Исследование звукового поля при правке шлифовальных кругов Текст научной статьи по специальности «Физика»

МАШИНОСТРОЕНИЕ

УДК 621.923.04

В. Ф. ГУРЬЯНИХИН, Е. И. СТАКАНОВ

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗВУКОВОГО ПОЛЯ ПРИ ПРАВКЕ ШЛИФОВАЛЬНЫХ КРУГОВ

Представлены результаты экспериментального исследования звукового давления в ближней и дальней зонах звукового поля, возникающего в процессе правки шлифовальных кругов по их периферии. Показан механизм возникновения звукового излучения при правке кругов.

Ключевые слова: шлифовальный круг, звуковое поле, правка кругов.

Расход шлифовальных кругов (ШК) определяется в основном процессом их правки, при этом от состояния сформированной при правке рабочей поверхности круга зависят производительность шлифования и качество деталей. Одним из перспективных направлений совершенствования процессов шлифования является использование для управления процессом правки акустического (звукового) излучения. Однако вопросы возникновения и использования звукового излучения при правке, в отличие от процесса шлифования [1,2], практически не изучены.

Звуковые колебания (сигналы), возникающие в зоне правки в результате дискретного ударного воздействия абразивных зёрен (АЗ) и связки круга на правящий инструмент, распространяются в виде упругих волн как по объёмам колеблющегося ШК и правящего инструмента, так и в воздухе, окружающем взаимодействующие объекты, неся полезную для контроля и управления процессом правки информацию.

Для изучения механизма излучения звуковых колебаний и определения рационального месторасположения приёмника акустического сигнала экспериментально исследовали распределение звукового давления в ближней (кЬ < 1, где к -волновое число, м"1; Ь - расстояние от торца шлифовального круга до приёмника звуковых колебаний, м) и дальней (кЬ > 1) зонах звукового поля при правке круга. На плоскошлифовальном станке ЗЕ711В круг 1-250x20x76 характеристики 25А25НСМ17К5, вращающийся с окружной скоростью 35 м/с, правили алмазным карандашом С-10 по одинаковому во всех опытах режиму с подачей в зону правки поливом 2 %-ной

© В. Ф. Гурьянихин, Е. И. Стаканов, 2007

эмульсии НГЛ-205. Приём и регистрацию акустических сигналов осуществляли с помощью первичного преобразователя (микрофона), а также двухканального аналого-цифрового преобразователя в виде звуковой карты 1688, встроенной в персональный компьютер. Цифровую обработку акустических сигналов производили с помощью специализированных пакетов «Cool Edit Pro» и «Pas Analyzer Spectrum». В качестве основных характеристик звукового поля использовали частоту / звуковых колебаний, звуковое давление р и мощность звукового излучения 7Va , а в качестве возмущающих факторов -глубину снимаемого за один проход слоя абразива h и врезную подачу правящего инструмента S,. Предварительными экспериментами, выполненными по методике [1], выявили диапазон информативных частот, позволяющих контролировать выходные показатели процесса правки (рис. 1).

Анализ спектра звуковых колебаний показал, что при правке плоских кругов 1 - 250 х 20 х 76 информативная частота, как и при шлифовании такими ШК, составляет 1300... 1350 Гц. При этом интенсивность звукового излучения при правке в 3 - 6 раз меньше, чем при шлифовании, что можно объяснить небольшим числом алмазных зёрен правящего инструмента, контактирующих с рабочей поверхностью круга. Эксперимент показал, что правящий инструмент не

является источником звука.

На первом этапе экспериментальных исследований, с целью выявления поверхностей шлифовального круга, являющихся основными источниками звукового излучения, и расчёта уровня звуковой мощности излучателя (круга), измеряли характеристику направленности (рис. 2) дальней зоны звукового поля при правке круга по схеме 2 (см. рис. 1).

Индск" точки

а

к.

ш

1-1

20202020 20 L мм

II-II

А

В

1

д

Индекс 1 точки А

£ 202020 20 ¿, мм

1

2

3

4

5

6

7

8 9

4Л

А

О (N

J

V\

ПйфУ

\ I

Б

В

Г

Д

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 11

CP

Схема 1

Схема 2

Рис. 1. Схемы измерения звукового давления в ближней зоне свободного звукового поля (без защитного кожуха): 1 - шлифовальный круг; 2 - правящий инструмент

90'

180'

1 2

Номер ряда

3 4 5 6 7

8 9 10 11

А

Р

0,03 Па

0,02 Па0,03

А

0,01

0,03 Па

■ ■ 1 L- --- = 10 Ю м - М 1

1 -

Р 0,01

L-- -1-- = 60 мм - ,2

Рис. 2. Характеристика направленности излучения для дальней зоны звукового поля при правке шлифовального круга алмазным карандашом: L - 200 мм;/= 1300 Гц; а -угол раствора лепестка эпюры звукового давления, а = 180°; ра = 0,01 Па;ртт- 0,027

Па; Na = 12,09 -10"6 Вт

А

0,03 Па

р 0,01

> / ----I I L = 20 мм -1-- ___

1 1 ■=4 ■ А

11 ! 1 -

-г « - • - ... т ' .rb^ujwnfg- нМН«« j ; HHs

&

Анализ формы характеристики направленности (см. рис. 2) показал [3], что основным источником излучения звуковых колебаний при правке при соотношении размеров кругов ///£> < 0.35 и ¿/В < 0,4, где #, О и с! - соответственно высота, наружный и внутренний диаметры круга, являются торцовые поверхности круга, причём направление максимума звукового давления ртах находится на оси вращения круга. Следовательно, при контроле процесса правки круга по звуковому излучению в качестве информативных параметров целесообразно использовать звуковое давление или звуковую мощность.

