Анализ конструкций виброактивных переходников для обработки хрупких неметаллических материалов в условиях мелкосерийного производства Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 681.7.023.72

Е.И. Бусаров

магистрант,

Арзамасский политехнический институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»

Д.А. Игнатьев

канд. техн. наук, доцент, кафедра «Технология машиностроения»,

Арзамасский политехнический институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»

П.В. Лебедев

магистрант,

Арзамасский политехнический институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»

АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ ВИБРОАКТИВНЫХ ПЕРЕХОДНИКОВ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ХРУПКИХ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ В УСЛОВИЯХ МЕЛКОСЕРИЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Аннотация. Рассмотрен процесс обработки хрупких неметаллических материалов с применением антивибрационных переходников с целью повышения качества обработанной поверхности и уменьшения амплитуды колебаний в зоне резания. Построена математическая модель обработки системой «инструмент-переходник», оснащенной однокаскадным виброгасителем. Предложена новая конструкция антивибрационного переходника.

Ключевые слова: вибрации, хрупкие неметаллические материалы, обработка, качество, переходник.

E.I. Busarov, Arzamas Ро1^есИп1са1 Institute (branch of) Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev

D.A. Ignatyev, Arzamas Рolytechnical Institute (branch of) Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev

P.V. Lebedev, Arzamas Рolytechnical Institute (branch of) Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev

ANALYSISOFCONSTRUCTIONS VIBROAKTIVE ADAPTERS FOR PROCESSING BRITTLE NON-

METALLIC MATERIALS IN THE SMALL-BATCH PRODUCTION

Abstract. In the article, there are the manufacture with the processing of brittle non-metallic materials with using anti-vibration adapters in order to improve machine surface's quality and reduce vibration processes in the tool zone is described. A mathematical model of the processing is constructed by the "tool-adapter" system, fitted out by a single-stage vibration damper. The design of anti-vibration adapter is offered.

Keywords: vibrations, fragile nonmetallic materials, processing, quality, adapter.

Задачей современных производств деталей из хрупких неметаллических материалов (ХНМ) является повышение качества обрабатываемых поверхностей за счет снижения интенсивности колебательных процессов, сопровождающих процесс шлифования, что достигается, в частности, за счет применения антивибрационных переходников.

Актуальным применение переходников, а не специальных инструментов, становится в условиях мелко- и среднесерийного производств. В данных условиях применение специального инструмента является экономически не эффективным из-за их высокой себестоимости, сложности перенастройки при изменении технологических параметров обработки. Переходники лишены указанных недостатков и могут работать со стандартными кругами всех типов. Незначительным недостатком антивибрационных переходников является менее точная настройка виброгасящей системы, так как они построены по принципу однокаскадного виброгасителя.

Расчетная схема антивибрационного переходника с однокаскадной системой

виброгашения представлена на рисунке 1.

В случае обработки ХНМ системой «инструмент-переходник», оснащенным однокаскадным виброгасителем на определенном интервале частот вращения шпинделя виброгасящая система «инструмент-переходник» входит в резонанс с вынужденными колебаниями шпинделя станка, в результате чего система «инструмент-переходник» приобретает ударное воздействие, происходит увеличение сил резания. Все это в свою очередь приводит к появлению грубых дефектов проявляющихся в виде сколов и трещин, а также к увеличению глубины шероховатого и дефектного слоев обработанной поверхности.

Рисунок 1 - Схема антивибрационного переходника, оснащенного однокаскадной системой виброгашения: у=Аэп(^) - колебания шпинделя станка, с1 - жесткость упругого элемента, ^ - коэффициент вязкого трения упругого элемента, М - масса рабочей части круга, с2 - жесткость СОТС, Ь2 - коэффициент вязкого трения СОТС

Составим математическую модель поведения рабочей части шлифовального круга [1], которая поясняется рисунком 1.

В этом случае дифференциальное уравнение вынужденных колебаний будет следующим

Мх1 + с2 х1 + Л2 х + с1(х1 - у) + ЛДх, - у) = 0. (1)

Решение данного дифференциального уравнения состоит из общего и частного решения. Общим решением можно пренебречь, так как оно представляет собой гармонические затухающие колебания, которые продолжаются небольшой период времени и влияют на поведение рабочей части незначительно.

С другой стороны, для конечного решения поставленной задачи о передаче продольных механических колебаний от шпинделя к заготовке необходимо найти передаточную функцию W(p) системы (1), и определить амплитудно-частотную характеристику Л(ю). Для этого

вводим дифференциальный оператор р по закону: И1 = р2х1; Х:1 = рх1; у1 = ру и производим его подстановку в уравнение (1). Тогда дифференциальное уравнение примет вид:

(Мр2 + р(Л1 + + (с1 + С2))х1 = (Л1р + с1)у.

