CC BY
10
В. Ф. I УРЬЯНИХИН В. С. Ю1AHUB
исследование основных параметров шукового поля при пыьфовашш
Нздсстато^чая изученность акустического иллучейи* в процессе шли-фзваиия заготовок затрудняет расчс ■ npocKiKpo лис и эксплуатацию устройств для контроля режущей способности кругов методом низки частотной акустической эмиссии [1].
Излучение звука шлифовальным Kpyi ом следует исследовал ь в два этана На первом этапе должна быть решена трехмерная задача колебаний круга (кольцевой пласшны) и выявлено распределение колебательных скоростей на его поверхностях. Решение несимметричной задачи, которая имеет место в нашем случае сопряжено с значительными трудностями обусловленными сложностью постановки граничных условии для вращающегося шлифовального круга, упруго закрепленного на планшайбе и находящегося под действием в зоне контакта с заготовкой си.л.1 и шфования Р, произвольно изменяющейся по направлению и представляющей собой случайную функцию времени, а также трздноетью решения при тайных граничных условиях уравнения колебаний круга [2] На втором лапе необходимо рассчитать основные параметры несвободного звукового ноля, например, звуковое давление, создаваемое колеблющейся пластиной. Строгий магемагический расчет звукового давления, создаваемого кругом при шлифовании заготовок, невозможен ввиду исключительной сложности процессов взаимодеиствия отраженных. ПреЛОМЛеННЫХ И ИЗЛуЧавМЫХ ЗВМСОВЫХ ВОЛН, ПРОИСХОДЯЩИХ BHVTpH
защитного кожуха крут а
Авторы экспериментально исследовали распределение звукового давления в ближней (kL «" 1, где к - волновое число, м"1; L - расстояние от торца шлифовального круга до приемника звуковых колебаний) и лальней (И. ш 1) зонах звукового поля при шлифовании заготовок и разработает на этой основе математическую модель акустических сигиалои.
Эксперимента шные исследования ировомили на плоскошлифовальном станке ЧЬ711В при предварительном шлифовании заготовок из тгали Р6М5 кругами ПП 25U (i SOjxHx /6 харак1еристики 25Л25НСМ17КЭ с окружной скоростью круга 35 м/с. Высотой круга Н варыпювали в диапазоне от 10 до 40 мм. Прием и обработку акустических си-налов осуществляли по методике, изложенной в раооте [1]. В качестве основных хараюеристик звукового поля использовали частоту f звуковых колебаний, звуковое давление р, длину к зв^овых волн и звуковую мощность N; излучения
Па первом этапе экспериментальных исследований с целью выявления поверхностей шлифовального круга яв, яющихся основьыми источниками звукового излучения, и расчета уровня звуковой мощности излучателя (круга), снимали характеристики направленности [3] дальнего звукового поля при шлифовании заготовок кротами одной xapaiciэристики и ралной высоты. Расстояние J превышало П/2 где D - диаметр круга.
Установлено, что основным источником излучение зкугтичрскн* сигналов при соотношении размеров круга H/D < 0,35 и d/D < 0,4 (d диаметр отверстия в Kpyie) являются его торцовые поверхности, причем направление
82 Ве^гник \ лГТУ 3/09
максимума звукового давления pmi находится на оси круга С уменьшением нысоты круга Н с 40 до 16 мм и соответственно отношения DА, с 3,1 до 0,65 ко шфициент направленности у увеличивается с 1,87 до 2,9, а угол а раствора лепестка основного максимума уменьшается с 180° до 50°, т е. излучение чнука становится более направленным (табл .). При соотношении D > А, на диаграммах направленности, кроме основного макси\гума,появляются вторичные максимумы, характерные для кругов высотой 25 и 40 мм, что объясняется яв-исчием интерференции Следовательно, при текущем контроле состояния режущей способности шлифовального юэуга методом низкочастотных ак)сти-чееких колебаний в качестве инфоомативньтх параметров целесообразно использовать звуковое давление или звуковую мощность
