Вестн. Самар. Гос. Техн. Ун-та. Сер. Технические науки. 2010. №4 (27) Машиностроение

Вид материала

Документы

Содержание Таблица 1    Результаты замеров температур в зонах пучности после 1 минуты обработки Таблица 2    Результаты замеров температур в зонах пучности после 10 минуты обработки Г и интенсивности касательных напряжений Т 1, выполненные с возможностью перемещения вдоль стойки с использованием приводов, подключённых к схеме их управления, включающей Библиографический список Diagnostics of temperature processes during a vibratory Моделирование многорезцовой обработки Статья поступила в редакцию 2 марта 2010 г. Упрочнение кромок лопаток рабочих колёс Контактная сила и глубина отпечатка при ударе Е – модуль упругости материала образца; l Библиографический список Hardening of blades’ edges of the driving wheel АрхитектурА системы автоматизации проектирования История версий. Параметр примитива Параметр элемента Инциденции соединений. Библиографический список Architecture of the screw extruder cad/cae system ... Полное содержание

Подобный материал:

• Вестн. Самар. Гос. Техн. Ун-та. Сер. Технические науки. 2010. №7 (28) Машиностроение, 604.71kb.
• Библиографический указатель составлен на основе просмотра рж винити сер.«Физика» иСер.«Геология», 12.67kb.
• Учебное пособие по выполнению курсовой работы Сызрань 2010, 939.14kb.
• Методические указания Самара Самарский государственный технический университет 2010, 334.58kb.
• Методические рекомендации для дипломного проектирования Самара, 142.87kb.
• Список основных трудов Сафуанова Ильдара Суфияновича. Об аффинных частях алгебраи­ческих, 24.49kb.
• Александра Михайловича Ляпунова. К 150-летию со дня рождения // Вестн. С. Петерб ун-та., 105.86kb.
• Методические рекомендации по изучению дисциплины для студентов специальностей 080801, 180.47kb.
• Нефтяная и газовая промышленность Технология разработки месторождений, 445.81kb.
• Задачи дипломного проектирования 4 организация работы над дипломным проектом в период, 823.26kb.

ВЕСТН. САМАР. ГОС. ТЕХН. УН-ТА. СЕР. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. 2010. № 4 (27)


Машиностроение


УДК 621.7.08


Диагностика температурных процессов

при виброобработкЕ маложестких деталей


Д.В. Гранченко^

Тольяттинский государственный университет

445667, Тольятти, ул. Белорусская, 14

E-mail : dondg@tltsu.ru


Приведены результаты экспериментов по снятию остаточных напряжений. Рассмотрен вопрос возникновения температуры в процессе виброобработки. Предложена установка для виброобработки с бесконтактным методом контроля процесса снятия остаточных напряжений.


Ключевые слова: виброобработка, остаточные напряжения, маложесткие детали, теплодиагностика.


Практически все технологические процессы машиностроения приводят к возникновению остаточных напряжений.

В большинстве случаев остаточные напряжения играют отрицательную роль. При воздействии внешних нагрузок в процессе дальнейшей механической обработки или эксплуатации остаточные напряжения, суммируясь с напряжениями от внешних сил, могут превысить предел упругости, что приводит к неравномерной пластической деформации, короблению, скручиванию и т.д. Помимо этого может произойти разрушение. Остаточные напряжения снижают прочность изделий при переменных и циклических нагрузках, влияют на износ при трении скольжения или качения.

Неблагоприятным проявлением остаточных напряжений в прокатных заготовках является их коробление в процессе прокатки и остывания. Проблема получения прямолинейных валов неразрывно связана со снижением и стабилизацией уровня остаточных напряжений.

Учитывая вышесказанное, можно сделать вывод, что проблема снижения уровня остаточных напряжений является важной.

Одним из способов снижения остаточных напряжений является виброобработка (ВО). По сравнению с наиболее распространенной термообработкой ВО имеет ряд преимуществ:

1. уменьшение трудоемкости;
   
2. энергосбережение;
   
3. экологичность.
   

Кроме этого, при ВО происходит устранение структурно-нестабильного состояния металлов.

В процессе ВО протекают микропластические деформации и другие процессы, приводящие к снижению остаточных напряжений и, в свою очередь, стабилизации геометрической формы и размеров детали. Наиболее интенсивно пластическая деформация в металлах и сплавах протекает в месте концентрации напряжений первого рода. Эффект достигается за счет сложения остаточных напряжений и напряжений от циклической нагрузки при превышении их суммы предела прочности. Деталь вибрируют на одной из резонансных частот, после чего измеряют остаточные напряжения тензометрическими, магнитоиндукционными или другими косвенными методами.