Искомая передаточная функция примет следующий вид:

W (р) = Х = —2-^^-.

у Мр2 + р(/1 + Л,) + (с + с 2)

(2)

(3)

Для определения АЧХ необходимо в передаточной функции дифференциальный оператор р заменить на ¡а, получим комплексную передаточную функцию W(¡ю):

М {¡6}) =

Лб+ с1

M{¡'6) + ¡б(Л1 + Л2) + {с1 + о2)

= Р (б) + ¡0(6),

(4)

М (¡6) =

Л6 (Л + Л2) + с1(с1 + о2) - с1М«2 (с1 + о2)2 - 2Мб2(с1 + с2) - (Мб2)2 + 6(Л, + Л2)2

Л1«+ (с1 + о2) -Л1Мб3 - с1б(Л1 + Л2) (с1 + о2)2 - 2Мю2(о1 + с2) - (Мб2 )2 + б2 (Л1 + Л2)2 Следовательно:

(5)

Р(б) =

0(6) =

Л1б2(Л1 + Л2) + о1(о1 + о2) - о1Мб2 (о1 + о2)2 - 2Мб2 (о1 + о2) - (Мб2)2 + б2(Л1 + Л2)2 "

Л1б(о1 + о2) + Л1Мб3 - о1б(Л1 + Л2)

(6)

(7)

(о1 + о2)2 - 2Мб (о1 + о2) - (Мб2 )2 + б2(Л1 + Л2)2 Амплитудно-частотная характеристика определяется согласно выражению (8):

Л(б) = ^Р2(б) + 02(б) . (8)

На рисунке 2 представлен график АЧХ, полученный по математической модели с применением программного обеспечения МаШса^

140 245 Ш 2» 132 255 15! Ж 254 Ж] 270 273 276 П9 282 2!з

СО. раа'с

Рисунок 2 - АЧХ однокаскадной системы, полученной согласно математической модели

Рассмотрим некоторые конструкции антивибрационных переходников.

На рисунке 3а представлена конструкция антивибрационного переходника [2], состоящего из металлического корпуса 1, оснащенного поверхностью для крепления в шпиндельном узле станка, штока 2, который имеет возможность продольного перемещения в корпусе по направляющим пазам, за счет которых передается крутящий момент. На штоке также имеются технологические поверхности для крепления инструментов для торцевой обработки конструкционных материалов, упругих элементов 3, которые прижимают шток к торцу направляющего кольца 4, резинового уплотнения 5, вязкого вещества 6. Шток 2 фиксируется в корпусе 1 направляющим кольцом 4, которое крепится к корпусу 1 крепежными элементами 7.

+

Недостатком такой конструкции является использование винтовых пружин, имеющих невысокую допустимую нагрузку при незначительной деформации пружины, и небольшую упругость при малом ходе пружины, а также нелинейные характеристики упругости.

Вышеуказанный недостаток устранен в следующей конструкции антивибрационного переходника, изображенного на рисунке 3б.

Данный антивибрационный переходник состоит из металлического корпуса 1, оснащенного поверхностью для крепления в шпиндельном узле станка, крышки 5, присоединенной к корпусу 1 по средствам винтового соединения 4, штока 2, который имеет возможность продольного перемещения в корпусе, находящегося в среде вязкого вещества 7, которое циркулирует через отверстия в тарельчатых пружинах 3 и 9, на штоке посредством пальцев 10 фиксируется тарельчатая пружина 9, закрепленная с помощью винтового соединения 8 в корпусе 1, что дает возможность передачи крутящего момента, также на штоке имеются технологические поверхности для крепления инструментов для торцевой обработки хрупких неметаллических материалов, тарельчатой пружины 3, которая задает упруго-поджатое состояние штока 2, резинового уплотнения 6.

а) б)

Рисунок 3 - Конструкции антивибрационных переходников

В ходе данного исследования была описана математическая модель определения АЧХ для системы инструмент-переходник, выполненной по схеме однокаскадного виброгасителя. Произведен анализ существующей конструкции антивибрационного переходника, у которого были выявлены некоторые недостатки, устраняемые в предложенной конструкции антивибрационного переходника.

Список литературы:

1. Лебедев П.В., Игнатьев Д.А. Методика проведения эксперимента, обосновывающая математическую модель поведения шлифовального круга / П. В. Лебедев, Д.А. Игнатьев // Наука молодых: сборник материалов VIII Всероссийской научно-практической конференции, 23-27 марта 2015 г., г. Арзамас. / Ассоциация ученых г. Арзамас, Арзамасский политехнический

институт (филиал) НГТУ, Арзамасский филиал ННГУ им. Н.И.Лобачевского. - Арзамас, 2015. -С.106-111.

2. Заявка на полезную модель РФ № 2015121029, 03.06.2015.