Параметры дальнего звукового поля, создаваемого при пи лЛовании заготовок
Размеры круга, мм L, M f, Гц M Y a, град Ртя*-Па Na-10"6, Вт
D Н d
gn i. V f V/ n If. Vj^V 20^0 0,160 -> n 128 0,198 63,98
250 16 76 0,20 900 0,382 1,37 180 0,159 15,4о
250 20 76 0,2 1300 0,264 2.0/ 180 0,148 12,09
180 20 16 0,2 1650 0,208 2,03 180 0,06 2,16
.80 20 7b 0,3 3400 0,101 pi 180 0,038 1 64
i__>\J ¿-■J nr. 1 w л n ' "элл • JUU Л 1 U,l" \J 2,30 in •»u Л Л0 1 U,UO 1 1 Л Т7 IV. С
250 40 76 0.66 4250 0,08: 2,91 50 0.044 8,29
Анализ результатов исследований дальнего звукового поля (см. табл.) показал, чго с увеличением высоты Н и уменьшением диаметра Б коуга уровень звуковой мощности N. уменьшается. При этом изменение диаметра круга оказывает доминирующее влияние на изменение звуковой мощности; так, увеличение высоты круга с 16 до 40 мм (в 2,5 раза; приводит к уменьшению Ка в 1,86 раза, а уменьшение диаметра круга с 250 до 180 мм (в 1,4 раза) вызывает уменьшение с 5,6 раза. >ти закономерности объясняюгся тем, что с увеличением высоты круга повышается его жесткость на изгиб и соответственно уменьшается амплит> та изгибных колебаний и колебательной скорости круга, а,следовательно, и уровень звуковой мощности N.. Кроме тою, уменьшение диаметра О круга прпвод:гг к уменьшению площади его излучающе; (торцовой) поверхности и числа ис;реч (ударов) абразивных зеиен о заготовку вследствие уменьшения окружной скорости круга.
Веитник УлГТУ 3/99 83
На втором этапе экспериментально исслецовали распределение звукового давления в ближней зоне свободного звукового поля, создаваемого кругом без защитного кожуха. Звуковое давление измеряли в узлах коор, щнатных сеток в пределах торцовой поверхности круга в двух сечениях, проходящих через ось вращения круга перпендикулярно и параллельно зеркалу стола плоскошлифовального станка. Как видно из рис. 1, звуковое давление вблизи торцовой поверхности круга в вертикг шпой плоскости (кривая 1) имеет в 1,5 раза большее значение у его периферии, чем в "защемленной" зоне контакта круга с заготовкой.
Г
0,2 П
од 0,1 0,0
+ 0.2 Яа
Р0'1 ОД
0,0
}
¿4, ♦к
1 1
/-—' "1 1 1, —' /Ч—
1 - * „ , 1 7 1
Ь= 100 мм
Ь = 60 мм
Ь = 20
Рис. 1 Б. [ижняя зона звукового поля при шлифовании заготовок коугом 1Щ 250x20x76: 1 и 2 - соответственно звуковое давление в плоскости, параллельной и перпендикулярной зеркалу стола станка
Уменьшение звукового давления в области, прилегающей к зоне шлифования, связано с повышением контактной жесткости Ст стыка "круг-заготовка" (рис. 2) по сравнению с жесткостью стьп:сз С "планшайба -прокладка - круг", что и приводи! к уменьшению амплитуды изгибных колебаний и потенциала скоростей на торцовой поверхности круга в этом месте Звуковое давление вблизи рабочей поверхности круга близко к уровню шумов технологической скстег.ял и, вследствие сильной турбулентности воздушных потоков, измерение его в этой области затруднено. Звуковое давление в горизонтальной плоскости (параллельно зеркалу стола) имеет "зонтичное" распре-■,сЛсг1йс ^ом. рис. 1, кривая и, что позволяет считать ¡гшифсьалькый круг осциллирующим источником звуковых колебаний поршневого типа [3]. Следуег отметить, что звуковое давление в направлении оси вращения круга на рас-
84 Вестник УлГТУ 3/99
н
а)
б)
в)
Рис. 2. Модель „щнамчческо! о возбуждения звуковых колебаний в процессе шлпфоьания: 1 - заготовка 2 - шлифовальный круг; > плантай-ба; 4 - прокладки; а - схема шлифования; б - ркйиваяжвнвя ДйШмиче-ская система взаимодействия круга с заготовкой; б - возможные формы изгибных колебаний круга
стоянии L = (60 - 100) мм остается практически постоянным, а следовательно, месторасположение датчика {микрофона) в этой зоне не имеет большого значения и определяется конструкцией защитного кожуха круга.
