготовлено устаткування для здійснення вібровідцентрового оброблення в полі квазіпостійних відцентрових сил.
. Для вібровідцентрового оброблення в полі квазіпостійних відцентрових сил деталей в формі пластин, кутка, циліндра рекомендується робочі тіла ПТ15 марки 63С та діапазони режимів оброблення, що забезпечують максимальну продуктивність:
- амплітуда вібрацій - А = 3 - 7мм;
- кутова швидкість робочої камери - ω = 2 - 7 рад/с;
- об'єм завантаження робочої камери - Vз = 0,2 –,6м;
- співвідношення кількості деталей до робочих тіл - η = 60 до 40;
- частота вібрації - k = 30 - 50Гц;
. В найбільшій мірі на продуктивність вібровідцентрового оброблення в полі квазіпостійних відцентрових сил впливає: амплітуда вібрацій, потім, по мірі зменшення, частоти коливань робочої камери та кутова швидкість, яка визначає відцентрову силу.
. Мінімальний параметр шорсткості Ra для деталей, що виконані з латуні, меді, бронзи, конструкційної сталі 3, пружинної сталі 65Г, нержавіючих сталей, забезпечується при амплітудах коливань 4,5 ÷ 5,5 мм, що характеризується збалансованістю вібраційної і відцентрової складових.
. Запропоновано номограму, що дозволяє визначити необхідний час оброблення для досягнення необхідної висоти задирка.
. Економічний ефект від упровадження вібровідцентрового способу на ВАТ "Азовмаш" склав 11850 гривень на рік.
Основні положення дисертації, опубліковані в наступних роботах
1.Бурлаков В.И. Исследование влияния физико-механических свойств материала предохранительных деталей на процесс обработки // Защита металлургических машин от поломок: Сб. научн. тр. Вып.3.-Мариуполь,1998.-С.80-82.
2.Бурлаков В.И., Карпенко Т.Н., Барсуков В.А., Иванов В.И. Производительность процесса виброцентробежной абразивной обработки предохранительных деталей // Защита металлургических машин от поломок: Сб. научн. тр. Вып. 3.- Мариуполь,1998.-С.83-87.
.Бурлаков В.И. О влиянии параметров виброцентробежной обработки на ее производительность и шероховатость поверхности деталей // Вестник Приазовского гос. тех. ун-та: Сб. научн. тр. Вып. 6.- Мариуполь,1998.-С.125-126.
4.Бурлаков В.И. Улучшение качества поверхности деталей после виброцентробежной обработки для защиты их от поломок // Защита металлургических машин от поломок: Сб. научн. тр. Вып. 4.- Мариуполь,2000.-С.90-93.
.Бурлаков В.И., Барсуков В.А., Иванов В.И. Оптимизация времени виброабразивной обработки для повышения долговечности деталей // Защита металлургических машин от поломок: Сб. научн. тр. Вып. 4.- Мариуполь,2000.-С.94-96.
6.Бурлаков В.И. Зависимость производительности обработки от физико-механических параметров // Защита металлургических машин от поломок: Сб. научн. тр. Вып. 6.- Мариуполь,2002.-С.185-186.
7.Бурлаков В.И. Влияние параметров обработки на качество поверхности детали // Защита металлургических машин от поломок: Сб. научн. тр. Вып. 6.- Мариуполь,2002.-С.187-188.
Особистий внесок здобувача в роботи, що опубліковані в співавторстві:
[2] –теоретичні та експериментальні дослідження і визначення величин амплітуд власних коливань та частот коливань; [5] –розробка методики визначення норм часу для оброблення деталей з різних матеріалів
АНОТАЦІЯ
Бурлаков В.І. Підвищення продуктивності віброабразивного оброблення незакріплених деталей накладенням квазіпостійного поля відцентрових сил. - Рукопис.
Дисертаційна робота на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.03.01 - процеси механічної обробки, верстати та інструменти. Донецький національний технічний університет, Донецьк 2004.
