CC BY
19
УДК 621.9.048
ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОЙ ОТДЕЛОЧНО-УПРОЧНЯЮЩЕЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ
А.Н. Михайлов, А.В. Лукичев, С. А. Матвиенко
Для реализации нового способа акустической отделочно-упрочняющей обработки в квазиупругой среде разработана вибрационная установка на базе электронного генератора и звуковой колебательной системы на основе пьезопреобразователя. Установка предназначена для осуществления комбинированной отделочно-упрочняющей обработки, основанной на совместном воздействии эффекта акустических резонансных колебаний и влияния квазиупругой среды.
Ключевые слова: вибрационная установка, электронный генератор, звуковая колебательная система.
Введение. В современном машиностроении основное влияние на качественные и эксплуатационные показатели деталей оказывают финишные операции [1]. Задача повышения качества продукции связана с совершенствованием известных и разработкой новых, эффективных методов финишной обработки, среди которых ведущее место занимают методы вибрационной обработки (ВиО). Вибрационные методы отделочно-упрочняющей обработки (ОУО) характеризуются высокой эффективностью и относятся к экологически чистым ресурсосберегающим технологиям. Расширение технологических возможностей вибрационной ОУО путем разработки новых и совершенствования уже существующих технологий требует создания и промышленного внедрения нового высокоэффективного оборудования. Существующие электромеханические системы, включают в себя звуковые колебательные системы на базе магнитострикционных пьезопреобразователей, и не имеют возможности вести ВиО деталей на резонансных частотах звукового диапазона, соответствующих наибольшей амплитуде колебаний, что ведет к росту энергозатрат и увеличению длительности обработки.
Главным принципом проектирования новых технологий ОУО является принцип комбинирования различных видов энергетического воздействия на зону обработки [2- 4].
Цель статьи - теоретически обосновать реализацию нового способа акустической ОУО в квазиупругой среде (АООКУС) с разработкой установки, реализующей возбуждение колебаний заданной и управляемой частоты, приложенных от концентратора звуковой колебательной системы (ЗКС) непосредственно к детали с использованием явления резонанса. Выполненный анализ традиционных способов ОУО позволил сделать вывод о перспективности АООКУС в обеспечении качества рабочих поверхностей деталей пар трения и их наиболее значимых параметров: микротвердости и микрогеометрии [5-7].
Способ АООКУС заключается в придании детали вынужденных колебаний в звуковом частотном диапазоне, вызывающих резонанс. В результате происходит силовое взаимодействие ПС детали с окружающей квазиупругой средой, в результате которого изменяются параметры ПС, оказывающие основное влияние на эксплуатационные свойства деталей, которые и определяют ресурс деталей. Совокупность перечисленных воздействий формирует процесс, подобный поверхностно-пластической деформации (ППД).
Предложенный способ АООКУС [8-9] стал основой создания экспериментальной вибрационной установки. Принцип работы установки основан на возбуждении механических колебаний обрабатываемой детали в режиме резонанса.
Вибрационная установка включает: задающий ультразвуковой электронный генератор импульсов звукового частотного диапазона; звуковую колебательную систему на базе пьезопреобразователя энергии электрических колебаний в энергию упругих колебаний, жестко закрепленную на раме установки; систему управления и контрольно-измерительный комплекс. Преимущества предлагаемой виброустановки перед существующими следующие: низкая себестоимость, работа в энергосберегающем режиме, простота конструкции.
Работа вибрационной установки осуществляется следующим образом. Электронный генератор вырабатывает электрические сигналы заданной частоты, управляемой и подстраиваемой под частоту собственных колебаний детали, поступающие на пластины пьезопреобразователя. В результате возбуждаются дискретные колебания в звуковом частотном диапазоне волновода-концентратора звуковой колебательной системы.
Генератор предназначен для преобразования электрической энергии бытовой сети в акустические колебания, поиска резонансной частоты звуковой колебательной системы, установления и поддержания требуемых параметров амплитудно-частотной характеристики колебаний. Основные технические характеристики генератора приведены в таблице.
Технические характеристики генератора
№ п/п Параметр Значение
1 Напряжение питания генератора, В 65
2 Частота, Гц 50
3 Максимальная мощность генератора, кВт 0,4
4 Регулирование мощности Плавное
5 Импульсная мощность, кВт 0,1-30
6 Длительность импульсов, мкс 20-25
Генератор смонтирован в стальном корпусе, который состоит из двух отсеков. В одном смонтирован генератор тиристора, в другом - схемы управления. Охлаждение тиристоров осуществляется вентилятором. Расположение органов управления показано на рис. 1.