Наиболее распространенными являются методы, связанные с определением частоты колебания детали и вибратора. В работе [1] процесс ВО заканчивается по достижении постоянного значения логарифмического декремента. А по его величине и степени изменения судят о происхождении процесса снижения напряжения. Так как энергия, рассеиваемая по образцу, является функцией остаточных напряжений и деформации, а коэффициент поглощения  связан с логарифмическим декрементом  свободных затухающих колебаний соотношением 2, то справедливо выражение

 = F() = f(,E), (1)

т.е. логарифмический декремент дает информацию о наличии и величине остаточных напряжений.

Другой метод основан на регистрации амплитуды колебания изделия и частоты колебания вибратора [2]. Предлагаемое устройство автоматически обеспечивает поиск резонансной частоты по минимуму фазового сдвига рассогласования входных сигналов датчика амплитуды и датчика частоты и поддерживает колебания изделия на резонансной частоте.

Принципиальное отличие в критерии обработки представлено в [3]. В качестве критерия окончания ВО предлагается использовать силу тока, потребляемого электроприводом вибратора. Внутреннее напряжение вызывает затруднение короблений, и связанные с этим затраты энергии компенсируются энергией, сообщаемой детали при вибрации; по расходу энергии, потребляемой двигателем в начале и в конце процесса ВО, можно судить об изменении напряженного состояния. Работа вибратора продолжается до тех пор, пока ток электродвигателя на данной моде не упадет минимум на 10%.

На предприятии ОАО «Азотреммаш» г. Тольятти [4] были проведены исследования по снижению остаточных напряжений путем применения ВО.

Виброобработке подвергался маложесткий вал, изготовленный из стали 12×18Н10Т аустенитного класса: длина вала 5600 мм, диаметр 38 мм. Изгибно-крутильные колебания создавались двигателем мощностью 2,2 кВт, частота колебаний изменялась в пределах 50-100 Гц.

Заготовка устанавливается на подвесные опоры с регулируемой жесткостью, где фиксируется упруго от поворота и поперечных смещений.

Основной эффект вибрационной обработки достигается за счет резонансных частот. Обработка на высших гармониках более эффективна, так как коэффициент поглощения увеличивается с ростом гармоники собственной частоты, с которой резонирует возмущающая нагрузка.

Хотя резонансная амплитуда имеет меньшую величину на более высоких гармониках, проработка заготовки вала происходит более равномерно по длине.

Вносимая энергия определяется параметрами привода вибратора. Через известную мощность электромеханического привода и КПД мультипликатора определяется величина энергии колебаний, вносимой в заготовку. По значениям температуры в сечениях вала определяется энергия теплообразования вследствие механизмов внутреннего трения и теплообразования от процессов пластического деформирования.

В ходе виброобработки при воздействии на вал возмущающего гармонического усилия в течение 1 минуты произошел локальный разогрев заготовки в местах пучности смещений от комнатной температуры (около 20 С) до 86 С (максимальная температура).

На рис. 1 приведена схема обрабатываемого вала с точками замера температуры. Температура измерялась в местах пучности.




Р и с. 1. Расположение точек замера температуры


В табл. 1 приведены результаты измерения температур.


Таблица 1   

Результаты замеров температур в зонах пучности после 1 минуты обработки

Зона пучности	1	2	3	4	5
Замеренная температура, C	23	86	84	82	23

Из результатов эксперимента видно, что температура в местах пучности поднялась до 82 C, 84 C и 86 C. На концах вала температура практически не изменилась. После 10 мин виброобработки температура вала по его длине постепенно выровнялась благодаря теплопроводности (табл. 2).


Таблица 2   

Результаты замеров температур в зонах пучности после 10 минуты обработки

Зона пучности	1	2	3	4	5
Замеренная температура, C	36	39	37	38	35

В результате был выявлен новый признак, косвенно характеризующий остаточные напряжения, – температура. На основе полученных данных была поставлена цель исследовать тепловые процессы при ВО.

Контроль положения зон разогрева позволяет определять места наиболее интенсивной релаксации напряжений и управлять их смещением за счет использования дополнительных масс. Изменением технологических параметров вибрационной обработки (частоты воздействия, жесткости и инерционности заготовки) можно управлять степенью проработки каждого участка по длине, контролируя положение и перемещения зон первоначального разогрева, т.е. зон пучностей.

Возникновение температуры сопровождается возникновением теплового потока.