У дисертаційній роботі відображені дослідження вихідних технологічних показників вібровідцентрового оброблення незакріплених деталей в полі квазіпостійних відцентрових сил. На підставі аналізу сучасних методів підвищення продуктивності викінчувально-зачищувальних операцій показано, що при виконанні віброабразивного оброблення в полі квазіпостійних відцентрових сил буде забезпечено підвищення продуктивності оброблення за рахунок домінування процесів мікрорізання.
Для вирішення поставленої задачі була розроблена математична модель вібровідцентрового оброблення незакріплених деталей в полі квазіпостійних відцентрових сил, розроблена лабораторна установка для проведення досліджень, установлені залежності продуктивності технологічного процесу від конструктивних, технологічних параметрів і фізико-технологічних властивостей матеріалу, знайдені оптимальні умови вібровідцентрового оброблення, результати досліджень впроваджені у виробництво з економічним ефектом 11850 гривень на рік.
Ключові слова: ВІБРОВІДЦЕНТРОВЕ ОБРОБЛЕННЯ В ПОЛІ КВАЗІПОСТІЙНИХ ВІДЦЕНТРОВИХ СИЛ, ПРОДУКТИВНІСТЬ, ЯКІСТЬ ОБРОБКИ, РЕЖИМИ ОБРОБКИ.
АННОТАЦИЯ
Бурлаков В.И. Повышение производительности виброабразивной обработки незакрепленных деталей наложением поля квазипостоянных центробежных сил. - Рукопись.
Диссертационная работа на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.01 - процессы механической обработки, станки и инструменты. Донецкий национальный технический университет, Донецк 2004
В диссертационной работе отображены исследования выходных технологических показателей виброцентробежной обработки незакрепленных деталей в среде свободного абразива. На основании анализа современных методов повышения производительности отделочно-зачистной операций показано, что при выполнении виброабразивной обработки в поле квазипостоянных центробежных сил будет обеспечено повышение производительности обработки за счет доминирования процессов микрорезания.
Для решения поставленной задачи была разработана математическая модель виброцентробежной обработки незакрепленных деталей, разработана лабораторная установка для проведения исследований, установлены зависимости производительности технологического процесса от конструктивных, технологических параметров и физико-механических свойств материала, найденные оптимальные условия виброцентробежной обработки.
Во введении обоснованы актуальность и целесообразность проведения исследований, сформулированы цель и задачи исследований, отмечены научная новизна и практическая значимость, а также личный вклад автора.
В первом разделе проанализированы современные способы повышения эффективности виброабразивной обработки. Показано, что производительность зачистных операций при требуемом качестве может быть повышена объединением вибрационного и центробежного методов. Поставлены цель и задачи исследований.
Во втором разделе обоснованы технологические возможности процесса виброабразивной обработки в поле квазипостоянных центробежных сил.
Повышение производительности обработки можно достигнуть, если в процессе обработки будет доминировать микрорезание, которое сопровождается удалением с детали тончайших стружек. При виброабразивной обработке этого можно достигнуть, если одновременно с вибрациями на рабочую среду будет действовать поле квазипостоянных центробежных сил.
На основании дифференциального уравнения движения системы получены формулы для определения частот собственных колебаний и амплитуд вынужденных колебаний. С использованием теории размерности получена формула, описывающая влияние физико-механических свойств материала на процесс виброцентробежной обработки.
В третьем разделе описаны методики экспериментальных исследований, оборудование, обрабатываемые детали, рабочая среда.
Параметры процесса виброцентробежной обработки исследовались на оригинальной лабораторной установке, позволяющей реализовать виброабразивную обработку в поле квазипостоянных центробежных сил.
Производительность виброцентробежной обработки исследовалась на деталях различной конфигурации: в форме пластины, пластины с отверстиями, цилиндрической формы, цилиндра с отверстием, уголки и уголки с отверстиями. В процессе обработки использовались детали различной жесткости. Материалы, из которых были изготовлены детали - бронза Бр Б2, и латунь ЛС 59-1, конструкционная сталь 3, пружинная сталь 65Г, нержавеющая сталь 40Х, медь М4, алюминий АМг6.