1
16 Г
Рис. 1. Схема передней панели генератора: 1 - автоматический выключатель; 2 - вольтметр для контроля напряжения питания генератора; 3 - амперметр для контроля тока питания генератора;
4 - «Пуск»; 5 - «Стоп»; 6 - разъем для подключения пьезопреобразователя; 7 - « Работа-контроль»; 8 - тумблер «Сеть» для включения напряжения сети; 9 - предохранитель для защиты источника питания цепей управления; 10 - лампа контроля сети цепей управления; 11 - разъем для приборов; 12 - регулировка «Частота тонко»; 13 - регулировка «Частота»; 14 - разъем для подключения пьезодатчика; 15 - регулировка «Чувствительность» усилителя пьезодатчика; 16 - микроамперметр индикатор резонанса
Генератор состоит из следующих функциональных узлов: выпрямителя генератора, тиристорного генератора, схемы защиты по току, задающего генератора-формирователя импульсов управления, усилителя импульсов управления, усилителя пьезодатчика, выпрямителя цепей управления, соединительных разъёмов.
Генератор работает следующим образом. Включается напряжение питающей сети. Устанавливается режим работы «Генератор» и производится включение генератора кнопкой «Пуск». Схема задающего генератора начинает генерировать последовательность импульсов, которые поступают на вход триггера. На выходе триггера напряжение имеет форму меандра. На фронтах меандра формируются нечётные импульсы, начиная с
285
первого, а на спадах - чётные. Т.о. формируется два канала импульсов управления, которые поступают на усилитель импульсов. Усилитель импульсов двухканальный и производит усиление по мощности, необходимой для включения тиристоров. Импульсы нечётной последовательности включают тиристор, создающий на выходе генератора импульсы положительной полярности, а импульсы чётной последовательности - импульсы отрицательной полярности. Акустический сигнал от детали принимается вибрационным датчиком, что превращает механические колебания в переменное напряжение той же частоты, который усиливается и измеряется вольтметром. Выполнение условий резонанса в исследуемой акустической системе отвечает резонансному пику на амплитудно-частотной характеристике. Для защиты генератора от перегрузок и аварийного состояния установлена схема защиты по току. Структурная схема генератора приведена на рис. 2.
Рис. 2. Структурная схема генератора
286
Схема работает следующим образом. Напряжение с датчика тока, установленного в цепи питания генератора, поступает в схему защиты по току, на компаратор (схему сравнения), порог срабатывания которого настроен на максимально допустимый ток. При увеличении тока выше допустимого схема защиты выключает выпрямитель генератора и генератор выключается. Контроль тока и напряжения питания генератора осуществляется вольтметром и амперметром.
Для настройки системы «генератор - деталь» в резонанс, в генераторе установлены усилитель пъезодатчика и микроамперметр. На вход усилителя могут подключаться пьезодатчики, прикрепленные к обрабатываемой детали. К выходу усилителя подключены микроамперметр и разъём для подключения измерительных приборов. В момент возникновения резонанса в системе «генератор - звуковая колебательная система - деталь» происходит резкое и максимальное отклонение стрелки микроамперметра.
Выпрямитель цепей управления состоит из понижающего трансформатора, выпрямительных диодов, электронных стабилизаторов напряжения и предназначен для обеспечения стабилизированным напряжением схемы управления.
Звуковая колебательная система предназначена для преобразования энергии электрических колебаний в механические колебания звуковой частоты и состоит из электромеханического преобразователя пьезоэлектрического типа, построенного на основе 12 кольцевых элементов из пьезокера-мики, и концентратора-волновода, предназначенного для передачи механических колебаний требуемой амплитудно-частотной характеристикой обрабатываемой детали (рис. 3).
Волновод 1 с помощью гайки 3 соединяет пьезокерамические пластины 2 с отражателем 4. Часть концентратора внутри пьезокерамических пластин обмотана изолирующим материалом. При подаче тока на контактные шайбы 5 и пьезокерамические пластины 2 действует электрическое поле и благодаря пьезоэффекту пластины 2 изменяют свои размеры. Концентратор отделен от контактной шайбы прокладкой 6. Изменение размеров пьезокерамических элементов приводит к перемещениям концентратора-волновода 1, который одновременно является концентратором колебаний и осуществляет их усиление.
В качестве электродов используется медь толщиной 0,05 мм. В пье-зопреобразователе используются пьезокерамические элементы из материала средней сегнетожесткости ЦСТ Ст-3. Эти материалы характеризуются высокой механической добротностью, малыми диэлектрическими потерями, в том числе в сильных электрических полях.
Пьезокерамические элементы имеют форму дисков с пьезомодулем ё33, толщиной 6 мм, наружным диаметром 30,14 мм и внутренним диаметром 14 мм.
Рис. 3. Схема звуковой колебательной системы
Деформация элемента определяется по формуле
г = й • Е, (1)
где г - деформация; Е - напряженность электрического поля Емкость одной пластины
С , (2)
I
где £ - относительная диэлектрическая проницаемость; £о - абсолютная диэлектрическая проницаемость; площадь кольца.