Теплота, выделяющаяся в результате диссипации механической работы пластической деформации, зависящая от исходного теплового состояния и величины инвариантов тензора деформаций в любой точке, может быть определена как

, (2)

где  – коэффициент выхода тепла при пластической деформации (0,84-0,94);

 – механический эквивалент теплоты;

W – работа пластической деформации, которая зависит от скорости деформации сдвига Г и интенсивности касательных напряжений Т в данной точке объекта деформации:

. (3)

Возникающее тепло определяет изменение температуры в деформируемой зоне

k d = c dT, (4)

где k — часть сохраняемого тепла, c — коэффициент объемного расширения. Или

dT / d = k / c, (5)

т.е. скорость изменения температуры по деформации пропорциональна напряжению.

В теории сопротивления материалов [5] имеются следующие соображения. В металлах наблюдается термоупругое влияние, которое зависит от ориентировки кристаллов, и поэтому изменение температуры, вызываемое деформацией поликристаллических образцов, колеблется от зерна к зерну. Данное явление есть следствие неполной упругости металлов. Также отмечается, что при растяжении образца за пределом текучести работа превращается в большей степени в теплоту, образец становиться горячим.

В теории металловедения описывается следующий эффект термоупругости [6]. Деформация, возникающая в результате быстрого приложения напряжения к какому-либо элементу, сопровождается обычно изменением температуры. При гомогенном распределении напряжений в образце изменение температуры в каждой точке оказывается одинаковым, но если напряжение, как это часто бывает, не гомогенно, в материале возникнут температурные градиенты. В результате образуется тепловой поток, повысится энтропия и произойдет рассеяние энергии, являющееся причиной внутреннего трения. Если период изменения приложенного напряжения сравним со временем, необходимым, чтобы через пластину установился тепловой поток, произойдет необратимое превращение механической энергии в теплоту; величина термоупругого коэффициента поглощения равна

(6)

где  – отношение Пуассона для данного материала; C_p, C_V – теплоемкости при постоянном давлении и постоянном объеме;  — циклическая частота колебаний;  = ( / а)²D, где D – коэффициент тепловой диффузии материала, а – толщина пластины. Аналогичное выражение Зинер приводит для термоупругого затухания балки круглого сечения, в которой возникают поперечные колебания. В поликристаллическом материале температурный эффект также имеет место. Соседние зерна ориентированы неодинаково, вследствие чего приложенное напряжение в разных зернах вызывает различные изменения температуры. В результате через границы зерен устанавливаются тепловые потоки, являющиеся причиной внутреннего трения, величина которого является функцией размера зерна.

В результате проведенных исследований был предложен новый метод контроля ВО. Отличительной особенностью от имеющихся является то, что в качестве способа контроля используется бесконтактная тепловизионная диагностика. Схема установки, реализующей новый метод, приведена на рис. 2.



Р и с. 2 .Функциональная схема САУ виброобработки с применением

тепловизионной камеры


На схеме представлены опоры 1, выполненные с возможностью перемещения вдоль стойки с использованием приводов, подключённых к схеме их управления, включающей датчики 2 для регистрации амплитуды колебаний различных частот обрабатываемой детали, их коммутатор 3, усилитель 4, первый нуль-орган 5, подключенный к задатчику 6, управляющий блок 7, усилители 8 сигнала и блок 9 управления опорами.

Вибровозбудитель 10, устанавливаемый на детали 11, выполнен с возможностью перемещения относительно него за счёт захвата и подключен к схеме управления его приводом, включающей бесконтактный датчик 12 температуры, например тепловизор, преобразователь 13, дифференциальный усилитель 14, силовой блок 15 привода.

Выводы:

– установлена зависимость изменения температуры от пластических деформаций;

– показано, что температура и тепловой поток являются эффективными критериями контроля виброобработки;

– разработана установка виброобработки маложестких деталей с использованием метода тепловизионной диагностики.


БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. А.с. 621749A1 СССР М.Кл.² C 21 D 1/30. Способ контроля виброобработкой конструкций / В.П. Гиниотис, Ю.Ю. Гецявичюс, В.И. Крищюнас, И.Ю. Адамонис (СССР). – № 2416588/22-02, заявл. 15.10.76, опубл. 30.08.76. Бюл. № 32. – 2 с.
   
2. А.с. 673997A1 СССР М.Кл.² С 05 D 19/02. Устройство для снижения остаточных напряжений сварочных конструкций / А.А. Казамиров и др. (СССР). – № 2459191/18-24, заявл. 05.03.77, опубл. 15.07.79. Бюл. № 26. – 5 с.
   