На втором этапе экспериментально исследовали распределение звукового давления в ближ-

Рис. 3. Ближняя зона звукового поля при правке шлифовального круга: 1 и 2 - соответственно звуковое давление по схеме измерений 1 и 2 на рис. 1

ней зоне свободного звукового поля (см. рис. 1), создаваемого при правке круга без защитного кожуха. Результаты измерения звукового давления (рис. 3) в узлах координатных сеток, выполненных по схемам, изображённым на рис. 1, показали, что звуковое давление в сечении круга /-/(кривая 1) имеет в 1,5 раза большее значение у его периферии, чем в зоне контакта ШК с правящим инструментом. Это объясняется большой контактной жёсткостью стыка «круг - правящий

инструмент», что приводит к уменьшению амплитуды изгибных колебаний и потенциала скоростей на торцовой поверхности круга в этой зоне. Звуковое давление в сечении //-// имеет «зонтичное» распределение (кривая 2), что объясняется условиями работы и закреплением ШК на планшайбе. Так как торцы круга вблизи его рабочей поверхности свободны, то амплитуда их колебаний и потенциал скоростей в этих зонах имеют большее значение, чем в зоне контакта круга с планшайбой. В результате звуковое давление во всех точках А ... Д рядов 1, 2, 10 и 11 увеличивается в 1,12 -1,2 раза по сравнению с этими же точками рядов 4 и 8 (см. рис. 1). Столь незначительное изменение звукового давления по торцовой поверхности ШК, объясняемое низкой жёсткостью стыка «круг - прокладка - планшайба» и позволяет, с целью упрощения математической модели механизма излучения звуковых колебаний при правке, считать шлифовальный круг осциллирующим источником звука поршневого типа [2]. Звуковое давление поршневого излучателя (круга) пропорционально возмущающей силе, т. е. силе правки, которая зависит от режима правки, характеристики круга и других факторов.

Отметим, что звуковое давление свободного звукового поля в направлении оси вращения круга на удалении от него до 150 мм остаётся практически постоянным. При дальнейшем удалении от торца ШК в направлении главного максимума звуковое давление сначала увеличивается вследствие интерференции, достигая максимального значения (р = 0,007 Па при L = 200 ... 250 мм), а затем уменьшается в результате затухания звуковых колебаний до значения шумов технологической системы станка (р = 0,007 Па при L = 500 мм).

Так как правка шлифовального круга выполняется при наличии защитного кожуха, то важно знать влияние кожуха на характер распределения звукового давления. Установлено, что наличие защитного кожуха приводит к увеличению звукового давления внутри него (ближнее несвободное звуковое поле) в среднем на 22 % по сравнению с правкой без кожуха.

Таким образом, можно считать, что месторасположение микрофона в диффузном звуковом поле (в пределах кожуха) не имеет большого значения и определяется конструкцией защитного кожуха круга. Полученные результаты коррелируют с данными работы [1] и позволяют рассчитывать звуковое давление при правке круга с учётом размеров и деформаций последнего, как для круглой осциллирующей пластины [1-3]. Другим, важным для практики выводом является возможность использования звукового излучения для создания единой системы контроля и управления как процессом шлифования, так и процессом правки ШК на операции шлифования в автоматическом цикле.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК

1. Гурьянихин, В. Ф. Исследование основных параметров звукового поля при шлифовании заготовок / В. Ф. Гурьянихин, В. С. Юганов // Вестник УлГТУ. Сер. Машиностроение, строительство. - 1999. - №. 3. - С. 81-87.

2. Худобин, Л. В. Исследование низкочастотного акустического сигнала для текущего контроля процесса шлифования / Л. В. Худобин, В. Ф. Гурьянихин, В. С. Юганов // СТИН. -

2000.-№8. -С. 25 -29.

3. Тюлин, В. Н. Введение в теорию излучения и рассеивания звука / В. Н. Тюлин. - М. : Наука, 1976. -253 с.

Гурьянихин Владимир Федорович, кандидат технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Технология машиностроения» Ульяновского государственного технического университета. Имеет статьи и патенты в области контроля и управления процессами шлифования и правки по интенсивности звукового излучения. Стаканов Егор Иванович, аспирант кафедры «Технология машиностроения» Ульяновского государственного технического университета.