Сдвиг пьезопластины определяется по формуле
£ к = й зз • Е + ЗЕ • вр + 275 • 0,0005 + 0,004 • 0,35 + 0,1389, (3)
В процессе работы пьезопреобразователя пьезопластины испытывают деформации по толщине и длине.
Резонансная частота /р определяется по формуле
/р =-г/=, (4)
л/
1 - к
2
где /0 - собственная частота пьезоэлектрического преобразователя, которая вычисляется по формуле
Е
Г =1Т=1
64-109
2й 2 • 30,14 следовательно,
,3
- = 48 Ад.
7,4 10 (5)
/Р = , 48 2 = 87,3 Ао, ф - 0,672
Антирезонансная частота пьезоэлемента, имеющего форму диска равна собственной частоте: /а = /о = 87,3Гц. Разработанная вибрационная установка позволяет производить обработку с частотой колебаний от 127 до 9000 Гц и амплитудой до 100 мкм.
Вывод. Представленная вибрационная установка позволяет реализовать преимущества способа АООКУС, исследовать и разработать технологическое обеспечение этого способа, повышающего качество поверхностного слоя деталей.
Список литературы
1. Качество машин: справочник: в 2 т. / А.Г. Суслов, Э.Д. Браун, Н.А. Виткевич [и др.]. М: Машиностроение, 1995. Т. 1. 256 с.
2. Суслов А.Г. Разработка новых конкурентоспособных технологий Авиационная и ракетно-космическая техника с использованием новых технических решений. Ч.1: материалы Международной школы-конференции молодых ученых, аспирантов и студентов им. П. А. Соловьева и В. Н. Кондратьева. Рыбинск: РГАТА. 2006. С. 169 - 175.
3. Мицык А.В., Федорович В. А. Аналитика, комментарии и классификация технологий отделочно-зачистной виброобработки, созданных комбинированием различных схем энергетического воздействия // Сучасш технологи в машинобудуванш. 2016. № 11. С. 175 - 189.
4. Бабичев А.П. Применение вибрационных технологий на операциях отделочно-зачистной обработки деталей. Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2010. 285 с.
5. Михайлов А.Н. Технологическое обеспечение звукорезонансной отделочной обработки в квазиупругой среде // Сборник трудов XXII Международной научно-технической конференции «Машиностроение и техносфера». Донецк: ДонНТУ, 2015. С. 88 - 93.
6. Метод звуково!' вiбрацiйноi обробки та його експериментальш дослщження / С.В. Ковалевський, С.А. Матвieнко, О.П. Сакно, [и др.] // Мiжвузiвський збiрник. 2013. №. 37. С. 177 - 182.
7. Змша характеристик робочих поверхонь деталей при звуковш вiбрацiйнiй обробщ в пружному середовишд / С.В. Ковалевський, С.А. Матвieнко, О.П. Сакно [и др.] // Вюник Нацюнального ушверситету «Львiвська полггехшка». 2013. № 746. С. 33 - 38.
8. Ковалевський С.В. Спошб вiбрацiйноi оздоблювально!' обробки деталей у квазшружному середовищд // Патент Укра'ни на корисну модель № 98504 и, В23Р 9/00. Дата подання заявки 05.12.2014. БИ №8 вщ 27.04.2015. 2 с.
9. Vibration sound processing in an elastic environment and a device for its implementation / S. Kovalevskyy, S. Matvienko, I. Starodubcev, O. Lu-kichov // Research and Development in Mechanical Industrry: 13 th International conference, 12-15 september 2013. Kopaonik, Serbia - RaDMI., 2013. Р. 205 - 211.
Михайлов Александр Николаевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, mntk21@,mail.ru, Донецкая народная республика, Донецк, Донецкий национальный технический университет,
Лукичев Александр Владимирович, канд. техн. наук, доц., a_lukichov@,mail.ru, Донецкая народная республика, Донецк, Донецкий национальный технический университет,
Матвиенко Сергей Анатольевич, serge-matvienko@yandex.ru, Донецкая народная республика, Донецк, Донецкий национальный технический университет
APPARATUS FOR CARRYING OUT ACOUSTIC FINISHING-STRENGTHENING
PROCESSING DETAILS
A.N. Mikhaylov, A.V. Lukichov, S.A. Matvienko
Proposed vibratory installation based on ultrasonic sound generator and vibrating system on the basis of the piezoelectric transducer. The unit is designed for combined finishing-strengthening processing based on the effect of acoustic resonance oscillations in the quasi-elastic environment.
Key words: vibrating setting, ultrasonic generator, sonic vibrating system.
Mikhaylov Alexander Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, manager of cathedra, mntk21 @,mail. ru, Donetsk people republic, Donetsk, Donetsk National Technical University,
Lukichov Alexander Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, a_lukichov@,mail. ru, Donetsk people republic, Donetsk National Technical University,
Matvienko Sergey Anatolyevich, serge-matvienko@yandex. ru, Donetsk people republic, Donetsk, Donetsk National Technical University