Ви гри защитного кожуха i .луга создается диффузное звуковое поле, при jtom величина звукового давления по сравнению со свободным звуковым полем увели*лгеается на 30 % практически ппи линейном его распределении по торцовой поверхности круга.
Для выявления резонансных частот измеряли частоты собственных колебании шлифовальных кругов и информативные частоты, характерные для процесса шлишоьания заг отовок Анализ спектра частот покязач почти полное их совпадение, свидетельствующее о юм, что звуковое давление, возникающее в процессе шлифования, является результатом собственных колебаний круга. При этом изменение высоты круга Н оказывает большее влияние на частоту колебаний, чем изменение диаметра D круга.
Взаимодействие круга с заготовкой в процессе шпифояания (см рис. 2, а) можно моделировать в виде динамической эквивалентной системы (см, рис. 2, б), а механизм образования акустических колебаний траюявать следующим образом, под действием CBLíbi шлифования Р происходит смеще-
Вь^гник УлГТУ 3/99
85
ние элементарного объема круга длиной с!у, которое благодаря его упругости передается соседним элементарным объемам, таким образом,в круге возникают и распросграняются иьгибные и продольные волны, выбывающие изгиб-ные (см рис. 2, в) и плоские колебания круга на собственной частоте; так как другие перемещения круга вследствие малой жесткости С стыков 'круг -прокладка - планшайба" на несколько порядков бо,л.ше деформации (смещения) и,) при прохождении по нему изгибной волны А«, то можно считать, что излучение звука происходит в результате колебаний "свободного" кпуга Данное обстоятельство позволяет определить звуковое давление в любой точке кожуха, как для круглой осциллирующей пластины ГЗ]. С учетом влияния размеров и деформации Но крута, согласно работе [4], звуковое давление можно описать уравнением.
О * тт 2*-рс.Р(цИ.Р ( к V72 I/- /1%
р=2я.рсГ.и0.ж.=----] Кп, (1)
где р - плотность среды (воздуха), кг/м". с - скорость распространения звука в среде, м/с; - функция коэффициента Пуассона; О - модули» сдвига шлифовального крута, МПа, к = вя/Яи» Кп - поправочный коэффициент, учитывающий влияние размеров шлифовального круга на величину зв>кового тавлени
к" '8Ы Ча] ' ®
Формула (р является математической моделью, связывающей звуковое давление с силой шшфования Р, а значит, и I технологическими параметрами процесса шлифования (режимами шлифования, материалом -заготовки и другими услов ьми), модулем сдвига С -шлифовального кру1а, а следовательно, и с его характеристикой, а также размерами шлифовального круга (типа 11П) Погрешность расчета звукового даляения по формуле (1) по сравнению с экспериментальными денными не превышает 15 %.
СПИСОК ЖТНРАТУРЫ
1. Худобин Л±$., 1 урьянихин В.Ф, Юганов ВС. Активный контроль процесса шлифования методом низкочастотной акустической эмиссии// Повышение качества и ■эффективное^ги в машиностроении и приборостроении. Н. Новгород. НТО 1997. С. 85 - 86.
2. Фитиппов А. П. Колебания реформируемых систем М. Машиностроение, 1970. 736 с.
3 Тяа В. Н. Введение в теорию излучения и рассеивания звука. М Наука, 1976 253 с
86 ВесшикУлГТУ 3/99
4 Джонсон К Механика контактного взаимодействия. М Машино-сгроение, 1971. 510 с.
Гурьянихин Влидимир Федорович, кандиоат технических наук, при-фессор кафебры «Технология машиностроения» Ул1ТУ, окончил Ульяновский политехнический институт. Область научных исслеоований - ресурсосберегающие технологии в машиностроении, диагностика режущего инструмента.
Юганов Владимир Сергеевич, аспирант той же кафеоры, окончил Ульяновский государственный технический университет. Работает нао повышением эффективности иыифовалъных операций путем использования метооа низкочастотных акустических колебаний.