3. Драчев О.И. Технология изготовления маложестких осесимметричных деталей. – С.-Петербург: Политехника, 2005. – 289 с.: ил.
   
4. Бойченко О.В., Расторгуев Д.А. Виброобработка с наложением комплексных колебаний в техпроцессе изготовления маложесткого вала // Труды Всероссийской конф. «Прогрессивные техпроцессы в машиностроении». – Тольятти, 2002. – Вестник № 1 АМИ. – С. 85.
   
5. Ниблетт Д., Уилкс Дж. Внутреннее трение в металлах, связанное с дислокациями // Успехи физических наук. Т. LXXX. – Вып. 1, май 1963. – 125-187 с.
   
6. Постников В.С. Внутреннее трение в металлах. – М.: Металлургия, 1974. – 230 с.
   
7. Тимошенко С.П. Сопротивление металлов. Т.2. ОТИЗ 1946. – 456 с.
   

Статья поступила в редакцию 9 марта 2010 г.


UDC 621.7.08


DIAGNOSTICS OF TEMPERATURE PROCESSES DURING A VIBRATORY

TREATMENT OF A SMALL RIGID DETAILS


D.V. Granchenko^


Togliatti State University

14, Belorusskaya st., Togliatti, Samara region, 445667


Here are the experimental results of a removal of residual pressure. The question of occurrence of temperature during the vibratory treatment was considered. An installation of a plant for a vibratory treatment with non-invasive method of controlling the process of removal of residual pressure was offered.


Key words: vibratory treatment, Residual pressure, small rigid details, thermal imaging method.

УДК 621.9


МОДЕЛИРОВАНИЕ МНОГОРЕЗЦОВОЙ ОБРАБОТКИ


О.И. Драчев, Д.А. Расторгуев, О.Г. Романова^

Тольяттинский государственный университет

445667, г. Тольятти, ул. Белорусская, 14

Е-mail: Rast_73@mail.ru


В статье рассматривается моделирование многорезцовой обработки маложестких валов. Приведено описание установки для двухрезцового точения и системы управления процессом обработки. Проанализированы переходные процессы, возникающие в технологической системе, при обработке двухрезцовыми устройствами различного исполнения.


Ключевые слова: маложесткий вал, двухрезцовая обработка, переходный процесс, динамическая система, математическая модель.


Путём небольшой модернизации действующих станков можно достичь высокой производительности и качества обработки нежёстких валов, например применением многолезвийных блоков.

Недостатки известных технологий многорезцовой обработки: сравнительно невысокая точность обработки, так как при подстройке резцов возникает скачок при переходе от трения покоя к трению движения; низкая чувствительность и плавность поднастройки; низкие демпфирующие свойства; с увеличением силы резания увеличивается реакция в направляющих, что снижает точность и производительность обработки.

Целью данной разработки – двухрезцового суппорта – являются повышение точности обработки и ее сохранение в послеоперационный период.

Обработка ведется двумя резцами, расположенными друг напротив друга (рис. 1). Резцы выполнены поворотными относительно своих вершин, что позволяет за счет регулирования ширины срезаемого слоя (рис. 2) стабилизировать силу резания. При этом положение резцов, заданное при наладке относительно оси заготовки, не изменяется. При использовании поворотного двухрезцового суппорта с центром его вращения, совпадающим с осью вращения заготовки, изменение ширины срезаемого слоя сопровождается изменением как величины подачи, так и положения резцов относительно оси вращения заготовки. Резцы 1 поворачиваются относительно осей 2 с учетом знака на величины ± до тех пор, пока постоянные и переменные составляющие силы резания Р_х, не сравняются по величине.

Управление поворотом резца относительно оси, проходящей через его вершину, позволяет уравновесить силы Р_х в течение одного оборота – как их переменные, так и постоянные составляющие, – что приводит к минимальному отжиму резцов и стабилизации оси детали в процессе резания, позволяет увеличить глубину резания и подачу и одновременно стабилизировать уровень остаточных напряжений.

Для повышения эффективности обработки с использованием двухрезцовой оснастки необходимо учесть влияние переходного процесса при врезании резцов и сравнить их для двухрезцовой обработки в жестком суппорте и в поворотном. В математической модели процесса двухрезцовой обработки введены следующие обозначения: М­, m – приведенные массы подсистем вращающейся заготовки и инструмента, кг, соответственно; J_и – момент инерции инструмента, кг·м²; – крутильные (рад) смещения суппорта и осевые (м) смещения резцов;  – коэффициенты демпфирования (Н·с/м) и жесткости (Н/м) в поперечном направлении подсистемы заготовки, подсистемы инструмента и процесса резания соответственно; – коэффициенты демпфирования (Н∙с/рад) и жесткости (Н/рад) в крутильном и коэффициенты демпфирования (Н∙с/м) и жесткости (Н/м) в осевом направлении подсистемы инструмента; – коэффициенты жесткости процесса резания, Н/м; d – диаметр заготовки, м.