В качестве рабочей среды использовали призматические рабочие тела карбида кремния зеленый 63С с размером граней 15мм. Для снижения коррозионного воздействия, а также для очистки деталей от отходов абразивного материала и стружки, которая образовалась в процессе обработки, в качестве рабочей жидкости применялся 1 - 1,5 %- ный водный раствор кальцинированной соды (NaCO).
В исследованиях использовались следующие приборы: аналитические весы, профилометр-профилограф, блескомер, инструментальный микроскоп, тахометр.
В четвертом разделе исследовали влияние режимов, характеристик материала, формы детали, конструктивных параметров установки на производительность виброцентробежной обработки. В результате были установлены интервалы варьирования для проведения многофакторного эксперимента. С помощью многофакторного эксперимента получена математическая модель, описывающую влияние вышеперечисленных параметров на производительность виброцентробежной установки. Установлено, что в наибольшей мере на производительность виброцентробежной обработке в поле квазипостоянных центробежных сил оказывает влияние амплитуда вибраций, затем, по мере уменьшения, частота колебаний рабочей камеры и угловая скорость, которая определяет центробежную силу. Выполнение вибрационной обработки в поле квазипостоянных центробежных сил позволяет повысить производительность в 3 раза. Приведены данные о режимах, обеспечивающих максимальную производительность.
В пятом разделе исследовали качество обработанной поверхности при виброцентробежном способе обработки.
Установлена амплитуда вибраций, обеспечивающая минимальное значение параметра Ra, равная 5 мм, за счет сбалансированности центробежных и вибрационных сил, обеспечивающих отсутствие микроударов по поверхности детали.
Предложено необходимое время обработки определять с помощью номограммы по допустимой величине заусенца и зависимости съема металла.
Раздел шестой посвящен разработке, испытанию и внедрению в производство технологического процесса виброабразивной обработки.
Для условий опытно-промышленного производства была изготовлена и передана на производство опытно-промышленная виброцентробежная установка, которая может работать в полуавтоматическом режиме. Предприятию также были переданы режимы обработки деталей из меди, латуни, алюминия, нержавеющих сталей, конструкционных сталей в форме пластины, цилиндра, кольца, уголка.
Экономический эффект от внедрения на предприятии ОАО " Азовмаш" составил 11850 гривен в год.
Ключевые слова: ВИБРОЦЕНТРОБЕЖНАЯ ОБРАБОТКА В ПОЛЕ КВАЗИПОСТОЯННЫХ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ СИЛ, ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ, КАЧЕСТВО ОБРАБОТКИ, РЕЖИМЫ ОБРАБОТКИ.
THE SUMMARY
Burlakov V.I. Raising the productivity of vibroabrasive treatment of un fixed details by imposing of the qvasiconstant a centrifugal forces. -Manuscript.
Thesis for challenging of a Ph. D. on a speciality 05.03.01 - Processes of machining, machine tools and tools. Donetsk National Technical University, Donetsk 2004.
In presented thesis researches of target technological parameters of vibroabrasive treatment of un fixed details in free abrasive media are reflected. The analysis of modern methods of raising the productivity of furnishing-clearing operations allowed to show, that applying of the qvasiconstant centrifugal forces would supply an raising the productivity of vibroabrasive treatment by means of domination of microcutting processes.
For the reaching of the goal of the investigation the mathematical model of vibroabrasive treatment of un fixed details was developed, the laboratory installation for the realization of researches is created, the influence of constructive, technological parameters and physical and mechanical properties of a material on productivity of technological process are investigated, the optimum conditions of vibroabrasive treatment are found. The results of researches was used in manufacturing that allowed to get economic benefit of 11850 grivnias per year.
Key words: VIBROABRASIVE TREATMENT BY IMPOSING OF THE QVASICONSTANT A CENTRIFUGAL FORCES, PRODUCTIVITY, QUALITY OF TREATMENT, MODES OF TREATMENT.