Рис. 1. Схема устройства для токарной обработки: 1 – заготовка; 2 – резец;
3 – резцедержатель; 4 – ось поворота резцедержателя




Математическая модель для двухмассовой расчетной схемы представляет собой систему неоднородных линейных дифференциальных уравнений второго порядка. Система уравнений движения элементов технологической системы с учетом упругой составляющей силы резания для обработки двухрезцовым суппортом может быть представлена в виде:



Рис. 2. Схема изменения углов
в плане ', " и ширины резания В₁ и В₂ в зависимости от угла поворота  резцедержателя


где



Силы резания в радиальном и осевом направлениях с учетом одновременной работы двумя резцами:



Передаточные функции звеньев технологической системы, приведенные к стандартному виду, имеют вид колебательных звеньев второго порядка:

;

;; ;

;; ; ; ; ; ; ,

где

,, , – коэффициенты податливости; , , , , , , , – постоянные времени.

С учетом полученных передаточных функций построена структурная схема двухрезцовой обработки (рис. 3). На ней пунктиром выделены добавочные блоки для моделирования обработки с поворотным суппортом. Моделирование проведено по экспериментальным данным в MatLAВ в подсистеме Simulink. Результаты моделирования представлены на рис. 4. Как видно из графиков, уменьшается амплитуда колебаний и время переходного процесса.



Рис. 3. Структурная схема двухрезцовой обработки

а	б

Рис. 4. Переходные процессы при обработке:

а – поворотным суппортом; б – жестким суппортом


Высокая жесткость двухрезцового суппорта без возможности регулирования ширины срезаемого слоя обеспечивает относительно небольшую амплитуду и малое время затухания переходного процесса при возмущении технологической системы на стадии врезания. Но если возникает эксцентриситет оси вращения заготовки, значительная погрешность ее исходного профиля за счет разной толщины срезаемого слоя в один момент времени на двух резцах, неуравновешенные силы резания будут приводить к отжиму заготовки с копированием погрешности. При этом в поперечном сечении вала формируются неоднородные остаточные технологические напряжения. Так как из-за конструктивных особенностей поворотный суппорт имеет меньшую жесткость, амплитуда колебаний и время затухания переходного процесса увеличиваются. Но из-за стабилизации сил резания по обороту величина установившейся упругой деформации при обработке поворотными резцами меньше, чем у жесткого суппорта, и точность обработки выше. Поскольку двухрезцовая обработка используется на черновой и получистовой обработке, снижение качества переходного процесса не существенно, т.к. это преимущественно отразится на микропрофиле. За счет выравнивания сил резания по обороту уменьшается копирование погрешности установки заготовки и ее профиля на обработанную поверхность. Выравниваются, соответственно, технологические остаточные напряжения, что стабилизирует точностные параметры заготовки в послеоперационный период и детали в эксплуатационный.

Испытание опытно-промышленного образца проводилось на токарном станке 1 А 616. Геометрические параметры обрабатываемых валов: длина 450 мм, диаметр варьировался от 20 до 30 мм, материал заготовок – сталь 40ХН и 40Х13. Геометрия инструмента  = 36, ’ = 24, сечение державки резца 1620, вылет 25 мм, скорости резания U = 100-150 м/мин, глубина резания t = 1-4 мм, подача S = 0,054-0,11.

Точность обработки валов в поперечных сечениях повысилась в 1,33-1,5 раза, производительность увеличилась на 30-35% путем увеличения подачи и глубины резания без потери виброустойчивости, шероховатость обрабатываемых поверхностей уменьшилась с R_а 2,0 до R_а 0,63.


Статья поступила в редакцию 2 марта 2010 г.


UDC 621.9


O.I. Drachev, D.A. Rastorguev, O.G. Romanova^

Togliatti State University

445667, Togliatti, Belorusskaya str., 14


The article deals with the modeling of the multiple tooling of small rigid shafts. A description of the installation for two-cutter turning operation and processing operations control system is presented. The transient processes arising in the technological system at the processing of the two-cutters in different versions are analyzed.


Key words: little hard shaft, two tool processing, transient, dynamical system, mathematical model.

УДК 55.21.21